某学校项目自然采光模拟优化分析

霍少峰，李美霞 （.中广核核电运营有限公司，广东 深圳 584；.深圳市建筑设计研究总院有限公司，广东 深圳 5803）

本项目位于广东省深圳市，处于IV类光气候区，项目总用地面积为 24 156.17 m2，总建筑面积为 31 234 m2。项目共分为 A、B、C 3 个区，其中办公及教学用房(C 区)设有 1 层地下室，地下室面积为 4 290 m2。

1　评价标准和依据

评价自然采光效果好坏的主要技术指标为：采光系数、室内天然光照度，特定情况下还需要对采光均匀度、不舒适眩光等采光质量进行控制。常规情况下，对于侧窗采光，需要考察建筑室内采光系数，天窗采光需要考察建筑室内采光系数、采光均匀度。

根据 GB 50033—2013《建筑采光设计标准》及 GB 50378—2014《绿色建筑评价标准》的相关要求，本报告采用“采光系数”作为评价指标对建筑室内的光环境进行评估。

本项目为教育建筑，根据 GB 50033—2013 第 4.0.5条的规定，各场所采光系数标准值需满足表1 的要求。

表1　本项目采光标准值

GB/T 50378—2014 第 8.2.6 条(得分项)对室内采光得分的最低要求为：主要功能房间采光系数满足现行国家标准 GB 50033—2013 要求的面积比例大于等于 60%，每增加 5%，得分增加1分，最高得 8 分。

GB/T 50378—2014 第 8.2.7 条(得分项)对地下室采光提出了如下要求：地下空间平均采光系数≥ 0.5% 的面积与首层地下室面积的比例≥ 5% 时得 1 分，每增加 5% 增加 1 分，最高得 4 分。

2　技术路线

本项目采用首先通过 Ecotect 建模及划分网格，然后导入 Radiance 进行计算，最后将计算结果导回 Ecotect的方法对室内自然采光效果进行分析。Ecotect 是一个全面的技术性能分析辅助设计软件，可以进行太阳辐射、热、光学、声学、建筑投资等综合技术分析。

Radiance 是由劳伦斯伯克利国家实验室开发的采光软件，采用了蒙特卡洛算法优化的反向光线追踪算法，相对于光能传递算法来说光线追踪更适合于精确的建筑采光分析。国际上采光分析论文基本都采用 Radiance 进行模拟，该软件分析计算的结果受到广泛认可。

3　模拟结果

3.1　参数设计

本报告模拟计算时忽略室内家具等设施的影响，其他构造均根据设计图纸建立。在模拟过程中需要考虑围护结构壁面的反射比、光导管可见光透射比等参数。

根据 GB 50033—2013 的要求，在距地板 0.75 m 高度处设置参考面。综合考虑模型尺寸及精度要求，以 0.5 m为间隔划分水平网格。

模拟采用 CIE 全阴天模型，按照最不利条件计算采光系数，不考虑直射阳光的影响。根据 GB 50033—2013 附录 D 采光计算参数，本项目地下室围护结构面层材料的光学性能参数取值如表1 所示。

表1　材料的光学性能

由于各地光气候资源条件存在差异，不同地区相同建筑类型建筑采光系数要求各不相同。根据 GB 50033—2013规定，采光系数标准值应乘以相应地区的光气候系数 K，不同地区光气候系数如表2 所示。

表2　光气候系数K值

根据 GB 50033—2013 附录 A，深圳市位于 Ⅳ 类光气候区，其光气候系数 K=1.1。

3.2　模拟模型

根据项目施工图设计阶段图纸进行全尺寸建模，模型尺寸与设计建筑完全相符。本项目共分为 A、B、C 三个区，每个区各层平面基本相同，因此可在每个区分别选取一层为代表作为标准层进行分析。本次分析取各层的第三层为标准层(图1)。

图1　模型计算分区

3.3　地上部分模拟结果

根据 GB 50033—2013 的要求，工业建筑取距地面1 m，民用建筑取距地面 0.75 m，公用场所取地面作为参考平面。本次室内自然采光模拟计算，参考平面为距楼面0.75 m 水平面。将各层主要功能房间根据所需的采光等级进行分类，分为如下两种类型：

Ⅲ级房间：专用教室、实验室、阶梯教室、教师办公室，其平均采光系数应不低于 3.3%。

Ⅴ级房间：走道、楼梯间、卫生间，其平均采光系数应不低于 1.1%。

通过对各层模拟结果进行统计，可得各层自然采光达标情况如表3 所示：

表3　主要功能房间采光效果统计表

3.4　地下部分优化策略

本项目地下一层为停车、设备用房，由于无法设置采光井及下沉式广场，无法满足自然采光的要求。根据项目的特点，提出采用导光管系统的方式改善地下车库等空间的采光。根据项目情况，共加设 17 套 STD530-Y 导光管采光系统改善地下室的自然采光效果。根据厂家提供的资料，STD530-Y 导光管采光系统管壁反光率达到 98%，透光折减系数为 0.73。根据项目施工图阶段图纸进行全尺寸建模，模型尺寸与设计建筑完全相符。

本项目地下室自然采光计算区域总面积为 3 022 m2，地下室自然采光计算区域采光系数范围分布如表4 所示：

表4　地下室自然采光计算区域采光系数

由表4 可知，通过光导管系统改善后，本项目地下室自然采光分析区域采光系数≥0.5% 的面积比例为54.18%，故地下室采光系数≥ 0.5% 的面积为：

3 022×54.18%=1 637.32 m2

地下空间平均采光系数≥0.5% 的面积与首层地下室面积的比例为：1 637÷4 290=38.17%

4　结 语

根据以上模拟分析结果可以看出：经过优化后，A、B、C 三个区都达到了较好的自然采光效果，总计达标面积比例达到 68%。地下室虽然无法直接采用自然采光，但通过光导管技术的应用，采光系数达标比例也达到了38.17%。合理地选取优化自然采光的方式，可以有效地改善地上建筑及地下室的采光效果，不仅可以起到节能减排的作用，而且可以提高室内人员的舒适度。