建筑采光测量方法实验研究

梁树英，杨春宇，陈 霆，汪统岳

(重庆大学 a.博士后流动站；b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室；c.建筑城规学院，重庆 400045)

建筑采光测量方法实验研究

梁树英a，b，c，杨春宇b，c，陈 霆b，c，汪统岳b，c

(重庆大学 a.博士后流动站；b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室；c.建筑城规学院，重庆 400045)

采光系数和采光均匀度是评价建筑采光质量的重要指标。根据中国标准《采光测量方法》(GB/T 5699—2008)的相关规定，采光测量的天空条件应选择CIE标准全阴天空。但是，中国地域辽阔，各地光气候有很大区别，很难找到合适的天气条件进行采光测量。为了能在不同天气情况下进行采光测量，扩大其通用性，选择全阴天和全晴天时在同一地点、同一时间段对同一栋建筑实体模型的不同朝向(东南西北)分别进行采光测量，并将模型导入DIALux evo 6.1软件测试模拟。结果表明，全阴天和全晴天，采光口朝东向和北向的采光系数在10∶00—15∶00之间由高到低变化，西向和南向的采光系数则相反，数据在12∶00—13∶00之间产生交叉。全阴天北向的采光系数与软件模拟结果最为接近，其次为全晴天北向，全晴天东向和南向的偏差最大。天气和朝向对采光均匀度的影响均较小。

采光系数；采光均匀度；CIE标准全阴天；CIE标准全晴天；建筑朝向

随着生活水平的提高，人们对建筑的天然光环境越来越重视，目前均以采光系数和采光均匀度来衡量建筑物的天然采光情况。中国国家标准《采光测量方法》(GB/T 5699—2008)规定采光系数测量的天空条件应选择CIE标准全阴天空，因为全阴天空的室外天然光全部为漫射光，天空亮度分布比较均匀且相对稳定，各个方向的天空亮度基本相同，有利于采光测量的准确性。但是，中国地域辽阔，全国划分为I～V类光气候区，各光气候区的天气状况有很大区别。例如：重庆(V类光气候区)全阴天空出现的次数较多，进行采光测量比较方便，而昆明(II类光气候区)和北京(III类光气候区)全晴天空出现的次数较多，要找到合适的天气条件(全阴天)进行采光测量就比较困难。此外，建筑的采光口有不同朝向，其对应的天空亮度分布不同，也会导致测试结果不同。因此，为了能在不同天气情况下准确进行采光测量，扩大其通用性，就需要研究不同天气和不同朝向对采光测量的影响。目前，针对采光测量进行的相关研究有：张九红利用数码相机结合数字图像处理技术建立了光环境测试的像测系统，解决了采光系数测试存在的部分问题。沈天行和张九红利用图像数字化处理技术分析了室外遮挡物对采光的影响值，解决了室外有遮挡物时无法准确测定室内采光系数的问题，同时还研究了标准全云天空下的采光系数。

笔者在重庆地区分别选择全阴天和全晴天，在同一地点、同一时间段对同一栋建筑实体模型的不同朝向(东南西北)进行采光测量实验，并将数据导入DIALux evo 6.1软件进行测试模拟，研究不同天气和不同朝向对建筑采光测量的影响。

1 实验部分

1.1 实验对象

为方便测试和模拟，选择住宅的起居室作为测试对象，长7 000 mm，宽4 200 mm，高2 800 mm，短边正中长条窗单面采光，采光口尺寸为2 400 mm×1 800 mm，窗台高度750 mm，测试工作面距离地面高度为800 mm，测点间距1 000 mm。共布置6个测试断面，每个测试断面上布置4个测试点(图1)。按照测试对象尺寸制作4∶1的等比例缩尺模型用于现场实验，墙面、地面、顶棚的颜色使用中性灰色，反射比分别为0.5、0.3、0.8，玻璃为普通3 mm单层白玻。

图 1 测试对象尺寸、测点布置及实体模型图

根据中国国家标准《采光测量方法》(GB/T 5699—2008)的相关规定，采光系数是指在室内给定平面上的一点，由直接或间接接收来自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。实验中，测量每个测试点和对应的室外漫射光照度，由二者的比值求出每个测试点的采光系数，进而得到整个空间的采光系数平均值。采光均匀度为采光系数最低值与采光系数平均值之比。

1.2 仪器装置

测量所使用的仪器为杭州新叶光电工程技术有限公司的XYI-III型全数字照度计，分辨率为0.001 lx，动态范围0.1～100 000 lx，精度±4%，数字V(λ)传感器光谱响应达到国家一级照度计标准。实验前将8台照度计寄回厂家校准，校准后在实验室暗室标准光源条件下同时开启8台照度计，使接收器曝光2 min，待照度计读数稳定后，取测试值相差最小的5台照度计用于现场实验，以便将测试误差控制在最小范围内。

1.3 实验方法

实验在重庆大学校园内进行，选择周边无建筑物及植被遮挡的建筑屋顶平台，天气选择CIE标准全阴天(2015-08-10)和全晴天(2015-09-03)，测试时间选择在一天中照度相对稳定的时间内进行，即10∶00—15∶00，每小时测试1次。每次测试时，分别将模型的采光口朝向东、南、西、北4个方向进行测量。

具体操作时，实验人员穿着深色衣服，并远离照度计接收器，以防止对接收器产生遮挡和反射，影响实验数据的准确性。为进一步控制误差，缩短测试时间，5台照度计同时测量，其中4台置于测试断面上的4个测试点上，1台置于室外无遮挡的空地，同时测量室内4个测试点的水平照度和室外水平面天空扩散光照度，测试完1个断面后迅速移动到第2个断面继续测量4个测试点的水平照度和室外水平面天空扩散光照度，并以此类推直到完成6个测试断面的测量。在全晴天测量室外水平面天空扩散光照度时，用遮光球将直射阳光挡住，遮光球的大小使接收器刚好完全处于阴影中，球表面涂黑，与接收器之间的距离大于0.5 m，支承杆尽可能细。

2 软件模拟

按照测试对象尺寸在DIALux evo 6.1 软件中建立测试模型，场所污染情况为低交通流量(灰尘量地域150 mg/m3)，维护方式固定光耗系数为1，建筑物定位为重庆，106.6°E，29.5°N，向北定位270°(使采光口朝向北向)，时区(UTC+08∶00)北京。灯光场景选择日光，天空种类为阴天，日期和时间为2015-08-10 和12∶00，工作面高度为800 mm，测点数量(X为6，Y为4)。通过计算得到采光系数为2.550 %，采光均匀度为0.172(图2)。

图2 DIALux evo 6.1软件模拟截图

3 结果与讨论

3.1 实验结果

全阴天(2015-08-10)、全晴天(2015-09-03)和不同朝向(东南西北)的采光系数和采光均匀度测试结果见表1和表2。

表1 全阴天采光测量信息表

表2 全晴天采光测量信息表

图3 全阴天和全晴天一天中采光系数变化图

3.2 分析讨论

3.2.1 采光系数变化分析

从图3中可以看出全阴天和全晴天，当采光口朝向为东向和北向时，采光系数在10∶00—15∶00之间由高到低变化，当采光口朝向为西向和南向时，采光系数在10∶00—15∶00之间由低到高变化，全晴天东向和南向的采光系数变化幅度最大。全晴天出现这种情况主要是直射阳光的影响，而全阴天虽然理论上各方向的天空亮度基本相同，但由于太阳高度角、云量、云层厚度的变化也会导致测量结果出现偏差，只是其变化幅度相对全晴天而言要小得多。另外，全阴天和全晴天各朝向的采光系数均在12∶00—13∶00之间产生交叉，此时正是重庆地区太阳高度角最大值所对应的时刻。

根据表3可以看出，全阴天北向的采光系数值(2.561 %)与软件模拟结果(2.550 %)最为接近，其次为全晴天北向(2.449 %)，全晴天东向和南向的采光系数偏差最大，其余方向的采光系数偏差居中。由此可见，直射阳光对采光测量的影响很大。因此，当建筑的朝向为东向和南向时，不适宜在晴天进行采光测量；当建筑的朝向为北向时，则可以在晴天进行采光测量。无论全阴天、全晴天和建筑朝向如何，进行建筑采光测量均应选择在中午(当地太阳高度角最大值所对应的时刻前后)，可以避免直射阳光、太阳高度角和建筑朝向等对采光测量结果的影响。

表3 全阴天和全晴天采光系数平均值

3.2.2 采光均匀度变化分析

从图4和表4中可以看出，全阴天北向的采光均匀度值(0.170)和软件模拟结果(0.172)最为接近，其次为全晴天北向(0.179)，其他方向的采光均匀度变化幅度和偏差都不大。采光均匀度在10∶00—15∶00之间没有和朝向相关的变化规律。因此，天气和朝向对采光均匀度的影响均较小。

表4 全阴天和全晴天采光均匀度平均值

图4 全阴天和全晴天一天中采光均匀度变化图

4 结 论

全阴天和全晴天在同一地点、同一时间段对同一栋建筑实体模型的不同朝向(东南西北)进行采光测量实验，并导入DIALux evo 6.1软件测试模拟。结果表明：全阴天和全晴天，采光口朝东向和北向的采光系数在10∶00—15∶00之间由高到低变化，采光口朝西向和南向的采光系数则相反，数据在12∶00—13∶00之间产生交叉。全阴天北向的采光系数与软件模拟结果最为接近，其次为全晴天北向，全晴天东向和南向的采光系数偏差最大。天气和朝向对采光均匀度的影响均较小。直射阳光对测试结果的影响很大，当建筑的朝向为东向和南向时，不适宜在晴天进行采光测量；当建筑的朝向为北向时，则可以在晴天进行采光测量。无论全阴天、全晴天和建筑朝向如何，其测量时间均应选择在中午(当地太阳高度角最大值所对应的时刻前后)。

[1] 采光测量方法：GB/T 5699—2008[S]．北京：中国标准出版社，2008．

[2] 建筑采光设计标准：GB 50033—2013[S]．北京：中国标准出版社，2013．

[3] 张九红．采光系数测定的研究[J]．沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2005，21(2)：118-120．

[4] 沈天行，张九红．利用图像数字化处理技术分析室外遮挡物对采光的影响值[J]．照明工程学报，2005，16(4)：1-4．

[5] 沈天行，张九红．利用图像数字化处理研究标准全云天空下采光系数[J]．照明工程学报，2006，17(2)：28-32．

ExperimentalStudyofArchitecturalDaylightMeasurement

LIANGShuyinga，b，c,YANGChunyub，c,CHENTingb，c,WANGTongyueb，c

(a.Postdoctoral Research Station;b.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Ministry of Education;c.Faculty of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China)

Daylight coefficient and daylight uniformity are important indexes to evaluate the quality of architectural daylight. According to the relevant provisions of the national standard “daylight measurement method” GB / T 5699—2008, the sky condition for daylight measurement should select CIE standard overcast sky. However, China’s vast territory and the daylight climate is very different, it is difficult to find right weather conditions for daylight measurement. In order to measure daylight under different weather conditions and enlarge the generality of GB/T 5699—2008, this article selects the overcast sky and the sunny sky in the same place, the same time period on the same building solid model in different orientation (east, south, west and north) for lighting measurement and tested simulation the model into the DIALux evo 6.1 software. The results show that the daylight coefficients of the overcast sky and the sunny sky decrease between 10∶00—15∶00 in the east and north direction, and the daylight coefficients of the west and south direction is opposite, the daylight coefficients between 12∶00—13∶00 produce cross. The daylight coefficient of the north of overcast sky is closest to that of the software simulation, followed by the north of sunny sky, the east and the south of sunny sky are the most deviated. The effects of weather and orientation on the daylight uniformity are small.

daylight coefficient;daylight uniformity;CIE standard overcast sky;CIE standard sunny sky;building orientation

2017-07-18

重庆大学教学改革研究项目(2016Y30)；中央高校基本科研业务费项目(106112015CDJXY190002)；国家自然科学基金(51478060)；《采光测量方法》修订编制组资助项目

梁树英(1984-)，女，重庆大学建筑城规学院实验师，博士，主要从事建筑技术科学研究，(E-mail)Lsyarch@163.com。