绿色建筑动态采光模拟方法

王会一，金 晶，田 真（.北京绿建软件股份有限公司， 北京 00098；. 湖南大学建筑学院， 湖南 长沙4008）

天然光环境是人们长期习惯和喜爱的工作环境。各种光源的视觉试验结果表明，在同样照度条件下，天然光的辨认能力优于人工光，有利于工作、生活、保护视力和提高劳动生产率。充分利用天然光，对于创造良好光环境、节约能源、保护环境和构建绿色建筑具有重要的意义。

目前大部分建筑采光相关的标准都是以采光系数作为评价指标，采光系数因其简单易用的特点被广泛应用，采光系数是室内目标点上的照度与全阴天下室外无遮挡水平面上照度的比值，表征全年中较不利的全阴天空条件下的采光情况。但这种评价方法的缺点也显而易见，既未考虑建筑的朝向，也未考虑采光随天空状况改变的变化性，无法预测建筑各朝向的遮阳措施以及无法预测眩光问题等。

随着天然光采光应用研究的不断发展，区别于计算采光系数的静态模拟方法，近年来国际上发展起来基于全年光气候的动态模拟计算方法，计算全年中不同天空状况下随时间步长变化的逐时照度。在动态采光计算基础上提出一些新的天然采光评价标准，其中采光阈占比 Spatial Daylight Autonomy（sDA）、年日照时数 Annual Light Exposure（ASE）[1]等动态采光指标得到广泛应用。

1 动态采光评价体系

1.1 国外认证

美国绿色建筑委员会 LEED 认证是最知名的绿色建筑评价体系之一。LEED 由美国绿色建筑协会建立，并于 2003年开始推行，在美国部分州和一些国家已被列为法定强制标准。截至目前，国内申请 LEED 认证的项目近 4 500 个，总建筑面积达 1.6 亿 m2，已得到认证的项目超过 2 000 个。2015 年，绿色建筑认证协会（GBCI）和美国 WELL 建筑研究所（IWBI）将 WELL 建筑标准引入中国，将建筑的健康性能作为衡量基础，在 LEED 要求的基础上进一步提升建筑环境指标。

LEED v 4 和 WELL v 1 的认证都对动态采光提出了明确的指标要求。将采光阈占比（sDA300，50%）和年日照时数（ASE1000，250）作为光环境的评价指标。在全年运营时间内，对常用空间中适宜照度的面积比例提出要求。

以 WELL 为例，健康阳光照射一节要求如下所示。①至少 55% 的空间每年至少 50% 的运营时间至少能获得 300 lx 的阳光照射。② 每年有 250 h 可获得 1 000 lx 以上阳光照射的区域不超过 10%。

LEED 标准的要求与 WELL 大致相同，区别在于 LEED针对不同建筑类型要求的达标面积比例略有不同。国外认证中对动态采光的计算要求相对来说发展比较成熟，北美照明学会发布的 LES LM-83-12 文件详细说明了计算 sDA、ASE的建模要求和计算模拟参数等条件。

1.2 国内标准

我国对动态采光的研究相对较晚，但是近年来国内一些标准已经明确提出了动态采光的模拟计算要求。动态采光指标更真实全面地反映了室内天然采光状况，其已逐渐成为国内天然采光评价的发展趋势。

2016 年，中国建筑学会标准 T/ASC 02—2016 《健康建筑评价标准》对公共建筑的动态采光评价提出要求，即：“公共建筑室内主要功能房间至少 75% 面积比例区域的天然光照度值不低于 300 lx 的时数平均不少于 4 h/d，得 5分”。

2019 年，GB/ T 50378—2019《绿色建筑评价标准》进行修订，对公共建筑和住宅建筑均提出了明确要求，即：“住宅建筑室内主要功能空间至少 60% 的面积比例区域，其采光照度值不低于 300 lx 的小时数平均不少于 8 h/d；公共建筑室内主要功能空间至少 60% 的面积比例区域，其采光照度值不低于采光要求的小时数平均不少于 4 h/d” 。

值得注意的是，GB/ T 50378—2019 条文中给出的照度值指的是平均照度，与国际标准通常采用的逐点照度有所不同。

2 动态采光模拟工具

2.1 国外采光软件

动态采光指标在国际上提出较早，国外很多采光软件已基本实现动态采光分析功能，如 DAYSIM、DIVA-for-Rhino、IES-VE、Ladybug+Honeybee、SPOT 等。目前国外商业采光软件的动态采光计算普遍采用 DASYIM 内核，类似于 Radiance 软件在静态采光计算中的地位，DAYSIM 是目前国际公认的动态采光计算引擎。DAYSIM 采用 Perez 天空模型，可以根据太阳直射辐射、水平散射辐射和其他相关数据计算天空亮度信息，这样就能取得全年动态光环境模拟所需的天空亮度分布数据[2]。

与 Radiance 类似，DAYSIM 软件本身有多个计算子程序组成，调用关系比较复杂，虽然提供了简单的用户界面，但实际使用体验并不友好。DAYSIM 软件本身未提供建模功能，一次只能进行一个空间的计算，计算结果仅能输出简单的网页报告。目前 DAYSIM 主要被科研院所的研究人员使用，很难直接在普通建筑设计人员中普及应用。

DIVA-for-Rhino 在犀牛软件平台上开发，解决了建模问题、操作简单，但自定义材料参数较难。其他的国外采光软件也表现出建模支持不够、计算精度不足、交互界面不友好等问题。最关键的是国外软件对国内标准要求的指标支持不足，无法自动匹配国内标准对应的参数要求，成果报告形式无法达到国内标准的需求[3-4]。

2.2 国内采光软件

绿建斯维尔采光软件 DALI（下文简称 DALI）支持 GB 50033—2016 《建筑采光设计标准》和 GB/T 50378—2019的采光模拟计算，并已通过国家建筑工程质量监督检验中心的鉴定。DALI 动态采光计算核心为 DAYSIM 软件，以蒙特卡罗反向光线跟踪算法为基础进行天然采光分析。在保证了计算精度的同时，DALI 基于国内建筑设计师广泛应用的AutoCAD 平台而开发，提供了友好的 Window 用户操作界面，只需要简单设置各项采光计算参数（如材料的反射比）后，即可进行动态采光计算。如果用户同时在工程中应用其他绿建斯维尔系列软件（如建筑节能设计软件 BECS），则可以实现一模多算，避免重复建模过程。

DALI 动态采光功能可实现多项标准指标的验证计算，如全自然采光时间百分比（DA）、有效天然采光照度（UDI）的计算，支持 LEED、WELL、GB/T 50378—2019和 T/ASC 02—2016 的采光指标验算。

动态采光对每一个采样点进行动态全年 8 760 h 的逐时计算，完成计算后，可在 DWG 图上直接标注对应类型的计算结果，DALI 使用数值和符号代表每个计算点的结果和达标情况。并且在动态采光计算完成之后可以对多区域的结果进行统计，以便对该建筑全年采光情况进行评价和判断标准得分情况。DALI 提供多种计算结果的呈现方式，如达标率统计表、分析结果区间色、过渡色彩图和逐日、逐月达标统计图等，全方位多角度反应项目全年动态采光效果。动态采光效果图如图 1 所示。

图 1 动态采光效果图

DALI 可作为绿色建筑评价标准的对标验算软件，提供了直接输出绿色建筑评价标准中有关动态采光条文的计算报告书功能。报告书的主要内容包括每个计算房间的统计表格、全部房间的汇总统计表格、逐日逐月统计图以及项目整体达标结论和得分情况等内容。

2.3 计算结果对比

对于一款计算软件，计算结果的准确性是最重要的。选择 DALI 软件和国外采光模拟软件 DIVA for Riho 进行对比，该软件具有建模方便、计算精度较高和操作相对简单等特点。鉴于国内标准和国外标准的动态采光指标不一样，因此选用 LEED 动态采光指标进行结果对比。

为验证计算结果精度，通过多个采光计算模型在相同气象数据和计算参数条件下进行结果比对，如模型 1 的简单房间、模型 2 的典型办公室、模型 3 的厂房等，具体如图 2 所示，计算结果对比如表 1 所示。

图 2 模型情况

表 1 计算结果对比

通过对比发现，两款软件的计算结果基本保持一致，ASE 和 sDA 两项指标计算结果的差异控制在合理范围以内。造成差异的原因可能是两款软件取点方法不同，采样点位置不能完全一致，从而影响了统计结果。

3 DALI 软件的创新点

作为国内一款商业化采光软件，DALI 填补了国内动态采光方面的空白。DALI 采用 DAYSIM 作为计算引擎，保证了计算结果的准确性。此外，基于友好的交互界面提高了软件的易用性。

3.1 支持国内动态采光指标计算

国内标准给出了动态采光指标的计算要求，而国外采光软件目前尚未有针对性的支持国内标准。DALI 率先支持了国内健康建筑和绿色建筑标准中与采光相关的条文，解决了国内标准的对标验算问题。

3.2 支持国内气象数据

DALI 软件还可以自行选择不同数据源的计算气象文件，支持清华大学的 CSWD 气象数据文件进行动态采光计算，为国内的用户提供了本地化服务。

3.3 计算速度优化

基于动态采光的内部计算原理，动态采光要完成全年8 760 h 的逐时照度计算，以sDA的计算为例，需要考虑计算多种工况下的照度（包括太阳直射照度、遮阳条件下的照度和不考虑遮阳的照度），逐时多工况计算大幅增加了软件的计算复杂度。在 DAYSIM 原生的单线程计算模式下，一栋多层的住宅楼的动态采光计算动辄需要数个小时的时间。

DALI 在 DAYSIM 软件的基础上，为提高计算速度，做了以下方面的尝试和改进。

（1）支持并行计算。DAYSIM 本身不支持并行计算，DALI 在此基础上进行了优化，可以一次支持多个房间并行计算。如对 16 核的电脑可以一次同时进行 16 个房间的模拟计算。

（2）对计算参数进行优化，提供粗算和精算两种精度模式。精算采用 DAYSIM 的默认计算参数，反射次数多相对精度高，对计算结果也较为有利。但是计算速度很慢，十几个房间的精算可能需要几个小时才能完成。粗算模式使用优化后的计算参数，在略微损失计算精度的前提下，可在十几分钟内完成十几个房间的计算，大幅提高了计算效率。相对于精算模式而言，只是计算结果值略为偏低，非常适合于建筑设计师在前期进行方案调整阶段使用，可以大幅节省计算时间成本。

（3）支持云计算，充分利用云端计算资源进行并行计算。云计算是一种可伸缩、弹性、共享的计算模式，根据云端资源核数，可以充分利用云端优势并行计算。此外，可同时进行多个房间地计算，房间数可达 40 个以上，突破了本地计算机的计算瓶颈。同时提交到云端的计算不影响客户的本地工作，计算更稳定，管理更容易。DALI 云计算框图如图 3 所示。

图 3 DAL I云计算框图

4 结 语

绿建斯维尔 DALI 采光软件率先在国内基于 DAYSIM 计算引擎开发了动态采光计算功能，并在对标验算和计算速度等多个方面做了很多大胆的尝试和改进。但不可忽略的是，国内动态采光起步较国外相对晚一些，相关标准条文对于计算细节缺乏具体的规定和解释。如何结合现有标准和软件，使得动态采光指标能够更好地促进国内建筑采光设计的发展，未来还有很多工作要做。