建筑侧面采光评估方法及优化研究

刘彤 刘剑涛 张永炜 颜鼎峰 李以通

中国建筑科学研究院有限公司

天然的阳光是大自然赐给人类的宝贵财富，它取之不尽、用之不竭。充分利用天然采光不但可以节约大量照明用电，还能提供更健康、高效、自然的光环境。从节能的角度看，在商业建筑的总能耗中，照明的能耗占到21%，节约的照明能耗可以占到总节约能耗的80%[1]。所以，充分利用自然采光是绿色建筑设计的一个重要策略。

1 评估方法概述

1.1 平均采光系数法[2]（公式法）

采光系数平均值的计算方法是经过实际测量和模型实验确定的。1979 年，Lynes 针对矩形侧面采光空间的平均天然采光系数总结出了计算表达式，1984 年Crisp 和 Littlefair 在他们的论文中对 Lynes 的公式进行了修正：

式中：ADF 为采光系数平均值；Ag为窗的净表面面积；At为包括窗在内的室内表面总面积；τ0为采光材料(玻璃)的透射比；θ为天空遮挡角；ρ则为室内表面平均反射比。

这个公式的计算结果同模型实验中的测量值更加吻合，并最终在北美照明工程学会（IESNA）和其他很多版本的规范中得到肯定和应用。而我国的 GB 50033-2013《建筑采光设计标准》[3]也将这个公式作为采光计算的公式。

1.2 光线追踪法[4]（模拟法）

采光系数法是在天空亮度分布已知的前提条件下，对室内空间水平工作面上的任意一点进行采光系数估算的方法。该方法排除了阳光直射的情况，通常使用CIE 标准全阴天天空模型，适用于全阴天气较为普遍的地区。该方法认定在室内空间水平工作面上任意一点的照度值由三种因素决定，分别为天空分量（SC），室外反射分量（ERC）和室内反射分量（IRC）。其中天空分量指某点直接受天空作用所得的采光系数分量，室外反射分量和室内反射分量分别指室外、室内环境反射作用于该点的采光系数分量。该点最终的采光系数值（DF）由这三个分量相加而得：

对这三种采光系数分量的确定过程同样较为繁琐，需要确定待评估空间的基本比例关系和待评估点的位置等几何信息，其中最为核心的环节是天空分量的确定。这种方法建立在全阴天模型的基础上，可以在设计阶段对室内工作平面的某一点采光系数进行预估。RADIANCE 光线追踪法（Ward and Rubinstein 1988）已经得到系统的研究（Mardaljevic 1995，Reinhart and Walkenhorst 2001，Reinhart and Andersen 2006）。这些验证研究已经表明 Radiance 可以结合采光因子方法得到可靠的建筑全年天然采光水平。

1.3 标准要求

美国的绿色建筑先锋奖（LEED）认证条例2009版[5]规定新建筑75%以上的使用空间都要有充分的天然光，即在9 月21 日（秋分）上午9 时至下午3 时期间至少有250 lx 的天然光照度，并且在晴天条件下照度不超过5000 lx。

我国的GB/T50378-2014《绿色建筑评价标准》[6]中规定主要功能房间的采光系数满足现行国家标准《建筑采光设计标准》GB 50033 的要求。GB 50033-2013《建筑采光设计标准》对判定的指标、采光等级的要求、不同地区的光气候系数都进行了规定。

2 侧面采光评估方法对比

在GB 50033-2013《建筑采光设计标准》对采光等级、窗地面积比、有效进深给出一个估算表格，用于建筑方案设计，如表1 所示。

表1 窗地面积比和采光有效进深

本文根据上述的窗地面积比及有效进深，对两种方法的采光系数及采光等级进行评估。房间参数与计算工况如下表2 所示。

表2 房间参数与计算工况

将房间的平均采光系数作为评价结果，两种评估方法各项参数相同，模拟法反射次数取4 次，地面反射比取 0.1，网格间距 0.5m，墙与网格间隔 0.2m，结果对比如表3：

表3 不同窗地面积比计算结果

由上述结果得到如下结论：

1）随着窗地面积比的减小及有效进深的增加房间的平均采光系数减小。

2）在采光标准中规定的窗地面积比及有效进深，当使用公式法时，得到的平均采光系数并不能完全满足要求的采光等级，使用模拟法时，可以满足采光等级要求。由于公式法的采光系数平均值是针对所有室内表面而言的，不同于现在所指的室内参考平面上的采光系数平均值。

3 侧面采光方案优化

窗地面积比与有效进深对采光系数有较大的影响。本文取窗地面积比1/3 有效进深1.8 m，对不同的层高、房间尺寸、窗台高使用两种方法进行评价。

3.1 不同层高对采光的影响

将房间的平均采光系数作为评价结果，模拟法反射次数取 4 次，地面反射比取 0.1，网格间距 0.5 m，墙与网格间隔0.2 m，当窗地面积比与有效进深相同时，不同层高对结果的影响如表4：

表4 不同层高计算结果

由上述结果得到如下结论：

1）随着层高的增加，房间的平均采光系数减小。

2）层高对公式法的影响结果较大，这是由于公式法的采光系数平均值是针对所有室内表面而言的，当增加层高时，导致房间的内表面增加。由于模拟法计算的是基准平面0.75 m 的采光系数，因此层高对于模拟法的结果影响较小。

3.2 不同房间尺寸对采光的影响

将房间的平均采光系数作为评价结果，模拟法反射次数取 4 次，地面反射比取 0.1，网格间距 0.5 m，墙与网格间隔0.2 m，当窗地面积比与有效进深相同时，不同房间尺寸对结果的影响如表5：

表5 不同房间尺寸计算结果

由上述结果得到如下结论：

当房间的窗地面积比与有效进深相同时，改变房间的宽度，为了保证窗地面积比相同，窗宽度则发生变化。当房间的尺寸越趋近于正方形，即长宽相同时，平均采光系数越大，采光也更加均匀。由此可以看出窗地面积比与有效进深不是影响采光的唯一因素。

3.3 不同窗台高对采光的影响

将房间的平均采光系数作为评价结果，模拟法反射次数取 4 次，地面反射比取 0.1，网格间距 0.5 m，墙与网格间隔 0.2 m，当窗地面积比与有效进深相同时，不同窗台高度对结果的影响如表6：

表6 不同窗台高计算结果

其中模拟法的具体采光系数结果如图1 所示：

图1 不同窗台高详细模拟结果

由上述结果得到如下结论：

1）当房间的窗地面积比与有效进深相同时，改变窗子窗台高，为了保证窗地面积比相同，则窗子尺寸随着发生变化，窗台高越高时，模拟法的平均采光系数越低。当窗台高度过高时，靠近窗子的位置，采光系数降低，导致平均采光系数降低，由此可以看出窗地面积比与有效进深不是影响采光的唯一因素。

2）窗台高增加时，公式法计算的平均采光系数不变，这是由于公式法仅考虑了窗子的面积未考虑窗台高度对结果的影响。

4 结论

1）公式法较模拟法的平均采光系数偏小，且不能满足采光标准要求的采光等级。由于平均公式法的采光系数平均值是针对所有室内表面而言的，不同于现在所指的室内参考平面上的采光系数平均值。公式法将层高对平均采光系数的结果影响偏大且未考虑窗台高对结果的影响，故模拟法更加接近实际情况。

2）随着窗地面积比的增加或有效进深的减小，采光系数增加。采光标准中以窗地面积比与有效进深作为评价采光的影响因素，而这两个指标不是影响采光的唯一因素，随着房间尺寸接近方形，采光系数增加。随着窗台高的增加，采光系数降低。层高对采光系数影响较小。