基于自然采光的体育馆性能比较分析

宋海宏，邹金龙，张 欣

(东北林业大学 园林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 前 言

采光意味着建筑物中自然光的受控使用，以实现理想的视觉、热舒适和心理舒适。许多研究人员[1-2]概述了室内自然采光的目的，如可以提高任务绩效、社会互动和能源效率等。20世纪70年代，全球石油危机促使研究人员研究减少能源需求的不同方法，因为据估计，仅人工照明就占建筑行业能源消耗的20%～40%[3]。因此，研究界试图将自然采光概念纳入建筑实践，建筑性能模拟受到了广泛关注。Ladybug和Honeybee插件是开源的、易于使用的建筑性能模拟插件，支持视觉性能、能耗和热舒适的模拟。

随着对美好生活需要的日益增长，全面多元发展越来越成为现代人所追求的目标，人们对体育运动的关注与诉求不断提高。作为体育运动重要载体的体育馆如何更好地服务居民这一课题受到众多学者关注。因此，本文采用Ladybug和Honeybee插件对不同自然采光形式的体育馆性能进行定量仿真模拟计算和分析。

1 参数化仿真性能模拟计算

1.1 研究案例

体育馆可分为侧面采光和顶界面采光两种形式，本文主要对顶界面自然采光的体育馆进行研究，根据顶界面自然采光构建形式的不同，可以分为四类：单向、双向、中心垂直以及放射状垂直采光[4](见图1)。

(a)单向垂直采光

1.2 性能模拟目标

1)全自然采光百分比(Daylight Autonomy，DA)：DA是基于光气候数据的动态自然采光评价指标，其定义为一年时间内，仿真模拟测试点自然采光满足最小照度值300 lux的时间与设定的工作日总时间的比值，单位为%[5]。

2)有效自然采光百分比(Useful Daylight Illuminance，UDI100-2 000lux)：UDI100-2000lux是基于测试点照度演化而来的动态自然采光评价指标，其定义为一年时间内，仿真模拟测试点自然采光满足100 lux～2000 lux的时间与设定的工作日时间的比值，单位为%[6]。

3)年均能耗密度(Energy Use Intensity，EUI)：EUI指标定义为建筑单位面积上的全年能耗，单位为kWh/m2[7]。在本研究中，EUI综合考虑了年均照明、年均制冷、年均制热以及年均设备能耗四个指标。

4)预测平均评价(Predicted Mean Vote，PMV)：PMV是以人体热平衡基本方程式和生理学主观热感觉为出发点并综合考虑了人体热舒适感等诸多相关因素的全面评价指标[8]。

1.3 性能模拟流程

本文研究案例位于我国夏热冬暖的广州地区，体育馆比赛大厅室内光环境模拟参数来源于《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)(模拟流程见图2)，能耗、热舒适度模拟参数来源于《公共建筑节能设计标准实施指南》(GB 50189—2015)、《民用建筑绿色性能计算标准》(JGJ/T 499—2018)(见图3～4)。

图2 DA、UDI100-2000lux性能模拟流程

图3 EUI性能模拟流程

图4 PMV性能模拟流程

2 仿真模拟分析

模拟结果见表1。

表1 性能模拟结果

由表2可知，单向与双向垂直采光构建形式相较于其他两种采光形式而言，DA值更大，中心与放射状垂直采光构建形式相较于其他两种采光形式而UDI100-2000lux更大，EUI和PMV值更小，说明较大的窗户采光可以提高体育馆室内照度，与此同时，窗户面积的增大将导致更多的日照辐射、增加窗户与外界的能量传递，从而影响室内热环境和能源消耗。

3 结 语

在建筑设计的早期阶段，设计者应该考虑许多设计的可能性，并且必须在整个过程中做出大多数的决定。选择合适的自然采光形式是早期设计阶段决策的一部分，以后很难更改。

因此，在建筑设计的早期阶段，选择合适的自然采光形式，在能耗、室内热环境和视觉性能之间找到平衡是非常重要的。基于Rhino + Grasshopper参数化设计平台可用于建筑设计过程的任何阶段，以提高建筑性能的优化目标而无需在建模软件和性能模拟软件之间进行转换。

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