开放式办公空间天然光环境均衡性评估与精细化控制

张淞博，张冠华，谭有恒，陈 星，沈鹏元，杨 彪

(1.哈尔滨工业大学(深圳)建筑学院智能照明实验室(iLLab)，广东 深圳 518055；2.哈尔滨工业大学(深圳)实验与创新实践教育中心，广东 深圳 518055；3. 深圳合一智控科技有限公司，广东 深圳 518057)

引言

开放式办公空间开间进深与开窗面积较大的特点会导致办公空间内天然光质量不够均衡[1]。开放式办公空间中靠窗使用者因受到过量天然光照射，会选择长时间关闭窗帘并采用人工照明，降低了天然光的利用效率。私人办公空间中使用传统的采光遮阳手段来满足使用者的天然采光要求和舒适性，而开放式办公空间中的策略实施仍有待提高[2]。现有开放式办公空间光环境控制模式的不足，往往导致了在日间采用完全遮蔽天然光并使用人工照明的方式来满足工作人员视觉要求[3]。现有的使用场景中遮阳设备的调整往往不及时，并且一旦拉下，由于使用者习惯，窗帘或百叶窗的关闭状态有极高的概率会长时间保持不变[4]。

本研究旨在通过对天然光环境控制的优化来解决现有开放式办公空间由于设计尺度和控制模式造成的室内天然光不均衡的问题，目的是充分利用天然光来提高开放式办公空间内使用者的天然采光舒适程度[5]。基于探讨不同采光遮阳控制优化策略效果的目的，本研究进行了量化评估，并证明优化后控制模式的有效性，对于开放式办公空间的能耗管理与光环境控制有着较强的参考意义。

1 开放式办公空间天然采光评价

1.1 开放式办公空间天然光环境

开放式办公空间的较大进深导致了两种情况，一是紧靠窗口区域，太阳直射造成使用者有眩光和过热现象[6]；二是远离窗户的部分区域不能满足天然采光需求。此外，靠窗使用者控制窗帘的行为体现出高度随机性，难以准确定量描述。这都对天然光的利用产生了不利影响。天然光的引入可以使室内光环境具有丰富的感染力和渲染力，将日光引入室内环境会对用户的舒适度、健康、幸福感和生产力产生积极影响[7]。办公建筑中的天然采光对降低照明能耗也有着重要的意义。为了实现天然采光的有效控制，本研究采取精细化的控制系统来实现采光的节能和舒适，在分析开放式办公空间天然光质量时，主要考虑其空间均衡性和时间均衡性两个方面。本研究中开放式办公空间天然光的空间均衡性是指在某一时刻下，各工作平面的天然光照度分配的均匀和平衡程度，均衡性的高低由各工作平面之间天然光照度的差异性体现。而时间均衡性指开放式办公空间内部天然光质量在全年尺度下维持在一个较好水平的稳定程度，即在全年尺度的时间线上，各个时刻室内天然光质量相差的程度。本研究中天然光在时间尺度上的均衡性主要由全年中各个工作平面天然光照度处于可用范围内的时长所体现。

1.2 室内天然光均衡性评价指标

目前广泛应用的室内天然采光评价指标及其适用性见表1。

表1 天然光评价指标适用性归纳表

现有指标中，有效采光度适合用来评价全年全天候下开放式办公空间室内天然光的利用程度，是否满足了用户功能性需求；照度均匀度适用于评价开放式办公空间内，不同工作平面天然光光照水平的差异以及不均衡性。

本研究基于有效采光度和照度均匀度，基于开放式办公空间的特点，设定天然采光综合分数。该指标主要涵盖三个方面：天然光照度满足使用者功能性需求的情况、天然光照度满足使用者舒适性需求的情况、工作平面上天然光的均衡性情况。最终的综合分数由功能性分数、舒适性分数及均匀度分数三部分加权组成，对于不同的场景需求，可以设置不同的权重值，本文中设置的权重值为3∶2∶1。

天然光照度功能性分数如式(1)所示：

(1)

式中，f1(x)表示工作平面天然光照度功能性分数；x表示各工作平面天然光照度值(lx)。

基于既有研究，可以得出在100～2 000 lx范围内，用户在500 lx天然光条件下工作舒适度最高[8]，Fotios[9]总结出500 lx时照度已经满足需求，继续提高对舒适度正面影响很小。而在工作平面天然光照度可接受范围内，用户对300 lx和1 000 lx满意程度比较一致[10]。结合上述研究，本研究设定500 lx为满分100分，小于100 lx和高于2 000 lx为零分，300 lx和1 000 lx为80分，进行线性赋分，得出舒适性分数如式(2)所示：

(2)

式中，f2(x)表示工作平面天然光照度舒适性分数；x表示各工作平面天然光照度值(lx)。

所有工作平面整体天然光照度均匀度分数如式(3)所示：

(3)

式中，f3(x)表示工作平面天然光照度均匀度分数；xmin表示各工作平面照度最小值(lx)；xmax表示各工作平面照度最大值(lx)。

开放办公空间天然光环境综合分数由功能性分数、舒适性分数及均匀度分数三部分加权组成。归一化后，百分制的开放办公空间天然光环境综合分数如式(4)所示：

(a1+a2+a3)n

(4)

式中，L(x)表示百分制的开放办公空间天然光环境综合分数；xi表示各工作平面天然光照度(lx)；αi表示各指标权重系数；n表示开放式办公空间中工作平面个数。

2 开放式办公空间天然光环境模拟

2.1 采光遮阳行为控制模型

模拟研究以Rhinoceros为几何建模平台，以Radiance作为内核，以Grasshopper分析插件作为参数化编程平台。室内照度的计算原理基于Tregenza等[11]提出的采光因子法，参考罗涛[12]的室内光环境模拟流程，所用天空亮度模型基于CIE标准天空模型[13]。

本研究通过模拟分别计算无控制模式、手动控制模式下、粗放式控制模式下、精细化控制模式下的目标办公空间全年室内天然光。其中，粗放式控制模式是指以2 000 lx为天然光照度阈值，以靠窗测点的天然光照度为条件，在每个时间步长都对窗帘状态进行一次判定。手动控制模式选定三个触发因素作为判定：所处时刻、所处时刻下窗帘状态、所处时刻工作平面天然光照度。通过将每个时刻控制行为发生概率的理论期望值转化为人为控制下全年室内天然光环境。两种控制模式如图1所示。

图1 优化前天然光控制模式流程图Fig.1 Flow chart of natural light control mode before optimization

其中手动控制模式通常具有随机性。本研究仅考虑行为的发生与所处时刻或工作平面照度等因素，本研究基于Wang等[14]提出的在多人房间中的人员行为模型，并参考对控制窗帘行为发生概率的研究[15]，最终的控制行为概率模型以使用者关窗帘触发概率和开窗帘触发概率的形式体现。

(1)关窗帘动作触发概率如式(5)所示：

(5)

(2)开窗帘动作触发概率如式(6)所示：

(6)

2.2 开放办公场景搭建

本研究选择了南山区某天然采光环境较差、对天然光环境改造需求较强烈的办公空间作为分析目标，如图2所示。该办公空间由于较大的开窗面积和开间进深，天然采光不均衡的问题尤为突出。现有办公空间内使用者对窗帘的控制模式导致该办公空间天然光利用效率较低。

图2 深圳市某开放式办公空间Fig.2 An open office space in Shenzhen

该办公空间面积146 m2，共有24个办公位。房间开间为16.8 m、进深为8.7 m，东南向有4个窗户，窗户宽分别为7.4 m、6.1 m，高为2.2 m、1.2 m，窗台高度为0.9 m，窗户朝向为北偏东135°。办公空间内设置24个工作平面，每个工作平面取实际工作平面的中心位置，距离地面0.75 m，工作平面分布如图3所示。室内采用卷帘式窗帘，由靠窗一排用户进行控制，工作平面1、2的用户为一组控制其对应部分的窗帘，工作平面3、4、5的用户为一组控制其对应部分的窗帘。

图3 办公空间平面图及工作平面分布Fig.3 Office space and work plane distribution

2.3 采光遮阳措施与精细化控制模式

通过对采光遮阳精细化控制后的办公室内天然光环境进行模拟，可以得到不同采光遮阳搭配方式下的办公室内天然光分布情况和各工作平面的全年天然光照度等情况。其中各主动式采光遮阳措施适用性分析见表2。

表2 主动式采光遮阳措施适用性分析表

基于适用性角度，采光窗材质和室内遮阳构件优化适用于开放式办公空间的采光遮阳控制。本研究将采光窗进行网格化处理，使用透射率可以变化的电致变色玻璃，每块玻璃的透射率均可独立控制。在原有基础上增加窗帘数量，将原来的两面窗帘细分为可由每个靠窗用户独立控制的四面窗帘，并增加由下向上卷起的控制模式。办公室原有情况如图4所示，精细化控制后概况如图5所示。

图4 办公室基准采光遮阳系统Fig.4 The baseline system of the office

图5 精细化控制系统Fig.5 Refine control system

本研究将网格化电致变色玻璃外窗作为优先的采光遮阳控制手段。天空条件发生变化时，网格化电致变色玻璃外窗会通过自动调节每个网格的透射率以满足室内天然光需求。基于现实情况和与真实生活中使用者的其他需求，保留多方向控制窗帘作为次级控制手段。

3 典型气象年中精细化控制验证

对模拟得到的室内各工作平面全年照度进行分析，以开放式办公空间天然光综合控制系数为目标函数，选取每小时最优方案，从而得到全年的采光遮阳方案组合。将典型气象年中全年精细化控制优化后的目标办公空间各工作平面天然光分布情况与优化前进行对比分析，验证采光遮阳精细化控制方案及典型气象年内全年优化策略的有效性。

3.1 精细化控制前后有效采光度对比分析

本研究以PUDI、PE>2k、PE<100三个指标分别对有效采光度时间百分比、过高天然光照度时间百分比和过低天然光照度时间百分比进行描述，典型气象年中精细化处理后的室内各工作平面PUDI的平均值、PE<100平均值和PE>2k平均值与精细化处理控制优化前各种情况进行对比见表3。

表3 典型气象年中优化前及全年优化后各情况下有效采光度平均值对比

通过典型气象年中精细化前后有效采光度的对比，精细化控制下的各工作平面PUDI平均值比手动控制模式下提高了61%，比粗放式控制模式下提高了49%。可以看出，精细化控制的手段在典型气象年中进行全年优化，提高了目标开放式办公空间中工作平面天然光照水平和天然光利用效率，有效增加了天然采光在全年尺度下的时长，并使室内天然光质量维持在较高水平，能够有效改善室内天然光时间尺度上的均衡性。

3.2 精细化控制前后照度均匀度对比分析

在满足目标开放式办公空间中工作平面对天然光的功能性需求基础上，需进一步分析精细化控制模式对天然光在所有工作平面之间分布的差异性，即室内照度均匀度。典型气象年中典型日内精细化控制优化后的采光均匀度平均值与优化前对比见表4。

表4 典型气象年中优化前后典型日内照度均匀度平均值对比

典型气象年中精细化控制全年优化后在典型日中的照度均匀度低于优化前三种遮阳模式下的照度均匀度。精细化控制模式由于采用了采光窗网格化调节透射率的控制方式，满足用户对天然光的功能性需求，导致了在多数用户对天然光功能性需求都被满足的情况下，使用者之间的天然光使用情况差异变大。

3.3 精细化前后天然光环境综合分数对比分析

典型气象年中典型日内，精细化控制下的开放办公空间天然光环境综合分数平均值与优化前三种遮阳状态下的对比见表5。

表5 典型日内开放办公空间天然光环境综合分数平均值对比

典型气象年中，经过采光遮阳系统精细化控制优化的开放办公空间天然光环境综合分数在四个典型日内的平均值均高于优化前的各种情况，在全年尺度来看，精细化控制下的开放式办公空间，其开放办公空间天然光环境综合分数要高于优化前的各种情况。

开放办公空间天然光环境综合分数基于各工作平面天然光质量的基础上评价了办公空间上的均匀度和平衡性，采光遮阳系统精细化控制下的开放办公空间天然光环境综合分数高于优化前情况，说明精细化控制模式可以有效地改善开放式办公空间天然光质量在空间尺度上的均衡性。在满足室内工作平面天然光需求的基础上，相比于粗放式控制模式和手动控制模式的18.95分和0.10分，精细化控制模式将典型气象年全年天然光环境综合分数平均值提高到58.70分。

4 结论与展望

本研究主要进行了开放式办公空间室内天然光评价体系的搭建、目标空间现存天然光环境分析、采光遮阳系统精细化控制方法的提出以及采光遮阳系统全年控制优化策略的提出和验证。

典型气象年内，采光遮阳精细化控制优化后开放办公空间天然光环境综合分数高于优化前，相比传统采光遮阳方式，能够起到优化开放式办公空间室内天然采光的作用。本研究对办公空间现有采光遮阳条件下天然光质量均衡性的分析表明，与无遮阳状态相比，现有的采光遮阳系统以及控制模式会降低开放式办公空间的天然采光质量。

本研究提出的基于采光窗网格化控制和窗帘多方向控制的采光遮阳系统精细化控制方法，能够有效提高UDI和开放式办公空间全年天然光综合控制系数，可用于开放式办公空间的设计或优化过程中。由于本研究仅选取了深圳市内一个改造需求较强的开放式办公空间作为目标空间，可能存在其特殊性和地域性差异，有待进一步开展对不同案例的研究。