自然采光对建筑光环境和能耗的影响分析及应用
李天阳，郝军，曾巍
(中国建筑设计院研究院，北京，100120)
摘要：通过计算机数值模拟分析方法，以上海某一建筑的顶部采光为例，分析采光材质的光学性能和热工性能对建筑的采光效果及建筑能耗的影响，以帮助建筑设计人员在建筑设计阶段预测采光效果和建筑能耗，以选择合理的采光产品，指导工程应用。
关键词：自然采光；建筑能耗；模拟计算
中图分类号：TU113.5 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0241-05
Analysis and application of influence of daylight on building lighting environment and energy consumption
LI Tian-yang, HAO Jun, ZENG Wei
(Building Energy Engineering Center, China Architecture & Design Group, Beijing 100120, China)
Abstract: A dining room with skylight was taken as an example to analyze the influence of skylight material’s optical and thermal parameters on the building daylight performance, building electric lighting and conditioning energy consumption by the computer modelling method, in order to help architects predict the daylight performance and energy consumption and select appropriate skylight materials.
Key words: daylight; building energy consumption; computer simulation
自然采光设计是绿色建筑设计中非常重要的组成部分，因为自然采光不仅可以提高视觉舒适度，有益于人们的身心健康，而且还能够节约照明能耗[1-4]。我国的《绿色建筑评价标准》以及美国的LEED和英国的BREEAM仅仅利用采光系数来对自然采光设计进行评价[5-7]。然而，自然采光产品的光学性能和热工性能会对建筑的照明能耗和空调能耗产生影响[8-10]。目前，针对不同采光产品对建筑能耗的深入研究还比较欠缺。另外，目前建筑设计人员在选择建筑采光产品时更多的是关注其美观效果，而忽略了最终的采光效果以及对建筑能耗的影响。本文作者以上海某一建筑内的餐厅的顶部采光为例，深入分析不同性能参数的天窗对自然采光效果以及建筑能耗的影响。根据分析结果，选择两种采光产品进行对比，以帮助建筑师在建筑设计阶段选择合适的采光产品。
1 目的和思路
目前建筑设计人员在进行建筑自然采光设计时，往往忽略建筑产品的实际采光效果以及对建筑能耗的影响。本文旨在借助计算机模拟方法，分析不同采光产品的实际采光效果以及对建筑能耗的影响，以帮助建筑设计人员选择产品，指导实际工程应用。
首先，采用Desktop Radiance计算分析不同透光率下的室内采光系数及极端工况下的室内照度，以判断室内采光效果。其次，采用Daysim和eQuest分别模拟计算不同光学性能和热工性能参数下的照明能耗和空调能耗，对比分析这些参数对建筑能耗的影响。最后，根据以上分析结果选择两种采光产品进行对比分析，综合考虑采光效果和建筑能耗选择合理的采光产品。
Desktop Radiance是由美国劳伦斯伯克利实验室开发的一款基于Radiance核心的在Windows操作系统下的建筑光环境模拟软件，可以模拟复杂场景中各种采光和照明情况[11]。Daysim是加拿大国家研究院开发的动态光环境模拟软件，可以模拟建筑在全年中的动态自然采光效果和照明能耗情况。它同样采用Radiance计算核心，具有较高的计算精度[12-13]。eQuest是由美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的基于DOE-2和DOE-2.2的快速能耗模拟软件，其最大的优势就是可以在极短的时间内，做出一份非常专业的建筑能源分析报告[14]。
2 计算结果
2.1 模型的建立
由于建筑布局的影响，该餐厅位于内区，只能依靠天窗进行自然采光。模型如图1所示。
图1 建筑模型图
Fig.1 Model image
在光环境模拟中，室内表面对可见光的反射率有一定影响。根据工程经验确定室内各表面反射率，结果见表1。
透明材质的光学性能主要有透光率和雾度两个参数，热工性能主要有传热系数和遮阳系数。本研究主要对比分析不同的光学和热工性能参数对室内采光系数、照度、照明能耗和空调能耗的影响。
2.2 不同参数对采光效果和建筑能耗的影响
2.2.1 采光系数
采光系数主要与天窗材质中的透光率有很大关系。所以，本研究主要分析不同透光率下室内采光系数的变化。
表1 室内各表面反射率
Table 1 Reflectivity of inside surface
图2显示了透光率为0.7时的室内采光系数的分布情况。天窗正下方的采光系数最大，随着与天窗距离的增加，采光系数逐渐减小，房间的内墙边缘采光系数最小。在采用其他透光率的天窗材质时，室内采光系数的分布趋势与图2分布趋势基本一致。
图2 透光率为0.7的室内采光系数分布
Fig.2 Daylight factor under transmittance of 0.7
表2显示了不同透光率下室内采光系数的平均值、最小值和最大值以及均匀度。可以看出：随着透光率的增大，采光系数的平均值、最小值和最大值均增大。这是由于透光率增加后，进入室内的光通量增加，采光系数也相应增大。根据《建筑采光设计标准》可知，顶部采光要求的平均采光系数为1.65%。由此可见，当天窗的透光率高于0.3时，室内平均采光系数均能满足要求[15]。但是，采光系数的最小值与平均值的比值，即采光系数均匀度几乎没有变化。这表明随着透光率的增大，采光系数最小值和平均值增加的幅度基本一致。这是因为不同透光率下室内采光系数分布趋势基本一致，采光系数的均匀度主要受天窗的位置和尺寸影响。
表2 不同透光率下室内的采光系数
Table 2 Daylight factor under different transmittances
2.2.2 极端工况下的室内照度
室外天然光由太阳直射光和天空散射光组成。太阳直射光具有一定的方向性，所形成的照度非常高。太阳直射光照射进室内后会形成光斑和阴影，可能会使人产生眩光。天空散射光是太阳光进入大气层后，被大气层中的大气分子、灰尘和水蒸气等微粒多次反射后形成的无方向性的扩散光。天空散射光没有方向性，不形成阴影，在地面上形成的照度受太阳高度角的影响较小，而受天空中的云量、云状和大气中杂质含量的影响较大。采光计算一般考虑两种极端情况，即全阴天和晴天两种情况。全阴天时，天空全部被云层遮挡，天然光全部由天空散射光组成。采光系数计算时采用的就是全阴天工况。因此，阴天时室内照度分布趋势和采光系数的分布趋势基本一致。晴天工况时，天然光由太阳直射光和天空散射光组成，室内自然采光照度较高，但太阳直射光进入室内后会形成光斑和阴影，形成强烈的明暗对比，产生眩光，影响人们的视觉舒适度。为解决这一问题，通常采用半透明的采光产品。雾度是用来表征这种半透明产品对入射进入室内的光线的发散程度的。因此，本研究主要对比分析不同雾度材质下晴天时的室内照度分布状况。为了对比不同雾度下室内照度分布状况，统一设定采光系数为0.3，计算时间为6月21日中午12时，因为夏至日太阳高度角最大，晴天照度也最高。
表3显示了透光率为0.3时，不同雾度下的室内照度的平均值、最小值和最大值以及照度均匀度。可见，随着雾度的增加，照度平均值略有所下降，但变化非常小。可见雾度对室内照度的平均值几乎没有影响。照度最小值出现在距离天窗最远的房间角落，随着雾度的增加，照度最小值逐渐增大。这是由于雾度越大，照射进室内的光线越发散，更多的光线可以照到较远的角落。照度最大值出现在天窗正下方，随着雾度的增大，照度逐渐减小，光斑与阴影也逐渐消失。这是因为更多太阳光的入射方向被改变了，因此正下方的照度减少了。发生眩光的可能性也减少了。因为均匀度为照度最小值与平均值的比值，所以，均匀度也有所提高。
表3 不同雾度下的室内照度
Table 3 Illuminance under different hazes
2.2.3 照明能耗
当自然采光下的室内照度达到设计照度要求时，即可关闭人工照明以节约照明能耗。自然采光的照明能耗节约量可以用自然采光满足率D来评价。另外，不同的照明控制方式下(开关控制和连续调节)自然采光满足率计算方法有所不同。当采用开关控制时，自然采光满足率(D)为室内照度值高于或等于室内照度设计要求的累计小时数和室内需要照明总小时数的比值。采用连续调节时，当室内照度值不满足要求时，可以进行人工调光补足，使其达到照度要求。此时Dcon为室内照度值与照度要求值的比值。根据自然采光满足率计算全年照明能耗：
Q=(1-D)q×A×t (1)
式中，q为功率密度；A为面积；t为全年房间使用小时数。采用天然采光动态模拟软件Daysim模拟计算D和Dcon，然后根据式(1)计算照明能耗。假设餐厅工作时间为早上6时到晚上22时，不同透光率下的照明能耗如图3所示。
图3 不同透光率下的照明能耗
Fig.3 Electric lighting energy consumption under different transmittances
图3显示了不同透光率下的两种控制方式的照明能耗。随着透光率的增加，开关控制和连续调节两种控制方式下的照明能耗均逐渐减小。当透光率较小时，照明能耗迅速减小；随着透光率的增大，照明能耗减小幅度放缓。同一透光率时，连续调节下的照明能耗小于开关控制下的照明能耗。这是由于当自然采光时的照度低于设计照度要求时，开关控制完全开启人工照明；而连续调节则可以利用调光部分开启人工照明，使照度达到设计照度要求即可，这样可以节省一部分照明能耗。
2.2.4 空调能耗
天窗的热工性能参数，即传热系数和遮阳系数都会影响房间的空调能耗。本研究将分别研究传热系数和遮阳系数对空调能耗的影响。
图4显示了遮阳系数为0.4时，不同传热系数下的全年供冷能耗、供热能耗以及空调总能耗。随着传热系数的减小，供冷能耗、供热能耗以及空调总能耗都逐渐减小，但是减少幅度不大。这是由于天窗面积占整个围护结构面积的比例较小，天窗对空调能耗的影响也较小。
图4 不同传热系数下的空调能耗
Fig.4 HVAC energy consumption under different U-values
图5显示传热系数为3.0 W/(m2·K)时，不同遮阳系数下的供冷能耗、供热能耗以及空调总能耗。随着遮阳系数的减小，冬季供热能耗有所增加，而夏季供冷能耗逐渐减小。这是因为遮阳系数减小后，进入室内的太阳辐射减小，造成室内太阳辐射的减小，从而冬季的供热能耗有所增加，而夏季的供冷能耗减小。综合两者之后，全年的空调总能耗随着遮阳系数的减小而减小，这是因为夏季供冷能耗减小的幅度大于冬季供热能耗增加的幅度。同时，也可以看出在夏热冬冷地区，夏季供冷能耗占全年空调总能耗的比例很大。
2.3 不同采光产品对比分析
不同采光产品的光学性能和热工性能存在较大差异，且参数之间存在着一些相互制约和影响因素。根据以上分析可知：该房间的天窗应尽可能选择透光率高、雾度低、传热系数和遮阳系数都低的产品。目前，聚碳酸酯采光产品具有质量轻、透光率高和遮阳系数较低等优点，同时它也是可回收利用的环保建材。本研究选取了两款聚碳酸酯采光产品，对比分析其在本项目上的应用效果，以帮助建筑师最终选择采光产品。这两种产品的性能参数见表4。
图5 不同遮阳系数下的空调能耗
Fig.5 HVAC energy consumption under different shading coefficients
从表5和图6可以看出：产品A的采光系数和照度均比产品B的高，但是产品B在夏季晴天时的照度均匀度要比产品A的高。因为产品A的透光率比产品B的大，但雾度却略低于产品B的雾度。产品A的照明能耗低于产品B的照明能耗，但空调能耗高于产品B的空调能耗。最终，产品A的建筑总能耗低于产品B的建筑总能耗。综合考虑后，建议建筑设计人员选择产品A。
表4 2种采光产品的性能参数
Table 4 Parameters of two selected materials
表5 2种产品下的采光效果对比
Table 5 Comparison of daylight for two products
图6 两种产品下的建筑能耗对比
Fig.6 Building energy comparison of two products
3 结论
(1) 天窗材质的透光率越高，室内采光系数越高，但晴天时容易出现光斑，产生眩光，建议采用半透明材质。天窗材质的雾度越高，太阳直射光进入室内变得更加发散，天窗下方照度就越低，有助于减弱眩光影响，提高室内采光的均匀性。
(2) 照明能耗主要与自然采光的控制方式有关，连续调节下的照明能耗低于开关控制下的照明能耗。随着透光率的增加，两种控制方式下的照明能耗均逐渐减小。天窗材质的传热系数越低，供冷能耗和供热能耗均有所减小。当遮阳系数逐渐减小时，夏季供冷能耗逐渐减小，但冬季供热能耗增加。综合两者后，全年空调总能耗有所减小。
(3) 在选择采光产品时，应在满足相关标准要求的基础上，尽可能选择透光率高、传热系数和遮阳系数低的产品；在室内对外视野要求不高的情况下，选择雾度较高的半透明产品以减少发生眩光的可能。通过分析，建议建筑设计人员在本项目中选择透光率0.5、雾度100%、传热系数3.0 W/(m2·K)、遮阳系数0.6的聚碳酸酯采光产品，不仅具有较好的自然采光效果，而且还能够有效减少建筑能耗。
(4) 建筑设计人员在进行自然采光设计时应该关注采光产品性能参数对最终的采光效果及建筑能耗的影响。通过以上研究发现，计算机数值模拟可以帮助建筑设计人员在建筑设计阶段就预测采光效果以及建筑能耗，有效进行自然采光设计和采光产品选择。
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(编辑 袁赛前)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
通信作者：李天阳(1982-)，男，工程师，从事建筑能耗及环境性能模拟分析工作；电话：010-57368646；E-mail：lity@cadg.cn
