摘要：为节约建筑照明能耗，降低建筑运营成本，本文以diva软件模拟数据为依托，具体计算了室内采光系数、并模拟了年均不舒适眩光分布情况，探讨了外窗对于建筑室内采光性能的影响，提出了保障良好室内采光环境的设计策略，为日后的设计工作提供了一定的理论依据。
关键词：建筑模拟；采光性能；不舒适眩光
1 研究背景
在众多建筑能耗种类当中，照明能耗作为不可忽视的一部分一直是众多专家学者研究的重要领域。随着越来越多大空间建筑、地下场所的使用，以及人们对采光舒适性的进一步要求，如今已有许多建筑设计者力图将天然日照作为白天室内照明的补充光源，甚至是主要光源，尽可能地实现在白天能够弥补或者完全替代电力照明，从而节约照明用电，以减少日益增多的建筑能耗。不仅如此，天然采光具有无污染、可再生、健康宜人的特点，是能够充分满足绿色建筑要求的优质光源，可以为居民提供照度均匀、无眩光、显色性好的高质量采光，营造健康宜人的光环境，满足人们的日常习惯和使用要求。在建筑设计当中，外窗是影响室内采光条件的直接因素，直接决定着室内光通量的大小，无论是在近窗处还是室内区，窗洞面积的不断递增都会带来更好地室内采光效果。但值得注意的是，对于窗洞面积的盲目扩大可能会造成太阳直射光眩光、辐射热等一系列不利于室内光环境舒适性的问题，这主要是由于当太阳光直射入室内是，光斑的大小也会受到窗洞的影响。因此在尽可能保障采光性能的同时，也要避免不舒适眩光的产生一直是建筑外窗设计的重要难点之一。
根据实践经验，现阶段建筑设计当中，关于窗洞的设计指标通常包括窗洞面积的大小以及窗型、窗洞位置的选择等。《天津市绿色建筑评价标准》DB/T 29-204-2015直接将窗地比作为衡量居住建筑采光性能的具体参数，认为居住建筑卧室、起居室的窗地面积比达到1/6时，该建筑采光性能良好，其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。但事实上，介于建筑个体之间差异巨大，且外部环境不同，许多建筑在满足窗地比大于1/6时并不能获得很好的自然采光；或者虽然建筑获得了很好的天然采光，但因其较大或不适宜的外窗设计引发了不舒适眩光的产生，使得建筑不得不添加外遮阳构建，依然无法完全利用天然日照光。本文通过选取某建筑作为典型案例，试图对其进行采光性能分析以及眩光分析，从而探究外窗与建筑采光性能的相关性以及建筑外窗几种常见这样方式的可行性。
2 建筑模拟
2.1 模拟软件
本文采用加载在rhino软件平台的diva模拟软件，该件将高性能模拟引擎和流行的数字设计平台连接在一起，软件可以为单个建筑和城市景观进行一系列环境绩效评估，包括：辐射图、逼真的渲染效果图、基于气候的采光指标、年度和单个时间步长强光分析、LEED和CHPS日光柔和度、单个热量区能源、负荷计算。
2.2 计算参数
2.2.1 天空大气条件
针对室内采光模拟，一般有三种天空条件可供选择：晴天（CIE clear sky）、全阴天（CIE overcast sky）、平均天空（CIE intermediate sky）。本次使用的采光模拟软件设置了根据模拟对象所处地理纬度进行计算的选项，针对不同城市有基本天空计算照度的默认值。用户可以根据模拟的实际情况进行修改，本文采用默认值，是根据实测的室外天空照度输入的基本天空计算照度值。
由于所选建筑地理位置为纬度33°49′N, 经度116° 31’W，属于热带沙漠气候区，特点为炎热、干燥、日照强，因此本次采光模拟将选择晴天模式作为天空条件。
2.2.2 其他模拟参数
屋顶反射率0.75，地面反射率0.32，墙面反射率0.64。
外窗为双层中空铝合金外窗，玻璃类型为普通白玻，可见光透射比0.89，玻璃反射比0.08。
考虑建筑主要功能为起居室、卧室，人员活动一般为坐姿，因此模拟眩光点设置相机位置为房间中央1m高度处，相机镜头分别直视不同外窗，水平与垂直视角均为180度。
2.3 建筑模型建立
本次模拟建筑为单层建筑，一层主要功能房间为起居室、卧室、厨房、卫生间，二层为公共敞开平台及储藏室等。本次模拟建筑地处于空旷地区，场地周边建筑物较少，场地内设有泳池，考虑水面对日照光的反射影响，本次模拟模型建立范围为建筑物及泳池。
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图1 建筑模型
3 建筑采光性能
3.1 采光性能
通过对该建筑进行采光系数计算，模拟结果显示该建筑客厅平均采光系数为8.64%，卧室平均采光系数达到4.42%，建筑整体室内采光性能较好，室内人员可以通过充分利用天然日照，实习在白天对室内光照环境的基本要求，进行正常的室内活动。这主要是由于本项目建筑设计加大了玻璃门窗的使用比例，其中客厅南北侧均设大面积可开启外窗，卧室东南侧均设大面积可开启外窗，更好地将室外日光尽可能的引入室内空间，以补充室内照明，节约照明能耗。
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图2 客厅采光系数分布图 图3 主卧采光系数分布图
3.2 眩光性能
根据模拟结果，建筑客厅北侧房间不舒适眩光仅仅出现在3月至4月与8月至10月的上午6：00至上午8:00，该时段范围内室内人员活动场所一般为卧室，不会对客厅的日常使用造成不利影响。而南侧外窗不舒适眩光作用明显，出现的月份较多，且时长明显长于北侧外窗，除4月中旬至8月外，其余月份自上午7:00至中午12:00均出现不舒适眩光，10月中至11月中，17:00至18：00同样会出现不舒适眩光，这将严重影响室内人员在客厅的使用感受，迫使室内人员采取内遮阳措施阻挡不舒适眩光，同时需要额外开启电能照明改善室内光环境，从而造成不必要的能源消耗。
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图4 北侧外窗年均不舒适眩光时间分布图 图5 南侧外窗年均不舒适眩光时间分布图
同样对卧室进行眩光分析，可以发现卧室东侧外窗眩光情况良好，全年那仅有少数时间出现不舒适眩光现象，主要零散发生在冬季1月及12月的某些天数内，一般不会对室内人员活动造成不利影响，可以通过室内人员调整视线、工作方向等简单方法改善室内光环境。根据建筑南侧外窗不舒适眩光的年均分布图，其造成不舒适眩光的可能性明显大于东侧外窗，主要集中分布在除4月中旬至8月外，其余月份自上午7:00至中午11:00这段时间内。出现时间与客厅较接近，但具体时长及频率明显小于客厅，这主要是由于卧室的南侧外窗均匀分布在南侧里面上，且窗台位置较高，太阳光可以均匀的分布在室内各区域，而客厅的南侧外窗为落地门连窗，造成太阳光集中照射，从而产生了不舒适眩光。虽然如此，卧室南侧外窗仍然使得室内人员活动收到了影响，不得不采取其他遮阳措施改善室内光环境，提供健康、宜人的居住空间。
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图6 东侧外窗年均不舒适眩光时间分布 图7 南侧外窗年均不舒适眩光时间分布
4 结论
本文以室内采光性能为出发点，基于diva软件模拟研究了外窗对于室内平均采光系数以及不舒适眩光的分布情况，根据以上模拟结果，认为外窗作为保障室内采光强度的重要因素同样影响着不舒适眩光产生的可能性，尤其对于南侧外窗，更需要控制外窗面积大小在合理范围内，并尽量采取均匀分布的设置方式，以免形成影响室内人员活动的不舒适眩光，威胁视力健康，降低活动效率。本文研究成果将为建筑设计者提供了一定的设计依据与设计准则，进一步促进其对室内光环境健康性的关注，一定程度上在保证室内良好采光性能的同时，节省了照明能耗。
论文作者:陶昱婷
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷22期
论文发表时间:2020/3/10
标签：采光论文; 眩光论文; 建筑论文; 室内论文; 舒适论文; 性能论文; 窗洞论文; 《建筑实践》2019年38卷22期论文;