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1、有大型外百叶房间的室内光环境分析- 1 -一、引言1天然光简述（1）天然光的组成和影响因素太阳辐射透过大气层入射到地面，一部分为定向透射光，称为太阳直射光，它具有一定的方向性；另一部分遇到大气层中的空气分子、灰尘、水蒸气等微粒，产生多次反射，形成天空扩散光，扩散光没有一定的方向。直射光和扩散光的比例取决于大气透明度和天空中的云量。若两种光线所占比例发生变化，则地面上的照度也将发生变化。（2）晴天（clear）：云覆盖天空的面积占 03/10；晴天时地面照度由直射光和天空散射光组成。（3）全阴（overcast）：云占 8/101。这时天空亮度分布比较均匀且相对稳定。（4）多云（intermed
2、iate）：云占 8/101。2研究背景1） 自然采光的意义天然光是取之不尽、用之不竭的能源。自然采光意义重大，不仅可以达到节能和可持续发展的目的，而且可以满足人们的心理需求，有利于人们的身体健康，提高工作效率，同时，天然光还具有卫生功能，可以有效地杀灭细菌。从这些角度可以知道，自然采光将是未来“绿色”建筑一个很重要的发展方向。有大型外百叶房间的室内光环境分析- 2 -2） 国内外的研究现状 （1）国外国外对这个领域研究的时间较早，理论研究及实际应用方面已经比较完善。理论研究方面，已经形成比较完善的自然照明计算理论及方法，如流明输入法、自然采光系数法，可对多种天气条件、多种窗口遮挡情况的室内照
3、度分布进行计算。同时根据计算结果及实际测量值，已经提出许多反馈机制使之反作用于窗户遮阳设备，以此调节室内的光照强度和分布状况。并且，可以计算得出建筑由于采用自然采光控制系统后得到的建筑能耗的大小。同时，上面的这些方法已经在实际中得到应用，基于各种试验和收集的光气候数据，诸多测量设备、商业软件已经开发成功并得到应用。（2）国内国内这方面起步较晚，故各方面的研究都很少。理论研究方面，国内关于采光算法的成果很少，各种期刊、论文都很少涉及这方面的知识。可以说，还处于一个相对空白的状态。理论研究的空白也造成实际应用方面空白。光气候的数据也十分贫乏。3） 本文的研究重点建筑物为了增大自然光的利用率，比较常
4、用的方法是采用玻璃幕墙结构。但这种结构也有弊端，比如，往往不能保证室内采光分布的均匀程度，靠近窗户的室内部分往往光照强度过大，而室内较深处则光照强度不够，这样给室内人员的生活、工作造成一定程度的不便。同时，玻璃幕墙结构也减小了房屋围护结构的热阻，造成建筑能耗的增大。这种情况下，布置百叶作为一种可以调节采光的一种有效手段，同时也可以增大围护结构的热阻减小建筑能耗，越来越收到人们的重视并且已经开始被人们用来调节室内光照强度。目前国内百叶采光方面研究性的论著并不多，本文主要从采光模拟软件有大型外百叶房间的室内光环境分析- 3 -Desktop Radiance 2.0 的模拟计算结果出发，探讨不同天
5、气情况下，两个典型日的三个时间段，各种不同的百叶布置（如水平百叶、竖直百叶、水平偏转百叶、竖直偏转百叶等）对室内光环境的影响，并从最后的结果得出如何布置百叶的效果相对最佳。3光环境质量的评价标准舒适光环境的评价标准主要有下面几点：1适当的照度水平照度到一定程度后，反而会超过眼睛的适应范围。如右图所示，故对于人眼视力而言，存在着最佳亮度。2合理的照度分布照度分布应该满足一定的均匀性。视场中各点照度相差悬殊时，瞳孔就经常改变大小以适应环境，引起视觉疲劳。其中照度均匀度工作面最低照度/工作面平均照度。平均照度是指在光束扩散角内，各被测点的照度之和与被测点数之比。照度均匀度一般不得低于 0.7，CIE
6、 推荐为 0.8。3无眩光干扰4舒适的亮度分布：适合的亮度对比很重要5宜人的光色：影响对物体颜色的判别和人的心理感觉6光的方向性：使被视物体有立体感人眼对外界环境明亮差异的知觉，取决于外界景物的亮度。但是，规定适当的亮度水平相当复杂，因为它涉及到各种物体不同的反射特性。所以，实践中还是以照度水平作为照明的数量指标。CIE 建议的照度等级为 2030507510015020030050075010001500200030005000。民用建筑照度标准值 （摘自 GBJ133-90）照度标准值（lx）类 别 参考平面及其高度 低 中 高办公室、会议厅、报告厅、接待室0.75m 水平面 100 15
7、0 200有大型外百叶房间的室内光环境分析- 4 -有视觉显示屏的作业 工作台水平 面 150 200 300普通阅览室、研究室 0.75m 水平面 150 200 300设计室、绘图室、打字室 实际工作面 200 300 500柜台 柜台上面 100 150 200一般商店营业厅 货架 1.5m 垂直面 100 150 200一般活动区 0.75m 水平面 20 30 50住宅起居室、卧室 书 写、阅读 0.75m 水平面 150 200 300铁路旅客站普通候车室、售票室0.75m 水平面 50 75 100二、Radiance 模拟1模拟软件 Radiance 简介Desktop Rad
8、iance 2.0 是由美国加利福尼亚州伯克利市劳伦斯伯克力国家实验室环境能源技术部（the Environmental Energy Technologies Division of Lawrence Berkeley National Laboratory）开发的一种建立在在 Autocad 2000 绘图基础上，对特定室外条件下的室内光照分布进行计算模拟的软件。该软件建立了较完备的墙体材料、玻璃材料、家具、灯具的数据库，并可以自己补充。该软件使用界面与 Autocad 2000 几乎相同，在绘制得到一张三维的建筑图后，对墙体、玻璃附上相应的材料，同时在室内摆设所需的家具和灯具，然后选择模
9、拟计算的时间、地点，即可以得到这种设置环境下的室内光照分布图。计算前可以选择模拟的类型，如摄像头（camera）模拟，这种模拟方式可以得到一幅很分辨率可以自己设定的房间“照片” ，即从摄像头角度看到的房间的光照分布图象；还有参考点（reference point）模拟和坐标网格（reference grid）模拟等。本文的研究主要采取的是坐标网格模拟。这种模拟方法可以在三维建筑图中设置一层测点层，计算后即可得到每一个测点处的室内照度数值。下面两图分别给出模型建立时的界面和用摄像头模拟得到的成像图。有大型外百叶房间的室内光环境分析- 5 -模型建立界面 室内采光成像界面2模拟设置1）边界条件设置
10、模拟地点：北京（由于北京的地理数据 Desktop Radiance 2.0 中并不包含，于是笔者查得数据扩充在软件自带的数据库中。具体扩充数据为经度 39.90，纬度 116.30）房间大小：8m6.6m2.8m百叶的宽度：600mm两百叶间距：600mm房间朝向：东（即东向为玻璃幕墙，而其他三个方向均为实体墙壁）围护结构的材料如下：floor polygon（地板）wall polygons（墙壁）ceiling polygon（天花板）the glazing surface（玻璃）Blinds（百叶）Blue-gray yellowish paint off-white clear gl
11、ass brushed-aluminumreflectance12.00%specularity3.00%Reflectance68.00%specularity0.00%Reflectance67.50%specularity0.00%transmittance88.30%reflectance8.00%reflectance79.00%specularity50.00%有大型外百叶房间的室内光环境分析- 6 -transmittance0.00%roughness2.00%transmittance0.00%roughness0.00%transmittance0.00%roughness
12、0.00%thickness5.71mmcolorcleartransmittance0.00%roughness10.00%为了简化计算，本文在全年选取 1 月 1 日，7 月 1 日为典型日，并在一天中选择了 9：00，11：00，16：00 三个时间段为典型时间段进行分析，百叶布置形式为无百叶、水平百叶、水平偏转百叶、竖直百叶和竖直偏转百叶五种。2）模拟成像图下面仅列出三种百叶情况下的模拟成像图（图中黑色层表示测点层） ，其他情况成像图与这三种中相应的某一种类比可以得出。水平偏转百叶 竖直偏转百叶 无百叶3）两种百叶偏转策略这两种偏转策略，一种是半角偏转，其意义为百叶偏转角度为当时时刻太
13、阳直射光线与百叶面夹角（水平百叶时由表征太阳方向与水平面夹角的太阳高度角计算得到，竖直百叶时由表征太阳方向的水平投影偏离南向角度的方位角有大型外百叶房间的室内光环境分析- 7 -（以南向偏左为正）计算得到）的 1/2，由左下图即 AB 偏转至 AC，这种情况由于对太阳光阻挡与不偏转百叶相对减少，有利于自然光进入室内；另一种策略是这样的，选取如右下图所示的百叶视图，AB 为其中一片百叶，设入射角为1，那么百叶偏转角度为假定百叶与墙面重叠后再从下往右偏转 2*1，即向下偏转（90-2*1）度到 AC 位置。这种角度的偏转恰好使得所有入射直射光都无法直接进入室内，而必须通过百叶的反射作用。可以认为在
14、入射角较小时，前一种策略为极有利采光状况（仅对得到的光通量而言） ，后一种为极不利采光状况。而对于入射角较大的情形，由后面的分析可以看出另一种策略反而比半角偏转更有利于采光。半角偏转 另一种策略4）测点布置及结果处理为方便观察结果，本次模拟时选择的 Desktop Radiance 2.0 软件的坐标网格（reference grid）模拟是这样设置的，在房内距地0.7m 高的水平面上布置2015 个测点，模拟计算测得这些点的光照强度后，再用软件 origin 5.0 进行分析计算，成直观的彩云图观察，如右图所示。在彩云图模拟中，从前面所述光环境评价标准出发，我们选择了一种比较有大型外百叶房间
15、的室内光环境分析- 8 -普遍的照度标准，即办公室条件下标准低照度值 100 lx。绘制彩云图时，设定所有彩云图的最低值均为 100，既便于不同彩云图之间的比较，也可以方便地知道各种不同情况是否满足绝大部分光照强度大于 100 lx 的最低标准值（此时如果照度值小于 100，则彩云图中这一区域将为颜色比较突出的黑色） 。彩云图的上限没有更改，这是由于房间照度的最高值是照度水平的重要属性之一（可以用来评定眩光） 。同时，由于房间内不同测点的光照度差别较大，模拟中采取了对数彩云图的方法，即数据并非线形分布，而是呈对数分布。3计算结果分析参考前述的光环境评价标准，同时也考虑到研究的可操作性（主要考虑
16、到研究的方便性及可量化程度） ，这里主要考察室内光照分布中的最大光照强度，照度大小分布情况，工作面照度分布的均匀程度三个属性。最大光照强度，主要用来评定是否存在眩光干扰，可知不应超过 5000 lx。照度大小分布情况，主要用来评定是否具有合适的照度水平，即照度小于100 lx 的区域在室内的分布面积不应很大，同时房间内平均照度较大。由平均照度定义：在光束扩散角内，各被测点的照度之和与被测点数之比，这里为了便于分析，只是直观地从室内平均照度大小出发，得出不同百叶布置时的平均照度值直观上大小的比较。工作面照度分布的均匀程度，主要用来评定是否具有合理的照度分布。这一点比较重要，但实际操作中不易执行，由照度均匀度的定义：工作面最低照度/工作面平均照度。故需设定工作面，并计算得该工作面上的平均照度。为了便于分析，本文也做了简化处理，工作面定义为相当于房间北面中部靠墙的一张 2.0m1.7m0.7m 的桌子的桌面（国家标准工作
