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1、高大空间体育建筑自然采光模拟分析北京工业大学 刘建 简毅文 李炎锋北京维拓时代建筑设计有限公司 汪涌摘 要：本文以天津冲浪馆为例， 运用建筑生态大师Ecotect计算出馆内的采光系数分布， 利用采光模拟软件计算出典型工况下室内照度分布、DA分布，以及采光均匀度，最后经过对模拟结果的分析，来评价这种方案下天窗自然采光效果，并提出合理建议，同时依据国家现行关于大空间建筑和游泳馆类建筑采光设计标准，来挖掘这种设计下天窗自然采光所能带来的照明节能潜力。关键词：自然采光，采光系数，照度分布，节能潜力0 引言在建筑环境学中，自然采光是建筑光环境的重要组成部分，它不仅能够节约照明能耗，还可以改善室内的生态环
2、境；良好的自然采光设计给人以温暖的、开敞的感觉1。常规建筑人们根据经验即能判断其自然采光效果，而对于特殊的建筑，如高大空间的体育馆建筑进深大、外形独特，我们并没有经验可以遵循，可以运用模拟分析的手段来指导辅助建筑设计。在此，以冲浪馆为例利用模拟计算的方法，来考察这种特殊建筑的自然采光特点。1 工程概况：本建筑主要功能为水上娱乐、游泳比赛等，底面为标准椭圆，长轴220m，短轴120m，高度33.6m，天窗形状近似椭圆形，大约4200m2，无侧窗。建筑外形及室内各物体表面光学性能参数如下图1和表1所示：表1 各物体表面光学性能参数墙体内表面反射率0.8水表面反射率0.86屋顶内表面反射率0.7双层
3、Low-e天窗透射率0.611地板反射率0.7图1 冲浪馆南立面图2 自然采光模拟研究方法本案例首先用Ecotect进行建模，模型如图1所示。模拟计算出室内的采光系数分布，并根据建筑采光设计标准判断其所能达到的采光等级。但Ecotect由于采用简化算法，计算速度快、精度差，仅适用于辅助建筑设计，当需要精确计算时，要将模型导入到Radiance或Daysim中2。因此，为计算照度水平，将所作模型导入Radiance当中，利用Radiance模拟计算出室内照度分布。在一般情况下，自然采光效果最好出现在夏季晴天中午12时，最差出现在冬季阴天的早晨。所以模拟计算出这两种典型的工况，室内照度分布水平即在
4、这两者之间。Daysim 软件主要应用于建筑全年的采光动态分析和照明能耗计算等领域4。基于此，利用Daysim 计算全年运行时间内，利用自然采光情况下，室内照度有多少时间可以达到冲浪馆设计照度所要求的750lux 以上3。来挖掘利用天窗的自然采光所能带来的人工照明节能潜力。3 模拟结果分析3.1 采光系数模拟分析图3 冲浪馆采光系数平面图（距地面1500mm）图2显示了距地面1500mm水平面上的采光系数分布情况，从图中可以看出馆内举例天窗较远的大面积区域采光系数仅有0.1%，天窗位置附近区域采光系数最高可达到39%，经计算可知本馆内采光系数均匀度为0.009，不满足在建筑采光设计标准中采光系
5、数均匀度0.7的标准。由此可知，本建筑如果完全利用天然采光是达不到要求的，原因在于天窗开启面积太集中，导致馆内采光均匀度较差，体育娱乐场馆训练用最低采光系数要求6%，比赛用最低采光系数要求15% 3。由图3可知大约60%的区域采光系数低于6%的要求，近75%的区域达不到采光系数15%的比赛要求。3.2 馆内照度模拟分析图4 冬季阴天馆内照度分布图（距地面1500mm 水平面）图5 夏季晴天馆内照度分布图（距地面1500mm 水平面）以上两图分别显示了冬季阴天和夏季晴天两种极端工况下室内照度分布情况。图4为冬季阴天时的照度分布情况，天窗正下方区域可达到2000lux，距离天窗较远的大部分区域照度
6、仅在3050lux水平, 在整个区域上大约60%-70%的面积均需借助人工照明。根据要求自然采光的照度均匀度最小为1/10,而此场馆内的照度均匀度为1/23,显然并不合理。图5为夏季晴天时，馆内照度分布情况，图中天窗附近区域照度可达到20000lux 以上，有的天窗附近区域甚至高达45000 lux，这种情况是由于夏季晴天的太阳光直射造成眩光而引起的。恰相反，在距离天窗较远的周边区域照度水平仅在400-600 lux水平，并不能达到体育娱乐场馆采光设计最低750lux的标准；如图6人体对于光照度满意率曲线照度值大于3000lux时，人体便会感到不舒适。此种采光方案导致了夏季近天窗处需有遮阳措施
7、，而距离天窗较远的接近30%的面积却需人工照明，此方案对于采光来说的不合理性显而易见。馆内场地的照度均匀度为1/30，不同位置的照度悬殊较大，导致活动人员的瞳孔会不断的改变大小，容易导致视觉疲劳，影响运动。 图6人体对于光照度的满意率曲线3.3 全年自然采光的照明节能潜力分析为了分析自然采光所能带来的人工照明节能潜力，这里提出一个参数：Daylight Autonomy，其定义是指在全年工作时间内，利用自然采光所能达到的室内设计照度要求的时间占全年总的工作时间的百分比。为计算DA，场馆运行工作时间暂取为9：0017：00，全年运行工作时间为2920小时，按照此类建筑的采光设计标准，最低照度要求
8、为750lux，人体对于光照度的满意上限值为3000lux，因此利用Daysim软件分别模拟计算出750lux和3000lux的DA分布如下图6和图7所示：图6 场馆内Daylight Autonomy（750lux） 由图6可以看出天窗附近接近50%的面积的DA值可以达到80%-90%，就是说，这些区域在场馆的全年运行工作时段内有80%-90%的时间可以达到采光设计750lux的最低标准。天窗周边区域的DA值大约在40%左右，在场馆的东部位置有近20%面积的DA值在10%以下，有的区域DA值甚至在0%附近，就是说这些区域在场馆的全年工作运行时段内均需人工照明。图7 场馆内Daylight A
9、utonomy（3000lux）由图7可以看出天窗附近区域的DA值可以达到55%，即这些区域在全年的运行工作时间内有55%的时段照度超过了3000lux，给人造成一定的不舒适感，需要采取一定的遮阳措施。天窗周边区域超过3000lux的时段占全年总运行时间的22%40%之间。这些需要采取遮阳措施的区域约占总面积的30%左右。4 总结利用采光模拟软件模拟计算了该冲浪馆的采光系数、照度分布、以及DA值分布；根据大量的模拟计算结果表明，其自然采光的评价参数采光系数、照度水平的平均值均可接近建筑采光设计标准的最低设计要求，但由于在这种开窗方式下，天窗开启面积太集中，阳光直射引起眩光，会出现大面积光斑，其自然采光的不均匀性太大，天窗布局不合理，建议在整个屋面上均匀开启环形天窗，或者加开侧窗，以缓解其自然采光的不均匀性。参考文献1 李天阳,郝军,李莹. 工业厂房的天窗自然采光应用及模拟分析J.暖通空调模拟年会,20092 罗涛,燕达. 天然光光环境模拟软件的对比研究J.暖通空调模拟年会,20093 GB/T 50033-2001, 建筑采光设计标准S.北京：中华人民共和国建设部,2001
