办公建筑侧面采光优化分析

沈丹丹

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

随着城市的发展，我国公共建筑数量与日俱增，其中办公建筑的建筑量最大。在办公建筑中，建筑能耗主要包括空调能耗、设备能耗和照明能耗，其中照明能耗约占建筑全年总能耗的30%[1-3]。现有的建筑设计往往按照经验估算采光窗口的大小和位置，导致建成后室内自然采光效果不理想，照明能耗激增。因此，应对自然采光的影响因素进行分析，为采光优化设计提供一定的指导，在满足室内光环境舒适性的同时，降低照明能耗，实现建筑的可持续发展。

目前，关于采光设计与照明能耗的关系[4-5]，自然采光舒适度控制方法[6-8]，以及采光性能影响因素的分析[9-11]已经有了一定的研究。然而，关于采光效果影响因素组合方案优化程度的研究却很少。本文通过Ecotect软件建立模型，利用Radiance软件对侧窗采光影响因素中的窗墙比、玻璃可见光透射率（以下简称透射率）、进深和窗台高等进行研究分析，通过正交试验[12-14]进行综合采光优化方案设计，分析不同组合方案的优化潜力，确定最优组合方案，从而为办公建筑采光设计优化提供一定的参考。

1 模型建立及参数设置

1.1 模型的建立

本文主要研究不同的采光方案设计对自然采光效果的影响。为减少其他因素的影响和模拟时间，建立一个长8.0 m、宽6.0 m、高6.4 m的房间，窗户设置于办公建筑的南立面上，模拟模型如图1所示。

图1 模拟模型

1.2 模拟的设置

根据GB 50033——2013《建筑采光设计标准》（以下简称标准）及工程常用参数，房间内的天花板、墙体和地板的反射比参数见表1。为校核模拟的准确性，根据标准中表C.0.1侧面采光系数平均值计算的设置条件，通过Ecotect软件建立模型，联合Radiance软件对该模型采用CIE全阴天模式进行室内光环境模拟，以离地面0.75 m高处的平面作为自然采光分析的参考面，计算结果见表2。

表1 室内各表面反射比值

由于标准中未对计算模型的窗台高度、采光分析的参考面等做出说明，导致标准给出的采光系数平均值的计算结果与本文模拟计算结果之间存在一定的差异，其平均差异率为2.74%。鉴于差异率值较小，可以认为采光系数模拟值是可信的。

2 各因素对采光系数的影响分析

由于各光气候分区的采光系数标准值和光气候系数不同，因此，本文以光气候Ⅳ区办公建筑侧窗采光标准值作为基准（即C基准=3.3%），计算采光系数的改善率，研究窗墙比、透射率、进深和窗台高度对采光系数的影响。

2.1 窗墙比

为研究不同窗墙比对采光系数的影响，在窗台高为1.2 m、窗户高度为3.2 m不变的前提下，改变窗户的宽度，对不同窗墙比在透射率为0.6、进深为6 m的条件下分别进行自然采光模拟分析，模拟工况和结果如表3和图2所示。由此可见，在上述条件下，当窗墙比大于0.2时，室内采光系数满足标准要求，且随着窗墙比的增大，采光系数改善率也均匀增加。

2.2 透射率

天然光线主要通过玻璃照进室内，透射率则反映了玻璃的透光性能，是影响室内采光效果的重要因素。为研究透射率对采光系数的影响，在窗台高度为1.2 m、窗墙比为0.3、进深为6 m的条件下，改变透射率的大小，模拟室内自然采光系数的变化，模拟工况和结果如表4和图3所示。从图表可以看出，在上述条件下室内采光系数模拟值均满足标准的要求，且随着透射率的增加，采光系数改善率均匀增加。

表3 窗墙比对采光系数的影响

图2 不同窗墙比的采光改善率

表4 透射率对采光系数的影响

图3 不同透射率的采光改善率

2.3 进深

侧窗采光时，进深的大小影响着室内采光效果。为研究进深对采光系数的影响程度，在窗台高度为1.2 m、窗墙比为0.3、透射率为0.6的条件下，模拟室内采光系数随进深的变化，模拟工况和结果如表5和图4所示。从表5和图4可以看出：当进深从6 m增加到8 m时，室内采光系数满足标准的要求，且随着进深的增加，改善率下降幅度明显；当进深超过8 m时，采光系数低于标准的规定，改善率下降幅度也略微变缓。导致这种变化趋势的主要原因是进深增加到一定程度后，照射到内隔墙的天然光变少，其采光漫反射效果减弱，进一步增加进深后采光效果的变化减弱，下降幅度变缓。

表5 进深对采光系数的影响

图4 不同进深的采光改善率

2.4 窗台高

为研究窗台高对采光系数的影响，模拟在不同窗台高度下采光系数的变化，工况设置和模拟结果如表6和图5所示。

表6 窗台高对采光系数的影响

从图表可以看出，当窗台高从0.8 m变成1.8 m时，采光系数持续降低，导致这种变化趋势的主要原因是窗户的位置对进入室内的光线产生一定的影响，位置设计过高，窗口的有效利用高度会减少，降低室内的自然采光水平。

2.5 各因素影响程度的分析

对比窗墙比、透射率、进深和窗台高对采光系数的影响，其中窗墙比为0.20～0.45时，采光效果改善率为－11.21%～70.61%；透射率为0.60～0.70时，改善率为23.94%～52.42%；进深为11～6 m时，改善率为－18.48%～22.73%；窗台高为1.8～0.8 m时，改善率为12.42%～30.91%。

由以上数据可以看出，窗墙比、透射率、进深和窗台高均对采光优化具有一定的影响。为进一步分析各因素对采光系数的影响程度，表7给出了SPSS软件方差分析结果。从Sig值都＜0.001可以看出，4个因素均对采光系数产生显著影响。根据F值可知，影响显著性依次为窗墙比、进深、透射率和窗台高。

图5 不同窗台高的采光改善率

表7 SPSS软件方差分析结果

2.6 各因素的组合方案

研究分析各因素对采光系数的影响，为从各因素设计的采光优化方案中找到最优组合方案，同时避免大量的模拟计算，采用正交试验方法组合设计优化方案，进行模拟研究。

考虑标准的规定，并结合工程实施可行性的原则，确定窗墙比、透射率、进深和窗台高4个因素，每个因素选取6个水平，采用正交设计表模拟试验方案，见表8。

图6为各因素组合设计方案的采光系数。从图6中可见，上述4个影响因素组合方案的采光系数为1.94%～ 6.18%，方案43为最优组合方案，其窗墙比为0.40，透射率为0.70，进深为6.00 m，窗台高为1.40 m，改善率为87.27%。

从上述数据可以看出，采光设计的优化空间很大，注重天然采光的合理应用，可以在保证室内光环境舒适性的同时，降低照明能耗，实现建筑的低碳运营。

表8 正交设计方案

图6 正交设计各方案的采光系数

3 模拟结果的试验验证

为验证模拟结果的准确性，搭建了一个6 m×5 m× 3 m的试验模型，南向开窗，窗户尺寸为4 m×2 m，窗台高为0.5 m，如图7所示。改变窗户玻璃的材质，设定不同的试验工况，见表9。

在2018年10月下午1点—4点，使用照度计每隔30 min测量一次室内外的照度，计算出7组采光系数并取平均值，即为测试值，同时对同一建筑进行模拟计算，模拟结果与实测结果如图8所示。

受测点布置、材料实际反射比的差异等干扰，测试值和模拟值之间存在一定的差异，其平均差异率为2.62%。鉴于差异率较小，实测结果与模拟结果基本吻合，充分验证了模拟结果的正确性。

图7 试验模型

表9 试验模型设计参数

图8 试验值与模拟值采光系数的对比

4 结语

1）窗墙比、透射率、进深和窗台高均为室内采光效果的影响因素，且对室内采光系数产生显著影响，其中窗墙比为0.20～0.45时，其采光效果改善率为－11.21%～70.61%；透射率为0.60～0.70时，其改善率为23.94%～52.42%；进深为11～6 m时，其改善率为－18.48%～22.73%；窗台高为1.8～0.8 m时，其改善率为12.42%～30.91%。

2）4个因素的影响显著性依次为窗墙比、进深、透射率和窗台高。

3）采用正交试验方法组合设计采光优化设计方案，获得4个影响因素的优化组合方案，即窗墙比为0.40，透射率为0.70，进深为6.00 m，窗台高为1.40 m，计算出的采光系数为6.18%，改善率为87.27%。由此可见，采光设计的优化空间很大，注重天然采光的合理应用，可以在保证室内光环境舒适性的同时，降低照明能耗，实现建筑的低碳运营。

4）模拟计算结果与标准给出的模拟值和试验测试结果差异率很小，充分验证了模拟计算的正确性。