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建筑側(cè)窗采光簡化評(píng)估方法的研究*

2012-05-28 01:02韓天辭
照明工程學(xué)報(bào) 2012年3期
關(guān)鍵詞:開間層高開窗

張 昕 韓天辭

(清華大學(xué)建筑學(xué)院,北京100084)

1 引言

如何通過合理的設(shè)計(jì)在室內(nèi)環(huán)境中有效利用自然光,是一件在節(jié)約能源和提高舒適度方面都非常有意義的事情,但增加室內(nèi)自然采光也會(huì)帶來相反的負(fù)面作用。晴天條件下室內(nèi)過高的自然光照度不僅對(duì)健康不利,還會(huì)因使用遮陽措施的同時(shí)開啟人工照明而增加照明能耗。美國的綠色建筑先鋒獎(jiǎng)(LEED)認(rèn)證條例2009版規(guī)定新建筑75%以上的使用空間都要有充分的天然光,即在9月21日(秋分)上午9時(shí)至下午3時(shí)期間至少有250lx的天然光照度,并且在晴天條件下照度不超過5000lx。

我國早在20世紀(jì)70年代就頒布了《工業(yè)企業(yè)采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,1991年進(jìn)行了修訂,2001年更名為《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50033—2001。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了對(duì)工業(yè)和民用建筑天然采光的數(shù)量和質(zhì)量要求以及簡易計(jì)算方法,但經(jīng)過中國建筑科學(xué)研究院建筑物理研究所的調(diào)查和訪談,發(fā)現(xiàn)該方法并未在中國的大量建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐中得到認(rèn)真執(zhí)行。

2 以采光系數(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算、評(píng)估方法綜述

自20世紀(jì)70年代制定的《工業(yè)企業(yè)采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》至2001年版的《建筑設(shè)計(jì)采光標(biāo)準(zhǔn)》,采光系數(shù)一直被作為評(píng)定采光數(shù)量和質(zhì)量的核心參數(shù)。采光系數(shù)的概念建立在典型天空模型基礎(chǔ)上,雖然有一定的局限性,但能便捷易懂的表達(dá)建筑采光設(shè)計(jì)中的普遍問題,從1907年提出以來,至今發(fā)揮著不可替代的作用。

我國地域廣闊,氣候類型復(fù)雜多樣,2003年以來提出的基于動(dòng)態(tài)氣象參數(shù)模型(CBDM)的評(píng)價(jià)體系較之采光系數(shù)評(píng)估方法更為準(zhǔn)確,但對(duì)于我國全國范圍的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而言,該方法尚不成熟(英美國家新標(biāo)準(zhǔn)中也未能真正應(yīng)用)。目前在國際上,以采光系數(shù)為基礎(chǔ)參數(shù)的評(píng)定方法依然最為通行,在近幾年中也有了很多改進(jìn),主要集中在平均采光系數(shù)的研究上。

2.1 流明法[2]

流明法是一種針對(duì)室內(nèi)自然光照度的簡化預(yù)估方法。對(duì)于側(cè)窗采光來說,可以用簡化的“五點(diǎn)法”對(duì)室內(nèi)不同進(jìn)深位置的照度水平進(jìn)行預(yù)測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)的簡化模型規(guī)定了通常情況下的室內(nèi)反射比,屋頂為70%,墻面為50%,地面為30%。室內(nèi)五點(diǎn)的位置分別為0.1D、0.3D、0.5D、0.7D和0.9D,其中D為房間進(jìn)深。計(jì)算公式如下:

其中Ei代表參考點(diǎn)上的照度值,Exv為室外垂直照度,τ為側(cè)窗玻璃的透射比,CU為該房間的利用系數(shù)(通過查表求得)。該方法最為重要的參數(shù)是利用系數(shù)CU,是基于大量實(shí)際測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。通過查表,并確定某點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的利用系數(shù),可以代入公式直接計(jì)算出該點(diǎn)的照度值。利用系數(shù)的引入包含了進(jìn)深/窗高、窗寬/窗高以及測(cè)量點(diǎn)的位置等幾何信息,可以有效反映出空間幾何尺寸對(duì)采光系數(shù)的影響。但此種方法計(jì)算起來略為繁瑣,對(duì)于室外垂直照度Exv的確定較為復(fù)雜,在建筑設(shè)計(jì)階段很難利用這種方法進(jìn)行采光預(yù)估。

2.2 采光系數(shù)法[2]

采光系數(shù)法是在天空亮度分布已知的前提條件下,對(duì)室內(nèi)空間水平工作面上的任意一點(diǎn)進(jìn)行采光系數(shù)估算的方法。該方法排除了陽光直射的情況,通常使用CIE標(biāo)準(zhǔn)全陰天空模型,適用于全陰天氣較為普遍的地區(qū)。該方法認(rèn)定在室內(nèi)空間水平工作面上任意一點(diǎn)的照度值由三種因素決定,分別為天空分量(SC),室外反射分量(ERC)和室內(nèi)反射分量(IRC)。其中天空分量指某點(diǎn)直接受天空作用所得的采光系數(shù)分量,室外反射分量和室內(nèi)反射分量分別指室外、室內(nèi)環(huán)境反射作用于該點(diǎn)的采光系數(shù)分量。該點(diǎn)最終的采光系數(shù)值由這三個(gè)分量相加而得(圖1):

圖1 采光系數(shù)分量示意圖

對(duì)這三種采光系數(shù)分量的確定過程同樣較為繁瑣,需要確定待估空間的基本比例關(guān)系和待估點(diǎn)的位置等幾何信息,其中最為核心的環(huán)節(jié)是天空分量的確定,在此不一一贅述。這種方法建立在全陰天模型的基礎(chǔ)上,可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)室內(nèi)工作平面的某一點(diǎn)采光系數(shù)進(jìn)行預(yù)估,缺點(diǎn)是不夠精確,不易反映室內(nèi)空間的整體采光水平。

2.3 近似平均采光系數(shù)計(jì)算公式的提出及理論研究[1]

針對(duì)室內(nèi)工作面上特定參考點(diǎn)的計(jì)算方法對(duì)于總結(jié)采光系數(shù)在平面上的變化規(guī)律有著重要意義,也是平均采光系數(shù)的計(jì)算公式得以成形的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。近年來的國際采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),都將平均采光系數(shù)作為評(píng)定室內(nèi)采光數(shù)量與質(zhì)量的重要參數(shù)。英國的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)BS 8206第二部分描述道:在通常照明要求條件下,如果沒有人工照明,室內(nèi)平均采光系數(shù)不應(yīng)小于5%,如果有人工照明補(bǔ)充,平均采光系數(shù)不應(yīng)小于2%。北美照明工程學(xué)會(huì)(IESNA)所制定的《北美照明手冊(cè)第9版》建議:室內(nèi)空間的平均采光系數(shù)大于等于5%的時(shí)候可以達(dá)到采光良好的要求,如果低于2%,室內(nèi)空間將顯得灰暗且照明不足。

在上世紀(jì)70年代,國外學(xué)者在大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理基礎(chǔ)上提出了平均采光系數(shù)的計(jì)算公式。1979年,Lynes針對(duì)矩形側(cè)窗采光空間的平均采光系數(shù)提出了如下計(jì)算表達(dá)式:

其中ADF為平均采光系數(shù),Ag為窗戶凈表面面積,At為包括窗戶在內(nèi)的室內(nèi)總表面面積,τ為玻璃透射比,θ為天空遮擋角,ρ為室內(nèi)表面平均反射系數(shù)。天空遮擋角θ的確定方法如圖2所示,當(dāng)室外無遮擋時(shí)θ值為90:

圖2 側(cè)面采光計(jì)算方法示意圖

Lynes所指的平均采光系數(shù)是針對(duì)所有室內(nèi)表面而言的,不是工作面上的平均采光系數(shù)。提出衡量室外遮擋因素的天空遮擋角參數(shù),是該表達(dá)式的一個(gè)重要意義。在隨后的研究過程中,有關(guān)平均采光系數(shù)的公式出現(xiàn)了多個(gè)修正版本。

1984年Crisp和Littlefair對(duì)Lynes的公式進(jìn)行了修正。通過人工天空下的模型實(shí)驗(yàn),他們發(fā)現(xiàn)Lynes公式低估了模型空間內(nèi)平均采光系數(shù)的實(shí)際情況?;谛碌难芯繑?shù)據(jù),將Lynes的公式修正為:

這個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果同模型實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量值更加吻合,并最終在北美照明工程學(xué)會(huì)(IESNA)和其他很多版本的規(guī)范中得到肯定和應(yīng)用。

哈佛大學(xué)的CF Reinhart在他近期的研究論文中展示了利用計(jì)算機(jī)模擬工具Radiance對(duì)上述兩種平均采光系數(shù)表達(dá)式的驗(yàn)證評(píng)估。驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。

圖3 Lynes公式及修正后公式計(jì)算結(jié)果與Radiance軟件模擬值的比較

右圖為修正公式求值和Radiance模擬值的比較結(jié)果,左圖為Lynes原始公式和模擬值的比較結(jié)果;后者的吻合度可以歸納為函數(shù)y=1.1323x,前者的吻合度可以用函數(shù)y=0.813x表示。該比較分析表明修正后的公式更接近于Radiance模擬計(jì)算結(jié)果。

2.4 C.F.Reinhart等人提出的采光四步驟計(jì)算法[3]

C.F.Reinhart等人提出并驗(yàn)證了側(cè)窗采光空間的天然光設(shè)計(jì)步驟。因該設(shè)計(jì)步驟以采光系數(shù)作為判定參數(shù),故適用于以接收漫射天光為主的空間,并需要補(bǔ)充關(guān)于直射日光的眩光分析與能耗分析,該方法適用于早期的設(shè)計(jì)過程。該設(shè)計(jì)流程經(jīng)由2300個(gè)側(cè)窗采光空間的Radiance模擬得以驗(yàn)證,步驟如下:(1) 確定預(yù)估目標(biāo)基本狀況;(2) 天然光可行性驗(yàn)證;(3) 設(shè)定房間比例和表面反射比;(4) 基于Lynes采光系數(shù)公式精確評(píng)估開窗區(qū)域。

步驟(1) 中確定設(shè)計(jì)中需要自然采光的房間的實(shí)際情況,特別是擬需要達(dá)到的平均采光系數(shù)值DF和室外有效天空角度。

步驟(2) 天然光可行性驗(yàn)證:確定窗玻璃的透射比τ,并根據(jù)下列公式確定滿足步驟(1)中采光系數(shù)條件下的最小窗地比WWR。

如果根據(jù)該公式確定出的WWR大于80%則需要重新考慮步驟(1)中所擬定的采光系數(shù)值,或更改設(shè)計(jì)中的相關(guān)幾何尺寸。

步驟(3) 確定房間內(nèi)表面反射比,開間和窗上沿高度h,根據(jù)下列公式確定房間天光自治區(qū)域。天光自治有效進(jìn)深D

步驟(4) 計(jì)算開窗面積,根據(jù)有效進(jìn)深D計(jì)算房間總表面面積At,代入(5)計(jì)算開窗面積:

根據(jù)以上四個(gè)步驟即可直接計(jì)算出滿足平均采光系數(shù)要求的開窗面積。該方法中確定天光自治有效進(jìn)深的步驟保證了采光均勻的要求,可以在既滿足質(zhì)量又滿足均勻度的前提下調(diào)整進(jìn)深和開窗面積。對(duì)于進(jìn)深尺寸已經(jīng)確定的項(xiàng)目,可以跳過第三步直接進(jìn)入第四步的面積計(jì)算。當(dāng)然,開窗面積要增大很多且采光系數(shù)隨進(jìn)深的變化較為巨大。

3 以最小采光系數(shù)為判據(jù)存在的問題與誤差分析

筆者選用Radiance模擬工具針對(duì)典型幾何參數(shù)的房間,代入不同變量,以確定各參數(shù)對(duì)采光系數(shù)的影響規(guī)律。具體參數(shù)如下:

(1) 凈高2.5、4.5、6.5米,進(jìn)深4.8、5.4、6.0、7.2、8.4、9.0米。

(2) 窗寬系數(shù)(開窗寬度/開間)0.5、0.7、0.9,窗高系數(shù)(開窗高度/層高)0.2、0.4、0.6。

(3) 模型未含窗框,玻璃透射比0.737,窗下沿高為1米。

(4) 室內(nèi)墻面反射比為0.5,地面0.2,天花0.8。

(5) 上述數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)18個(gè)房間模型,每個(gè)房間模型9種開窗方式。

全部模型均基于北京標(biāo)準(zhǔn)全陰天進(jìn)行模擬。筆者從每個(gè)模擬數(shù)據(jù)中提取出75%工作面面積均能達(dá)到或超過的采光系數(shù)值,所得數(shù)據(jù)源如圖4所示。

筆者提取出窗地比1/5的情況進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)在等窗地比的情況下,存在空間凈高越高,采光系數(shù)越低的情況。單一窗地比對(duì)應(yīng)某一采光系數(shù)的規(guī)定存在一定誤差。

與我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不同,澳大利亞的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以平均采光系數(shù)為基礎(chǔ),相關(guān)學(xué)者對(duì)窗墻比、窗地比以及進(jìn)深/窗高比等比例關(guān)系對(duì)平均采光系數(shù)的影響進(jìn)行了研究[4]。結(jié)果表明,窗地比與采光系數(shù)平均值成近似正比,而與采光系數(shù)最小值無直接線性關(guān)系,平均采光系數(shù)對(duì)應(yīng)建筑師的采光方案判定更具合理性。

筆者選取進(jìn)深4.5m、開間7.2m的房間進(jìn)行比較研究,從原始模擬數(shù)據(jù)中提取出平均采光系數(shù)和最小采光系數(shù),得出窗地比與Cave呈近似線性關(guān)系,C75%與Cmin成近似線性關(guān)系,但C75%、Cmin與窗地比無線性關(guān)系。另外,窗地比越大,平均采光系數(shù)與最小采光系數(shù)之比越小(均勻度越高),這兩個(gè)結(jié)論同澳大利亞的相關(guān)研究相似。

圖4 162個(gè)模擬數(shù)據(jù)源

以下列兩組模擬數(shù)據(jù)為例(表1):

表1 一組模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)舉例

圖5 表1模擬結(jié)果的深入比較

圖5中兩組數(shù)據(jù)的窗地比分別為1/4.4、1/5.3,均滿足臨界照度100lx的要求,但前者的開窗更為合理,進(jìn)一步反映出目前我國建筑師僅依據(jù)窗地比進(jìn)行采光設(shè)計(jì)存在的誤差問題?,F(xiàn)行的窗地比與采光系數(shù)“一一對(duì)應(yīng)”的分級(jí)準(zhǔn)則不準(zhǔn)確,最小采光系數(shù)的評(píng)定方法難以同國際標(biāo)準(zhǔn)相比對(duì),且同其他幾何尺寸的關(guān)聯(lián)上存在矛盾,建議采用平均采光系數(shù)作為新的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述,以平均采光系數(shù)作為新的衡量標(biāo)準(zhǔn),既克服了最小采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)所導(dǎo)致的缺憾,同時(shí)可以和天窗采光的標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一,也提供了一種限制大進(jìn)深、大開窗設(shè)計(jì)的可能。

4 以采光系數(shù)平均值為判據(jù)的側(cè)窗采光簡化計(jì)算方法的提出

4.1 側(cè)窗采光查表計(jì)算方法的原則

本評(píng)估計(jì)算方法更為符合建筑設(shè)計(jì)中的自然流程,即在先期確定房間基本尺寸(開間,進(jìn)深,層高)的過程中,確定側(cè)窗開窗大小,直接提供與建筑師確定房間尺寸、開窗大小兩級(jí)思考步驟相對(duì)應(yīng)的平均采光系數(shù)。為此筆者制定出一種二級(jí)嵌套的表格結(jié)構(gòu),直接對(duì)應(yīng)上述兩級(jí)思考步驟;反之,如果設(shè)計(jì)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的平均采光系數(shù)值不能滿足預(yù)期采光要求,可以通過改變開窗尺寸、房間尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。

確定了基本的“二級(jí)嵌套”查表計(jì)算方法之后,筆者初步確定了本方法的基本原則:

(1) “窮舉式”數(shù)據(jù)處理,借助大量模擬數(shù)據(jù)以精確的房間幾何尺寸和開窗方式對(duì)應(yīng)精確的平均采光系數(shù)。通過建立采光系數(shù)和具體設(shè)計(jì)條件的對(duì)應(yīng)關(guān)系,減小利用單一窗地比數(shù)值評(píng)估房間采光情況所造成的誤差,代替目前采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)使用中相對(duì)繁瑣的查表計(jì)算過程。

(2) 利用平均采光系數(shù)的研究成果,綜合考慮戶外遮擋、玻璃透射比和室內(nèi)反射因素,與實(shí)際設(shè)計(jì)中條件接軌。窮舉思維并不意味著涵蓋現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)條件的全部,復(fù)雜參數(shù)之間的組合關(guān)系是無法“窮舉”出來的,更不可能逐一模擬。但可以借助前文所述平均采光系數(shù)計(jì)算公式,最大限度接近真實(shí)的復(fù)雜情況。筆者對(duì)簡化二級(jí)結(jié)構(gòu)下的各種情況進(jìn)行模擬之后,利用公式進(jìn)行計(jì)算擴(kuò)充。

(3) 最終成形的查表方式和計(jì)算方法應(yīng)盡量符合建筑師的常規(guī)設(shè)計(jì)流程和思考習(xí)慣,簡單易行。

4.2 表格結(jié)構(gòu)細(xì)化

依據(jù)我國《建筑設(shè)計(jì)資料集》中的普遍設(shè)計(jì)尺度,將模擬數(shù)據(jù)庫范圍定在進(jìn)深4.5m~16.8m、層高2.2m~12.0m之間,將進(jìn)深、層高劃分為若干區(qū)間,選取每個(gè)區(qū)間的代表尺寸進(jìn)行模擬。根據(jù)對(duì)模擬結(jié)果的比較與分析,將4.5m~15.6m范圍內(nèi)的進(jìn)深劃分為10個(gè)區(qū)間,以1m間隔為區(qū)間單位,典型代表取中值。

根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)尺寸中的進(jìn)深/層高比例關(guān)系,筆者對(duì)一級(jí)表格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了篩選,去除進(jìn)深過小或過大的空間組合,既可以滿足常規(guī)的建筑設(shè)計(jì)空間要求,同時(shí)避免大進(jìn)深房間所帶來的均勻度過差的情況。進(jìn)深/層高超過一定值之后,平均采光系數(shù)對(duì)房間整體采光質(zhì)量的評(píng)價(jià)作用也就失去了意義。因此,將常規(guī)的空間尺度控制在0.75倍層高<進(jìn)深<2.5倍層高的范圍內(nèi),最終確定出一級(jí)表格的有效部分。一級(jí)表格中的每一格都嵌套著一個(gè)二級(jí)表格。其基本結(jié)構(gòu)由窗高系數(shù)和窗寬系數(shù)兩個(gè)控制因素構(gòu)成。其中窗高系數(shù)(窗洞高度/層高)取值為0.2、0.4、0.6;窗寬系數(shù)(窗洞寬度/開間)取值為0.5、0.7、0.9,即在每一個(gè)房間尺寸中都包含著9種開窗方式。

4.3 計(jì)算機(jī)模擬

相對(duì)于針對(duì)側(cè)窗采光的公式計(jì)算、模型試驗(yàn)、實(shí)際測(cè)量而言,計(jì)算機(jī)模擬更為精確。筆者所選用的模擬工具是哈佛大學(xué)GSD開發(fā)的以Radiance為計(jì)算內(nèi)核的Diva for Rhino,對(duì)前文所述表格結(jié)構(gòu)中的各種情況進(jìn)行逐一模擬計(jì)算。原始表格結(jié)構(gòu)中有效空間部分共包括69個(gè)房間,每個(gè)房間對(duì)應(yīng)9種開窗方式,總計(jì)621種采光狀態(tài),模擬后取得由621個(gè)平均采光系數(shù)所組成的原始數(shù)據(jù)庫,是下一步表格擴(kuò)充的基礎(chǔ)(見圖6)。

圖6 Radiance模擬結(jié)果總覽

4.4 模擬結(jié)果的相關(guān)驗(yàn)證和比較

我國現(xiàn)行采光標(biāo)準(zhǔn)基于大量的實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證,有著較高的可靠性,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的采光系數(shù)“最小值”是指距內(nèi)墻中點(diǎn)1m處的采光系數(shù)。筆者選取了5個(gè)不同房間(開窗方式不同,窗地比差別較大)進(jìn)行模擬,每個(gè)房間分別對(duì)應(yīng)三種不同的開間/進(jìn)深比值,從模擬結(jié)果中提取出符合目前采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所定義的采光系數(shù)“最小值”;根據(jù)這5個(gè)房間的幾何參數(shù),用目前標(biāo)準(zhǔn)中的采光計(jì)算方法算出相應(yīng)的采光系數(shù)“最小值”,得到的15組比對(duì)關(guān)系的平均誤差為10.5%,近似一致。

4.5 利用線性插值法對(duì)表格內(nèi)容的擴(kuò)充及驗(yàn)證

為擴(kuò)充表格,縮小區(qū)間單位,以方便查表過程中的精確定位,筆者采用線性插值的方法對(duì)原始表格進(jìn)行了擴(kuò)充。

首先,將二級(jí)表格的9組數(shù)據(jù)擴(kuò)充至25組數(shù)據(jù),原始設(shè)定的窗寬系數(shù)0.9、0.7、0.5,通過插值擴(kuò)充至0.9、0.8、0.7、0.6、0.5,窗高系數(shù)0.2、0.4、0.6擴(kuò)充至0.2、0.3、0.4、0.5、0.6。筆者利用計(jì)算機(jī)模擬方法對(duì)插值數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。16個(gè)數(shù)據(jù)的平均差值為0.04,標(biāo)準(zhǔn)方差0.034,表明在原始模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用線性插值方法完全可以進(jìn)行準(zhǔn)確、詳盡的表格擴(kuò)充工作。

4.6 借助平均采光系數(shù)公式對(duì)計(jì)算方法的簡化

計(jì)算機(jī)模擬未能考慮到的影響因素包括玻璃透射比τ、室外遮擋角度θ、以及影響Ag/At的開間W。在計(jì)算機(jī)模型中,玻璃透射率的取值為0.8,室外無遮擋(θ=90°),開間/進(jìn)深=1,所以如果將模擬結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際情況,需要借用公式對(duì)查表求值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另外,雖然實(shí)際設(shè)計(jì)情況中室內(nèi)反射系數(shù)各不相同,但因?yàn)橛绊懫骄晒庀禂?shù)的室內(nèi)平均反射系數(shù)ρ經(jīng)過面積的加權(quán)之后相差不大,可以認(rèn)為在常規(guī)的設(shè)計(jì)條件下,ρ為常數(shù)。因此在隨后的公式拓展中未將ρ的折算納入在內(nèi)。

首先我們需要解決開間W的引入和轉(zhuǎn)化。以開間和進(jìn)深相等的房間為基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)值的轉(zhuǎn)化,筆者確定了參數(shù)a代表開間與進(jìn)深的比值:

在計(jì)算機(jī)模擬過程中a=1,但在實(shí)際設(shè)計(jì)情況中開間/進(jìn)深的變化范圍很大,取值一般在0.6~2.5之間。若建筑師所需要評(píng)估的房間真實(shí)的平均采光系數(shù)為ADF,相對(duì)應(yīng)的(也就是在表格中所能查到的值,兩種情況進(jìn)深、層高完全相等,但設(shè)計(jì)開間的a值不同)表格中的平均采光系數(shù)為ADF',則可以得到以下的公式推導(dǎo)過程:

其中a、τ、θ分別為實(shí)際情況中的開間/進(jìn)深、玻璃透射比以及室外遮擋角,從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)際平均采光系數(shù)和表格中模擬結(jié)果之間的轉(zhuǎn)化:

依此確定了完整的查表計(jì)算步驟:

(1) 確定設(shè)計(jì)房間的進(jìn)深、層高以及開窗墻面上的窗高、窗寬系數(shù),在表格中查出平均采光系數(shù)值A(chǔ)DF'。

(2) 確定開間與進(jìn)深的比值a,綜合了污染系數(shù)與擋光系數(shù)之后的玻璃透射比τ以及室外遮擋角度θ,代入公式求得實(shí)際的平均采光系數(shù)ADF,完成對(duì)指定房間采光情況的評(píng)估。

以上是對(duì)于既定設(shè)計(jì)條件采光情況的評(píng)估,可以根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。另一種建筑師的設(shè)計(jì)模式是針對(duì)既定的采光標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開窗設(shè)計(jì)。建筑師需要確定既定采光目標(biāo)ADF,并通過以下公式轉(zhuǎn)化得到需要在表格中查找的模擬值A(chǔ)DF':

得到ADF'后,根據(jù)進(jìn)深、層高的組合關(guān)系鎖定二級(jí)表格的具體位置,進(jìn)而找到相應(yīng)的開窗組合方式,為開窗設(shè)計(jì)提供參考。由于二級(jí)表格中窗高系數(shù)與窗寬系數(shù)的區(qū)間單位精度有限,如果建筑師需要找到對(duì)應(yīng)某一采光系數(shù)模擬值的精確開窗方式的話,需要結(jié)合該二級(jí)表格在相應(yīng)區(qū)間進(jìn)行插值。但就一般的粗略估計(jì)而言,筆者建議建筑師在每一二級(jí)表格的25個(gè)數(shù)值中選擇最接近且大于ADF'的數(shù)值,并根據(jù)該數(shù)值所對(duì)應(yīng)的窗寬、窗高組合關(guān)系進(jìn)行開窗設(shè)計(jì)。

該方法可以實(shí)現(xiàn)建筑師“正”、“反”兩種方向的采光設(shè)計(jì)需求,以查表為主,公式計(jì)算為輔。該方法以精確的計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),借助理論公式綜合了多種影響因素,為建筑師設(shè)計(jì)過程中的側(cè)窗采光設(shè)計(jì)提供了方便、有效的方法。

5 研究展望

目前的研究工作同當(dāng)前有關(guān)側(cè)窗采光的理論研究緊密結(jié)合,并以國際通行的光環(huán)境模擬工具為核心,使新的側(cè)窗采光評(píng)估方法達(dá)到了先進(jìn)性、適用性的一些基本要求。當(dāng)然,本計(jì)算方法在很多方面依然存在一些局限,從解決這些局限出發(fā),筆者對(duì)未來的標(biāo)準(zhǔn)修訂工作做出了如下幾點(diǎn)展望:

(1) 近期展望:借助軟件進(jìn)一步完善模擬數(shù)據(jù)庫的快速調(diào)用,簡化查表過程,提高效率;

(2) 中期展望:對(duì)不規(guī)則房間和開窗方式的采光狀況進(jìn)行有效評(píng)估;

(3) 遠(yuǎn)期展望:以動(dòng)態(tài)氣象參數(shù)模型(CBDM)為基礎(chǔ),初步探索采光的動(dòng)態(tài)評(píng)定機(jī)制,建立更具地域性光氣候針對(duì)性的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

致謝: 本研究得到中國建筑科學(xué)研究院趙建平、林若慈、羅濤的大力支持,特此感謝。

[1]CF Reinhart,VRM LoVerso.A rules of thumb-based design sequence fordiffuse daylight.Lighting Research Technology,2010.

[2]Illuminating Engineering Society of North America.TheNinth Edition IESNA Lighting Handbook,Reference and Application,Chapter Eight,Daylighting,2000.

[3]CF Reinhart,VRM LoVerso.A rules of thumb-based design sequence fordiffuse daylight.Lighting Research Technology,2010.

[4]N.Lukman B.N.Ibrahim,S.Hayman.Daylight Design Rules of Thumb.Environmental Sciences,2002.

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