易 斌，袁 韜，楊 靜，米紅菊

(解放軍后勤工程學院 機械與電氣工程系，重慶 401311)

基于Relux的自然采光與照明節(jié)能仿真

易 斌，袁 韜，楊 靜，米紅菊

(解放軍后勤工程學院 機械與電氣工程系，重慶 401311)

人工照明系統(tǒng)用電占到了全世界電能消耗的19%，采用自然采光替代人工照明被認為是可持續(xù)建筑設計中有效手段之一。新版《建筑采光設計標準》(GB 50033—2013)相比舊版有較大的修訂，給出了新的采光設計與采光節(jié)能的設計指標和計算方法。本文以重慶某綜合體綠色建筑為例，分別采用照明仿真軟件Relux和GB50033提供的公式，對其教室部分的自然采光及節(jié)能潛力加以分析。結果表明，當采用了較復雜的窗型與遮陽設計方案時，Relux能得到更為精確的自然采光分析結果。最后對采光照明節(jié)能計算仿真軟件的改進方向提出了建議。

采光設計；采光系數(shù)；光環(huán)境仿真；照明節(jié)能；Relux

引言

建筑領域在全社會能源消耗中占比較大，根據(jù)歐盟建筑能效指令(EPBD, Energy Performance of Buildings)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建筑耗能占到全社會終端耗能的40%，與美國能源信息署(EIA, Energy Information Administration)數(shù)據(jù)接近[1-2]。我國的2013年建筑總商品能耗為7.62億tce，約占全國能耗消費總量的19.5%，總用電量為13332億kWh，占全社會總用電量的25%。其中商業(yè)及公共建筑用能在我國建筑耗能中所占比重較大，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，不含北方地區(qū)集中供暖用能在內，2013年我國公共建筑面積99億m2，占全國建筑總面積的18.3%，但其能耗總量占到了27.9%；根據(jù)建筑使用功能不同，其中照明系統(tǒng)耗能約占到20%～40%[3]。

多年的綠色建筑運行實例證明，建筑照明節(jié)能直接有效的方法為自然采光的利用與靈活智能的照明控制策略[4-5]。相比照明控制而言，自然采光方案所涉及的窗墻比、遮陽形式等一旦確定，后期改進調整的可能性及靈活性要小得多，因此更應在建筑方案設計之初就加以足夠重視[6-7]。

1 采光系數(shù)設計標準與采光節(jié)能

自然采光不僅可滿足各類視覺工作的要求，更是滿足人的生理節(jié)律和心理需求的重要環(huán)境指標。為了在建筑采光設計中，貫徹國家的法律法規(guī)和技術經(jīng)濟政策，充分利用天然光，創(chuàng)造良好光環(huán)境、節(jié)約能源、保護環(huán)境和構建綠色建筑，住建部于2012年12月頒發(fā)了GB 50033—2013《建筑采光設計標準》，作為民用建筑和工業(yè)建筑的新建、改建和擴建工程的采光設計依據(jù)。新版GB 50033《建筑采光設計標準》對采光系數(shù)標準值以及采光計算方法進行了修訂，通過調查與仿真給出了采光系數(shù)平均值的計算公式，并將住宅、教育類建筑、醫(yī)療類建筑的采光標準作為強制性條文加以執(zhí)行，按照GB 50033標準要求，教室、實驗室、階梯教室的采光系數(shù)平均值應不小于3%。為更有利于充分利用天然光、創(chuàng)造良好光環(huán)境和節(jié)約能源，GB 50033還參照歐洲標準提出了采光節(jié)能計算方法，并給出了適合國內光環(huán)境條件的計算參數(shù)[8]。

本文以重慶某綜合體綠色建筑中的教學區(qū)域為例，按照規(guī)范給出的公式對其采光性能及節(jié)能加以計算。該建筑地上5層，地下1層，總建筑面積11 609m2。項目集中采用了地源熱泵、智能照明、太陽能光伏/光熱利用、建筑立體綠化等一系列節(jié)能措施，設計節(jié)能率75.4%，是重慶市首個綠色建筑示范工程。

該綜合體建筑西側二層為教學用房，為在保證自然采光和LEED認證中所要求的視野等條文要求的同時，降低人工照明與空調耗能，項目綜合采用了立面綠化、豎向外遮陽及加裝反光板提高冬季室內采光系數(shù)等措施，其墻身與窗套大樣圖如圖1所示。

圖1 教室墻身大樣圖與窗套大樣圖Fig.1 Classroom’s Walls and Windows detail drawing

1.1 采光系數(shù)計算

規(guī)范GB 50033給出了教育類建筑采光系數(shù)標準與采光節(jié)能參數(shù)，按照規(guī)范提出的側面采光條件下相關采光系數(shù)計算公式，計算教室在典型條件下的采光系數(shù)平均值，其計算條件參數(shù)如表1所示。

表1 采光系數(shù)計算參數(shù)

據(jù)此計算可得：

總透射比τ=τ0·τc·τw=0.513

根據(jù)規(guī)范條文說明，上述公式采用了修正后的Lynes采光系數(shù)平均值計算公式，式中的窗結構擋光折減系數(shù)τc僅考慮了窗材料與窗扇層數(shù)對采光的影響。本項目中由于采用了樣式更為復雜的窗套結構，規(guī)范中無相應的折減系數(shù)建議取值和修正公式，如仍按上述公式計算其結果勢必存在一定偏差，初步判斷其采光系數(shù)應小于上式計算結果。從計算結果分析，6.02%的采光系數(shù)平均值不僅高于GB50033所規(guī)定的教育類建筑普通教室采光系數(shù)標準值不低于3%的要求，其結果甚至超過了規(guī)范中I級采光等級(特別精細視覺作業(yè))給出的5%采光系數(shù)值。而該教室的窗地比為0.18，屬于(0.12，0.2)區(qū)間，按照重慶地區(qū)V類光氣候區(qū)其光氣候系數(shù)K值為1.2，該教室的窗地比僅介于采光等級V級(粗糙)與IV級(一般)之間。即便是進一步考慮窗總的透射比、室內各表面材料反射系數(shù)加權平均等修正后，上述結果不排除存在較大的誤差。為得到相對準確的建筑采光分析結果，可利用光環(huán)境仿真軟件加以仿真分析。

1.2 采光節(jié)能計算

依據(jù)規(guī)范給出的采光節(jié)能計算公式，計算教室部分可節(jié)省的照明用電量，其計算條件參數(shù)如表2所示。

表2 采光節(jié)能計算參數(shù)取值

據(jù)此計算可得：

考慮全年逐時的光氣候數(shù)據(jù)以及不同類型建筑的作息時間，按照GB 50033附錄給出的重慶地區(qū)學校類建筑可利用天然光時數(shù)數(shù)據(jù)，全部利用天然光時數(shù)tD為1 023 h，部分利用天然光時數(shù)tD′為542 h，修正后的計算結果，全年可節(jié)省的照明用電量We=931.68 kWh，Ue=17.5 kWh/(m2·年)。

2 基于Relux的自然采光計算與節(jié)能分析

利用光環(huán)境仿真軟件，對建筑采光與照明設計加以仿真分析是照明設計領域的大勢所趨，經(jīng)過多年的發(fā)展，涌現(xiàn)出的包括Radiance、Ecotect、Daysim、DIALux、ReluxSuite等在內的大批光環(huán)境模擬性能不斷得到改進，被廣泛應用在了采光系統(tǒng)模擬、遮擋和日影分析、光環(huán)境模擬仿真、照明能耗計算等領域，對照明設計的理念和方法都產(chǎn)生了巨大的影響[9]。其中，ReluxSuite是由瑞士Relux Informatik AG公司開發(fā)的免費的可視化照明設計工具軟件，憑借其功能全面、界面友好、操作簡單等特點，在光環(huán)境仿真領域得到了廣泛應用。另外，ReluxPro還包含了進行能效計算的ReluxEnergy模塊，軟件還可對仿真結果依據(jù)歐洲地區(qū)的相關規(guī)范，如EN 15193、DIN 18599-4等歐洲建筑能效標準計算能源消耗總量并判斷設計方案合規(guī)與否[10-11]。

2.1 采光系數(shù)仿真計算

為對比不同窗套結構下采光系數(shù)的不同，在Relux中分別建立四個教室采光仿真模型，如圖2所示。

圖2 教室采光性能仿真模型Fig.2 Classroom’s Daylighting Properties Simulation Model

仿真環(huán)節(jié)的材料反射比、透射比等參數(shù)同樣均按照表2取值。為對比四種不同窗套形式的采光性能，仿真計算9月21日9時全陰天天空照度下的采光性能，仿真結果如圖3所示。

Relux軟件仿真結果表明，當不考慮外遮陽構件(如圖2(a)所示)時，參考工作面(0.75m)上的采光系數(shù)平均值Cav為5.9%，與按照GB 50033—2013中的公式的計算結果接近，此時的采光系數(shù)最小值Cmin=2.6%；加入豎向遮陽(如圖2(b)所示)后Cav=3.6%、Cmin=0.7%；如圖2(c)所示，在上側加入水平遮陽板后自然采光受到較大影響，Cav急劇減小至2.1%，此時的Cmin為0.5%；方案d僅采用豎向遮陽但在采光窗內側加入反光板后的Cav=4.5%、Cmin=1.3%。

從軟件仿真結果可以看出外遮陽構件對采光系數(shù)分布的影響明顯，按照GB 50033中對教育類建筑其自然采光的要求，方案(b)、(c)均不滿足GB 50033—2013中Cav≮3.6%(V類光氣候區(qū))的強制性條文規(guī)定。方案(d)加入反射板后，不僅可以有效的改善自然采光，特別是提升大進深處的采光。實際工程中，綜合考慮輻射得熱對建筑熱環(huán)境影響以及由此造成的空調設備耗能，最終選用的是方案(d)(如圖2所示)，采用豎向遮陽與反光板相結合的窗套結構。

不同窗套形式下的采光系數(shù)最小值分別為2.6%、0.7%、0.5%、1.3%，只從仿真結果數(shù)值判斷，本工程似乎不滿足當時的采光設計標準GB 50033—2001中規(guī)定教室的視覺工作作業(yè)精確度為“精細”，采光系數(shù)最低值Cmin≮2.0%的要求。但實際上2001版采光設計標準中，采光系數(shù)標準值是根據(jù)室外臨界照度為5 000 lx制定的，按此標準，對應的室內天然光臨界照度Emin為100lx。在GB 50033—2013《建筑采光設計標準》中，采光系數(shù)標準值是依據(jù)適用于我國Ⅲ類光氣候區(qū)，按室外設計照度值15 000 lx 制定，對應的室內天然光照度標準值En為450 lx。在仿真過程中，將室外天然光設計照度值Es，是按照項目所在地重慶所屬的V類光氣候區(qū)取值12 000 lx。依據(jù)仿真結果，方案a～d的室內照度臨界值Emin應分別為312 lx，84 lx，60 lx，156 lx；與前述的分析結論一致，不論是按照2001版還是2013版建筑采光設計標準，對本項目而言方案b)、c)不滿足采光規(guī)范要求，方案a)、d)采光設計符合標準要求。

圖3 采光系數(shù)仿真結果偽彩色圖Fig.3 Pseudo-Color Map of Daylight Factor Simulation Results

2.2 采光節(jié)能仿真分析

在得到了采光系數(shù)仿真結果后，進一步利用Relux對不同窗套結構下的采光節(jié)能加以分析。在Relux的照明能耗仿真環(huán)節(jié)，仿真結果包括由自然采光提供充足采光的月工作小時數(shù)及工作時間百分比，如用戶提供了電價、照明控制方案等參數(shù)，還可仿真得到相應的如采用照度控制、調光控制等策略后，照明系統(tǒng)可節(jié)省的電費等經(jīng)濟性指標。因此在仿真前，用戶需設置相應的光環(huán)境參數(shù)、人工照明燈具數(shù)量規(guī)格以及用戶的工作制度等關鍵參數(shù)。

重慶的年總日輻射量、年日照時數(shù)及年日照百分率均屬全國最低位之列。日照時數(shù)多年均為1 112.8～1 655.8 h，年百分率僅25%～30%，其中夏季日照時數(shù)占全年的42%～46%，冬季僅占11%左右[12]。利用Relux進行采光節(jié)能仿真時，需提供項目所在地的逐月日照概率，EN 15193中缺省的默認值為40%。為得到準確的仿真結果，應從各地的光氣候數(shù)據(jù)庫中查得逐月日照概率值。值得一提的是，自2015年后推出的ReluxSuit已經(jīng)在軟件中自帶光氣候數(shù)據(jù)包，不少城市的日照概率數(shù)據(jù)均可在軟件中直接查到。大大的節(jié)省了前期數(shù)據(jù)準備的時間，提高了仿真效率，方便用戶將更多的精力用于采光設計方案的調整和優(yōu)化上。本例中，即直接采用Relux軟件自帶的重慶-沙坪壩氣象站日照比例相關數(shù)據(jù)。

本次仿真將寒暑假的時間分別定為1月28日至2月23日，7月20日至9月1日，全年的工作日為250天。將教室每天的使用時間定為8:30—21:00，期間12:00—14:30為午休時間、17:30—19:00為晚餐時間。另外，在GB 50033—2013《建筑采光設計標準》條文說明中，對于教育類建筑給出的使用時間為每天的7:00—17:00，在仿真中對兩種不同使用時段設置均作了計算。作為對比自然采光是否可提供充足照明的依據(jù)，需提供室內的照度標準值等，本例中采用GB 50033中給出的利用自然采光時的教室照度標準450lx。如前所述，本項目中方案(b)、(c)不滿足采光規(guī)范要求，為節(jié)省仿真成本故只對方案(a)和方案(d)進一步進行采光節(jié)能分析對比。仿真結果如圖4所示。

仿真結果表明遮陽設施的窗套結構，對自然采光節(jié)能的影響明顯。由圖4可知，8月由于正值暑假，故仿真時未計算此部分的采光節(jié)能。圖4(a)中，不加遮陽時，自然采光可提供充足采光的時段占總的教室使用時間的74.4%；加上豎向遮陽和反光板后，自然采光可提供充足采光的時間減少到38.7%。窗套無遮陽時對應的自然采光可利用小時數(shù)為1 354.8 h，可節(jié)省的照明用電量分部為975.5 kWh；窗套加入遮陽及反光板構件后，自然采光可利用小時數(shù)為690.8 h，可節(jié)省的照明用電量分部為497.3 kWh。

圖4(b)是按照7:00—17:00設置工作時間的仿真結果，雖然總的工作時長增加，實際由于是教室白天的使用時間增加了，因此可依靠自然采光的時段所占比值有所上升。窗套無遮陽時對應的自然采光可利用小時數(shù)為1 862.7 h，占總工作時間的88.7%；此時可節(jié)省的照明用電量分部為1 341 kWh，大大超出前述按照GB 50033中重慶光氣候參數(shù)修正后的計算結果。窗套加入遮陽及反光板構件后，自然采光可利用小時數(shù)為854.7 h，占總工作時間的40.7%；可節(jié)省的照明用電量分部為615 kWh。

Relux照明節(jié)能仿真環(huán)節(jié)還可直觀的將全年需人工照明的日期和時段圖形化顯示，只需用戶給出的全陰天、全晴天兩種不同情況下室外照度曲線。Relux可允許用戶設置5個照度值，在本例中參照GB 50034—2013《建筑照明設計標準》以及GB 50033對教室的設定，由人工照明300 lx標準、自然采光的450lx標準，依據(jù)采光仿真計算中得到的采光系數(shù)均值，計算出達到上述標準時所需的室外照度標準值并作為分析采光節(jié)能時段的限值。以方案d為例，仿真結果Cav為4.5%，據(jù)此，室外照度在6 667 lx時室內達到300 lx，室外照度10 000 lx時達到450 lx。如圖5所示，為采用遮陽方案的全陰天采光仿真結果。

圖4 自然采光提供照明的工作時間百分比仿真結果Fig.4 Percentage Of Working Hours Which Natural Daylighting Can Supply Enough Illuminance

圖5 采用豎向遮陽加反光板構件、全陰天自然采光照明仿真結果Fig.5 Overcast Sky Day-Lighting Performance Simulation Result of Vertical Sunshade With Reflector

圖中縱坐標為時序，橫坐標為全年的日期，圖中填充顏色的面積所示為需要開啟人工照明的時段。不同曲線包圍的面積，對應按照當前平均采光系數(shù)均值，滿足不同的室內照度條件下，可直接由自然采光提供充足照明的時段。上述計算結果為照明燈具僅考慮開關控制時的照明節(jié)能潛力，Relux還支持采用燈具調光控制等照明控制策略下的節(jié)能與經(jīng)濟性分析。此外，由Nabil和Mardaljevic于2005年提出的有效全自然采光時間百分比(Useful Daylight Autonomy，UDA)，將能有效利用自然光的時間需滿足工作面照度范圍定義100 lx

3 結論及建議

建筑自然采光對于建筑能效、光環(huán)境舒適度等均有重要影響，GB 50033—2013《建筑采光設計標準》將住宅、教育建筑采光系數(shù)平均值作為強制性條文加以要求，足以體現(xiàn)重視程度。然而規(guī)范中給出的計算方法內外遮陽、反光板等各類構件的減光影響并無具體的建議取值，無法進一步對自然采光設計方案加以修正。故此對于綠色建筑采光方案設計環(huán)節(jié)，有必要利用Relux、DIAlux、AGI32、PKCG等光環(huán)境仿真軟件對采光性能及節(jié)能潛力等進行更為精確的仿真分析[14]。

建筑能效與其使用管理模式，以及包括光環(huán)境參數(shù)在內的資源條件密切相關，利用仿真軟件對建筑的自然采光節(jié)能效果進行動態(tài)仿真是更為合理的方法。本例仿真結果表明，對工作區(qū)域設置不同的工作時段對最終的節(jié)能仿真結果影響明顯。相比上一版，GB 50033—2013《建筑采光設計標準》新增了采光節(jié)能的相關章節(jié)，提出了具體的要求。但由于采光設計標準規(guī)范中只提供了為數(shù)不多的城市的利用天然光時數(shù)等建議值，使得采光節(jié)能計算結果的說服力嫌過于籠統(tǒng)。因此建議設計人員在條件許可的前提下，盡可能利用軟件仿真分析，以選定性價比合理的照明控制策略。

自然采光仿真分析環(huán)節(jié)的光氣候數(shù)據(jù)的收集，以及建筑建模是必須完成的重要前提工作。對于前者而言，ReluxSuit自帶了全球范圍內的諸多城市的逐月日照概率值，可大大簡化用戶的數(shù)據(jù)收集工作量，是該軟件的優(yōu)勢之一。至于論及建筑建模的效率及準確性，應該說，當前主流的光環(huán)境仿真軟件對于建模的支持都有較大的改進空間。隨著建筑信息模型BIM的日漸深入人心，未來直接導入BIM模型完成建筑光環(huán)境/熱環(huán)境/能效仿真等，應該是相關軟件可行的改進方向[15-17]。

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Daylight and Energy Saving Simulation Based on Relux

YI Bin, YUAN Tao, YANG Jing, MI Hongju

(Dept. of Machinery & Electric Engineering, LEU, Chongqing 401311,China)

Artificial lighting makes up 19% of electrical consumption worldwide. Daylight has been recognized as a free energy and cost effective alternative to artificial lighting for sustainable building design. the new versionStandardforDaylightingDesignofBuildings(GB50033) has fully revised the original standard, which presents new metrics and methods for indoor daylight availability assessment, as well as estimation methods used for predicting potential energy saving from daylight. A case study of a newly constructed educational building in the LEU, Chongqing, is presented. Computational analysis using validated lighting simulation tool Relux and formulas in GB50033 standard will be conducted to simulate the daylighting performance in the selected classroom. The results show that using the RELUX simulation tools have more accurate results than using the formulas of standard when the complex windows and sunshade model was adopted.Finally, the current limitations of tools and processes and propose future developments were described.

daylighting design; daylight factor; lighting environment simulation; lighting energy-saving; Relux

TU113.4

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.005