陸 明，杜江濤

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150006；2.School of Built Environment, Liverpool John Moores University, Liverpool L3 3AF, UK；3.黑龍江省寒地城人居環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150006)

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寒地城市居住區(qū)天然光獲得量數(shù)值分析：動(dòng)態(tài)模型

陸 明1，3，杜江濤2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150006；2.School of Built Environment, Liverpool John Moores University, Liverpool L3 3AF, UK；3.黑龍江省寒地城人居環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150006)

為研究寒地城市住區(qū)布局形式對(duì)天然光獲得量的影響，以寒地表城市多層住區(qū)為研究對(duì)象，選取了三種典型平面布局形式，采用了基于地域氣候數(shù)據(jù)的新型模擬技術(shù)對(duì)建筑南立面中心各層窗口位置的垂直照度值(月平均和典型日)進(jìn)行了計(jì)算，在此基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)分析和評(píng)價(jià)了各種布局形式的天然光獲得量情況。結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)模型相對(duì)于靜態(tài)更為貼合實(shí)際的氣象變化狀況。不同的建筑布局和時(shí)間段對(duì)天然光的利用存在較大的影響，應(yīng)該在城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)的最初階段給予充分的關(guān)注。

寒地城市；天然光獲得量；居住區(qū)；動(dòng)態(tài)模型；數(shù)值模擬；天然光；建筑設(shè)計(jì)

引言

我們?cè)谖墨I(xiàn)[1]中，將由采光系數(shù)(Daylight Factor)和日照時(shí)間(Sunlight Time)確定的靜態(tài)模型用于分析住區(qū)的天然光獲得量情況。這種傳統(tǒng)的分析方法具有簡(jiǎn)便快速的特點(diǎn)，也易于為建筑師和城市規(guī)劃師所接受。可是，這種模型依然存在著一定的局限性，具體表現(xiàn)在：①對(duì)于天然光強(qiáng)度分析來(lái)講，只探討了最不利條件下(全陰天)的情況，缺乏對(duì)晴天空或者中間天空等其它氣候條件的分析。對(duì)于陰天空占主導(dǎo)的地區(qū)(如四川)和時(shí)段(雨季)具有較大的實(shí)用性，而對(duì)其他天空條件則存在有較大的誤差。②日照分析采用的也是一種的理想狀態(tài)下(晴天)的計(jì)算方式，也是一種同真實(shí)氣候條件(如云量)脫節(jié)的分析模型。近年來(lái)，國(guó)際天然光研究領(lǐng)域提出了一種“基于地域氣候條件的天然光分析模型(CBDM, Climate-based daylight modeling)[2]”。這是一種從地域氣候特點(diǎn)出發(fā)來(lái)分析和設(shè)計(jì)天然采光的新型模型，已經(jīng)被放入英國(guó)采光標(biāo)準(zhǔn)BS 8206-2:2008[3]加以認(rèn)可和推廣。它的主要原理是在地域性的氣象資料的基礎(chǔ)上來(lái)設(shè)計(jì)采光，這些氣象資料包括天空和太陽(yáng)的輻射度和輻照度、可見(jiàn)光亮度和照度。根據(jù)氣象資料(主要是天空亮度分布)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都可以獲得一個(gè)該時(shí)間點(diǎn)的天然光照水平(以絕對(duì)照度值來(lái)衡量)。利用統(tǒng)計(jì)工具綜合分析一整年的數(shù)據(jù)，就可以真正找出適合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)的采光模式。

本文正是利用了這種新型模型，來(lái)計(jì)算建筑主要立面上隨時(shí)間和真實(shí)天空條件變化的光照強(qiáng)度(絕對(duì)照度值)，從一種更為貼近實(shí)際條件的角度來(lái)動(dòng)態(tài)分析了寒地城市住區(qū)的天然獲得量狀況。

1 建筑布局和寒地城市

本文以典型寒地城市哈爾濱(北緯45.8°)為例，選取了三種典型的城市住區(qū)布局模型進(jìn)行分析。圖1為各模型的住宅布局平面形式及其單體建筑的平面形式和尺寸，建筑均為六層多層住宅，高度均為18.0m，主體建筑朝向均為南北朝向。

三種建筑布局是在依據(jù)我國(guó)城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范[3]及哈爾濱城鄉(xiāng)規(guī)劃管理?xiàng)l例的情況下，最大限度地滿(mǎn)足土地利用要求的高密度布局形式，也是天然光環(huán)境較為不利的布局形態(tài)。其中模型1是行列式布局，建筑南北向間距為32.4 m，建筑山墻間距為6.0 m，單體建筑的尺寸為：L1=13.0 m，L2=45.0 m。模型2是U形圍合式布局，建筑南北向及東西向的間距均為32.4 m，單體建筑的尺寸為：L1=13.0 m，L2=29.4 m，L3=72.0 m，L4=16.4 m。模型3是Z形圍合式布局，建筑南北向及東西向的間距均為32.4 m，單體建筑的尺寸為：L1=13.0 m，L2=30.4 m，L3=63.0 m，L4=17.4 m。

由于我國(guó)居住建筑中以南立面為主要日照及采光面，因此本文選取建筑南立面垂直中心線(xiàn)上的六個(gè)窗口中心位置為計(jì)算點(diǎn)，它們距離地面的高度分別為：2.1 m(一層)，4.9 m(二層)，7.7 m(三層)，10.5 m(四層)，13.3 m(五層)，16.1 m(六層)。

圖1 寒地城市住區(qū)建筑布局模型Fig.1 Building layouts of residential area in cold city

根據(jù)城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范[4]和建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)[5]，中國(guó)東北的大部分地區(qū)屬于第Ⅰ建筑氣候區(qū)，以冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒和夏季短促?zèng)鏊瑸橹饕卣?，因而充足的天然光照量?duì)于這些地區(qū)顯得尤為重要。本文將針對(duì)上述三種住區(qū)布局形式進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，以獲得上述位置點(diǎn)的動(dòng)態(tài)照度分布狀況。

2 動(dòng)態(tài)模擬方法

目前，對(duì)于動(dòng)態(tài)采光計(jì)算和CBDM，主要的工具是以反光線(xiàn)追蹤為基本計(jì)算原理的Radiance[6]。基于Radiance內(nèi)核的CBDM建模軟件主要分為兩類(lèi)：①直接在Radiance環(huán)境下進(jìn)行計(jì)算的工具，如Unix/Linux Radiance軟件包和Windows Ecotect Radiance。這類(lèi)工具可以直接計(jì)算出特定時(shí)間的特定位置的采光系數(shù)、照度值或者亮度值等，沒(méi)有提供更多的后續(xù)分析功能。不過(guò)，它們可以利用Radiance開(kāi)放的源代碼直接開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足具體要求的計(jì)算工具。②在Radiance基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的新型軟件包，具有多種功能，如Daysim, Diva或者ESP-r里面的天然光計(jì)算模塊等。這類(lèi)工具往往和能量計(jì)算模塊或者輻射計(jì)算模塊相結(jié)合，大大擴(kuò)展了Radiance基本功能。

本文采用第二類(lèi)軟件中的Daysim[7-8]來(lái)作為基本計(jì)算工具。Daysim的動(dòng)態(tài)模型是在Radiance基本算法的基礎(chǔ)上集成了采光因數(shù)[9]和Perez天空亮度模型[10]，這種形式大大優(yōu)化了現(xiàn)有的天然光計(jì)算方法。采光因數(shù)(Daylight Coefficient)可根據(jù)公式(1)得到：

(1)

式中，Lγα為天空單元(高度角γ, 方位角α)的亮度；ΔEγα為來(lái)自于天空單元(高度γ, 方位角α)光照的某點(diǎn)的照度；ΔSγα為天空單元的立體角。

因此，可以計(jì)算出環(huán)境內(nèi)某參考點(diǎn)來(lái)自于某個(gè)天空單元光照的照度，即

ΔEγα=DCγαLγαΔSγα

(2)

這樣，參考點(diǎn)的總照度就可以通過(guò)累加來(lái)自所有天空單元光照的照度值得到。這里，采光因數(shù)與建筑的特征(三維尺寸、材料光度和朝向等)密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)輸入的具有地域性氣候特征的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)(全局輻射和直接輻射)，Perez天空模型可以實(shí)時(shí)的計(jì)算出某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的天空亮度分布。這個(gè)亮度分布同上述采光因數(shù)的計(jì)算過(guò)程相結(jié)合，這樣就得到了實(shí)時(shí)的參考點(diǎn)照度值。

在本文中，所有的平面布局中建筑南立面表面的垂直照度被計(jì)算出來(lái)，以動(dòng)態(tài)的反映其天然光獲得量。建筑立面的反射率定為0.4(顏色為中性)，地面反射率為0.2(顏色為中性)。建筑模型用CAD工具建模，并轉(zhuǎn)化為Daysim認(rèn)可的基本格式文件(如：*.3DS, *.DXF)。按照上節(jié)的描述，建筑南立面上六個(gè)計(jì)算位置的坐標(biāo)被寫(xiě)成基本的*.pts文件。模型、坐標(biāo)文件和哈爾濱標(biāo)準(zhǔn)氣象文件(下載于美國(guó)能源局網(wǎng)站[11])一起輸入Daysim做最終的模擬和計(jì)算。在進(jìn)行全年照度分布計(jì)算時(shí)，選擇一小時(shí)為計(jì)算時(shí)間間隔。因此，每個(gè)位置上每天有24個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)，每年共有8 760個(gè)計(jì)算值。

由于采用了Radiance作為計(jì)算引擎，在實(shí)施最終模擬前，先利用了試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)Radiance中的反光線(xiàn)追蹤模塊Rtrace進(jìn)行了收斂分析，因此為整個(gè)研究確定了合適的主要環(huán)境參數(shù)(ambient parameters)[6](表1)。參數(shù)的設(shè)定值相對(duì)較為保守，以確保了整個(gè)模擬的精度。

表1 用于 Rtrace計(jì)算的環(huán)境參數(shù)Table 1 Ambient parameter settings in Rtrace calculation

3 天然光獲得量分析

根據(jù)哈爾濱地區(qū)的氣候特點(diǎn)和相關(guān)規(guī)范[4]，本節(jié)分析了12個(gè)月平均值和四個(gè)典型日(大寒、春分、夏至和秋分)垂直照度分布，據(jù)此動(dòng)態(tài)反映出建筑南立面上天然光獲得量的情況。

3.1 月平均垂直照度

考慮到建筑高度不高的實(shí)際情況，對(duì)于6個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)，重點(diǎn)選取了一層、三層和五層的窗口垂直照度來(lái)進(jìn)行分析。

圖2表明了模型1(行列式)布局中建筑南立面這三層窗口位置的月平均數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)，時(shí)間分別為上午(9點(diǎn))、中午(12點(diǎn))和下午(15點(diǎn))。很顯然，對(duì)于每一條曲線(xiàn)來(lái)講都有一個(gè)統(tǒng)一的大的變化趨勢(shì)。無(wú)論早晚，早春(3月)和深秋(10月份)是照度變化的峰值，而12月和7月左右則是照度變化的谷值?？傮w上，夏季谷值(7月)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冬季谷值(12月或1月)。在這種面南的布局下，各層在中午12點(diǎn)自然取得最高窗口照度值。對(duì)于早晨和下午來(lái)說(shuō)，變化趨勢(shì)稍稍復(fù)雜。1月到3月和8月到10月這兩個(gè)時(shí)間段早晨9點(diǎn)和下午15點(diǎn)的光照強(qiáng)度基本上等同。但在冬天(11月到2月)、晚春(4月、5月)和夏天(6月到8月)，早晨立面窗口總能接受到比下午略高的光照。在比較寒冷的季節(jié)內(nèi)(大約11月到來(lái)年的2月)，上午(9點(diǎn))中午(12點(diǎn))下午(15點(diǎn))每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上頂層的垂直照度大于中間層，中間層的垂直照度則大于低層。其余的大部分時(shí)間內(nèi)這三個(gè)位置上的窗面垂直照度基本相差不大。

圖3為模型2(U形)布局中建筑南立面這三層窗口位置的月平均數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)，時(shí)間分別為上午(9點(diǎn))、中午(12點(diǎn))和下午(15點(diǎn))。同模型1一樣，模型2也具有類(lèi)似的總體趨勢(shì)。兩個(gè)峰值分別在3月和10月，而7月和12月為垂直照度變化的谷值。在中午時(shí)間(12∶00)，三層窗口的垂直照度在3月至10月這個(gè)時(shí)期是一致的；而低層窗口垂直照度在冬季(11月至下一年2月)這個(gè)時(shí)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上面兩層的垂直照度?？傮w上，上午9點(diǎn)每層的窗口垂直照度要大于對(duì)應(yīng)層在下午3點(diǎn)的照度。這個(gè)差別在夏季時(shí)期(6月至8月)比較小，其他時(shí)期則變的非常明顯，尤其是在冬季。

圖4 模型3南立面三層計(jì)算點(diǎn)的月平均窗口垂直面照度變化趨勢(shì) (9∶00，12∶00，15∶00)Fig.4 Monthly-averaged hourly vertical daylight illuminance at south facades of model3 (time: 9∶00，12∶00，15∶00)

圖4為模型3(Z形)布局中建筑南立面這三層窗口位置的月平均數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)，時(shí)間分別為上午(9點(diǎn))、中午(12點(diǎn))和下午(15點(diǎn))。模型3的各層窗口垂直面照度整體變化趨勢(shì)同模型2類(lèi)似。

圖5 三個(gè)模型南立面六層計(jì)算點(diǎn)的窗口垂直面照度平均值月變化趨勢(shì) (9∶00，12∶00，15∶00)Fig.5 Monthly average vertical daylight illuminance of six positions at south facades of three models (time: 9∶00，12∶00，15∶00)

此外，三個(gè)模型之間的比較仍然需要進(jìn)行分析和討論。圖5表現(xiàn)出的每個(gè)模型南立面上六個(gè)窗口垂直面照度值的平均值隨不同的月份進(jìn)行變化的趨勢(shì)。總體上，三個(gè)模型南立面上的平均照度值差別不大，尤其是在4月至9月之間。在這段時(shí)間內(nèi)，12點(diǎn)的窗口垂直照度值遠(yuǎn)大于上午9點(diǎn)和下午3點(diǎn)的值，而9點(diǎn)的照度值要稍大于下午3點(diǎn)的值。在秋季和冬季這個(gè)兩個(gè)季節(jié)里面(10月至3月)，模型1在12點(diǎn)和9點(diǎn)的垂直照度大于其他兩個(gè)模型；模型1和模型3在下午3點(diǎn)的照度值保持一致，兩者都大于模型2的照度值。

總之，按照月平均窗口垂直面照度的在一年內(nèi)的變化，3月和10月在各個(gè)模型中均是是天然獲得量最強(qiáng)的時(shí)期，而12月則是最弱的時(shí)期。12月至3月之間，天然光強(qiáng)度從最低達(dá)到峰值；而后逐漸下降，至7月達(dá)到最低；而后又升高，到10月變?yōu)榉逯担^(guò)了這個(gè)時(shí)期又開(kāi)始下降。模型1相對(duì)其它兩個(gè)模型來(lái)說(shuō)，南立面上的天然光獲得量相對(duì)較多，也說(shuō)明了這個(gè)建筑布局對(duì)天空的遮擋相對(duì)要小。

3.2 典型日垂直照度

除了月平均值之外，本文還選擇了四個(gè)不同季節(jié)的典型日(大寒：1月20日；春分：3月20日；夏至：6月21日；秋分：9月23日)來(lái)進(jìn)行三個(gè)模型中窗口垂直面照度分析(圖6)。根據(jù)城市居住區(qū)規(guī)劃規(guī)范，本節(jié)內(nèi)主要分析底層窗口的垂直照度值。

圖6 三個(gè)模型南立面底層窗口垂直面照度值(從7∶00到17∶00)Fig.6 Vertical daylight illuminance of ground floor at south facades in three models (time: from 7∶00 to 17∶00)

從圖6中開(kāi)始看出，三個(gè)模型底層窗口的垂直照度在春分、夏至和秋分中均存在一個(gè)總趨勢(shì)：大約中午12點(diǎn)的時(shí)間這個(gè)照度值達(dá)到峰值。對(duì)于大寒日來(lái)說(shuō)，這個(gè)窗口照度值的變化比較復(fù)雜：從上午10點(diǎn)到下午2點(diǎn)，三個(gè)模型底層窗口基本上沒(méi)有大的照度值變化；模型1總體上比其余兩個(gè)模型的接受到的天然光照量要大；過(guò)了下午2點(diǎn)，模型2的照度值保持最低，而模型1和模型3的值變?yōu)橐恢?。春分和秋分兩個(gè)典型日里面，模型1的照度值在上午和下午均比模型2和模型3的照度值要大，尤其是對(duì)于秋分的時(shí)間來(lái)說(shuō)。在夏至日，三個(gè)模型的底層窗口垂直照度總體變化趨勢(shì)保持一致，模型1的絕對(duì)照度值要大于其它兩個(gè)模型。以中午12點(diǎn)為例來(lái)進(jìn)行比較，冬季大寒日的照度值是最低的，而秋分和春分的照度值相對(duì)較高，夏至則在中間(以模型1為例，秋分、春分和夏至的照度值分別約為大寒日值的560%、425%和167%)。

按照四個(gè)典型日的分析來(lái)說(shuō)，模型1仍是天然光獲得量最佳的布局形式。相對(duì)于春秋夏，冬季的天然光獲得量依然應(yīng)該被重點(diǎn)考慮。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬工具對(duì)三種不同的居住建筑布局進(jìn)行了天然光獲得量(一年周期內(nèi)窗口垂直照度值)分析，最終得出以下結(jié)果和策略用于指導(dǎo)寒地城市多層居住區(qū)在設(shè)計(jì)初級(jí)階段的規(guī)劃設(shè)計(jì)：

1)從天然光獲得量角度來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)變化的窗口垂直面照度分析相對(duì)于靜態(tài)的采光系數(shù)和日照時(shí)間來(lái)說(shuō)，更為合理和實(shí)際的反映出天然光獲得情況，從而可以為進(jìn)一步的建筑室內(nèi)天然光利用和節(jié)能提供依據(jù)。

2)從月平均和典型日的窗口照度值來(lái)講，布局1具有最大利用天然光的可能，行列式在動(dòng)態(tài)分析下依然為最好的選擇。Z形和U形建筑布局沒(méi)有太大的差別，可根據(jù)具體需要來(lái)選用。

3)針對(duì)一整年的周期和所有建筑布局，春季(3月)和秋季(10月)是天然光利用最有效的時(shí)期。相反，12月是最不利于獲得天然光的時(shí)期。雖然室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最高，但是夏季7月和8月并不是建筑南立面上獲得天然光最高的時(shí)期。

4)冬季相對(duì)其他季節(jié)來(lái)講，是天然光獲得量最低的時(shí)期。如果在三個(gè)布局的建筑中進(jìn)行采光口設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要重點(diǎn)考慮冬季時(shí)段的需求。但是，同時(shí)要防止夏季過(guò)多的天然光造成的視覺(jué)不舒適和環(huán)境熱舒適問(wèn)題。

[1] 陸明，杜江濤. 寒地城市住區(qū)天然光獲得量數(shù)值分析：靜態(tài)模型[J].照明工程學(xué)報(bào)，2016，27(6)：48-52.

[2] MARDALJEVIC J. Examples of Climate-Based Daylight Modelling//Proceedings of the CIBSE National Conference 2006. London, UK, 2006.

[3] Lighting for buildings-Part 2: Code of practice for daylighting：BS 8206-2:2008[S].

[4] 城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50180—93[S].

[5] 建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)：GB 50178—93[S].

[6] WARD LG，SHAKESPEARE R. Rendering with Radiance[M]. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers (USA), 1998.

[7] REINHART C，HERKEL S. The simulation of annual daylight illuminace distributions-a state-of-art comparison of six Radiance-based methods [J]. Energy and Buildings, 2000, 32: 167-187.

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[9] TREGENZA P, WATERS M I. Daylight Coefficients. Lighting Research and Technology[J]. 1983, 15(2): 65-71.

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[11] EnergyPlus software weather data. http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data.cfm.

Numerical Analysis of Daylight Availability in Residential Areas With Cold Climates: Dynamic Model

LU Ming1，3, DU Jiangtao2

(1.School of Architecture, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150006, China;2.School of Built Environment, Liverpool John Moores University, Liverpool L3 3AF, UK;3.Heilongjiang Cold Region Urban-Rural Human Settlements Science Key Laboratory, Habin 150006, China)

To explore hte impacts of residential layout in cold eity on daylight availability, this study investigated the daylight availability (sunlight and skylight) of three various typical building layouts in residential urban areas with cold climates. Vertical daylight illuminance (annual profile and in four typical days) along the centre south facades was calculated by using Daysim, a Radiance-based CBDM tool. A dynamic analysis has been conducted. The achieved results showed there are significant impacts of building layout and various periods on daylight availability. It has been also suggested that the daylighting potential could be assessed at the earlier stage of urban design in residential areas.

cold city; daylight availability; residential area; dynamic model; numerical simul ation; daylight; building design

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(2016-K1-011)，黑龍江省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(GZ15A508)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目(HIT.NSRIF.201657)

TK513.5

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.006