梁樹英，楊春宇，陳 霆，汪統(tǒng)岳

(重慶大學(xué) a.博士后流動站；b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室；c.建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

建筑采光測量方法實驗研究

梁樹英a，b，c，楊春宇b，c，陳 霆b，c，汪統(tǒng)岳b，c

(重慶大學(xué) a.博士后流動站；b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室；c.建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

采光系數(shù)和采光均勻度是評價建筑采光質(zhì)量的重要指標。根據(jù)中國標準《采光測量方法》(GB/T 5699—2008)的相關(guān)規(guī)定，采光測量的天空條件應(yīng)選擇CIE標準全陰天空。但是，中國地域遼闊，各地光氣候有很大區(qū)別，很難找到合適的天氣條件進行采光測量。為了能在不同天氣情況下進行采光測量，擴大其通用性，選擇全陰天和全晴天時在同一地點、同一時間段對同一棟建筑實體模型的不同朝向(東南西北)分別進行采光測量，并將模型導(dǎo)入DIALux evo 6.1軟件測試模擬。結(jié)果表明，全陰天和全晴天，采光口朝東向和北向的采光系數(shù)在10∶00—15∶00之間由高到低變化，西向和南向的采光系數(shù)則相反，數(shù)據(jù)在12∶00—13∶00之間產(chǎn)生交叉。全陰天北向的采光系數(shù)與軟件模擬結(jié)果最為接近，其次為全晴天北向，全晴天東向和南向的偏差最大。天氣和朝向?qū)Σ晒饩鶆蚨鹊挠绊懢^小。

采光系數(shù)；采光均勻度；CIE標準全陰天；CIE標準全晴天；建筑朝向

隨著生活水平的提高，人們對建筑的天然光環(huán)境越來越重視，目前均以采光系數(shù)和采光均勻度來衡量建筑物的天然采光情況。中國國家標準《采光測量方法》(GB/T 5699—2008)規(guī)定采光系數(shù)測量的天空條件應(yīng)選擇CIE標準全陰天空，因為全陰天空的室外天然光全部為漫射光，天空亮度分布比較均勻且相對穩(wěn)定，各個方向的天空亮度基本相同，有利于采光測量的準確性。但是，中國地域遼闊，全國劃分為I～V類光氣候區(qū)，各光氣候區(qū)的天氣狀況有很大區(qū)別。例如：重慶(V類光氣候區(qū))全陰天空出現(xiàn)的次數(shù)較多，進行采光測量比較方便，而昆明(II類光氣候區(qū))和北京(III類光氣候區(qū))全晴天空出現(xiàn)的次數(shù)較多，要找到合適的天氣條件(全陰天)進行采光測量就比較困難。此外，建筑的采光口有不同朝向，其對應(yīng)的天空亮度分布不同，也會導(dǎo)致測試結(jié)果不同。因此，為了能在不同天氣情況下準確進行采光測量，擴大其通用性，就需要研究不同天氣和不同朝向?qū)Σ晒鉁y量的影響。目前，針對采光測量進行的相關(guān)研究有：張九紅利用數(shù)碼相機結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)建立了光環(huán)境測試的像測系統(tǒng)，解決了采光系數(shù)測試存在的部分問題。沈天行和張九紅利用圖像數(shù)字化處理技術(shù)分析了室外遮擋物對采光的影響值，解決了室外有遮擋物時無法準確測定室內(nèi)采光系數(shù)的問題，同時還研究了標準全云天空下的采光系數(shù)。

筆者在重慶地區(qū)分別選擇全陰天和全晴天，在同一地點、同一時間段對同一棟建筑實體模型的不同朝向(東南西北)進行采光測量實驗，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入DIALux evo 6.1軟件進行測試模擬，研究不同天氣和不同朝向?qū)ㄖ晒鉁y量的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗對象

為方便測試和模擬，選擇住宅的起居室作為測試對象，長7 000 mm，寬4 200 mm，高2 800 mm，短邊正中長條窗單面采光，采光口尺寸為2 400 mm×1 800 mm，窗臺高度750 mm，測試工作面距離地面高度為800 mm，測點間距1 000 mm。共布置6個測試斷面，每個測試斷面上布置4個測試點(圖1)。按照測試對象尺寸制作4∶1的等比例縮尺模型用于現(xiàn)場實驗，墻面、地面、頂棚的顏色使用中性灰色，反射比分別為0.5、0.3、0.8，玻璃為普通3 mm單層白玻。

圖 1 測試對象尺寸、測點布置及實體模型圖

根據(jù)中國國家標準《采光測量方法》(GB/T 5699—2008)的相關(guān)規(guī)定，采光系數(shù)是指在室內(nèi)給定平面上的一點，由直接或間接接收來自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而產(chǎn)生的照度與同一時刻該天空半球在室外無遮擋水平面上產(chǎn)生的天空漫射光照度之比。實驗中，測量每個測試點和對應(yīng)的室外漫射光照度，由二者的比值求出每個測試點的采光系數(shù)，進而得到整個空間的采光系數(shù)平均值。采光均勻度為采光系數(shù)最低值與采光系數(shù)平均值之比。

1.2 儀器裝置

測量所使用的儀器為杭州新葉光電工程技術(shù)有限公司的XYI-III型全數(shù)字照度計，分辨率為0.001 lx，動態(tài)范圍0.1～100 000 lx，精度±4%，數(shù)字V(λ)傳感器光譜響應(yīng)達到國家一級照度計標準。實驗前將8臺照度計寄回廠家校準，校準后在實驗室暗室標準光源條件下同時開啟8臺照度計，使接收器曝光2 min，待照度計讀數(shù)穩(wěn)定后，取測試值相差最小的5臺照度計用于現(xiàn)場實驗，以便將測試誤差控制在最小范圍內(nèi)。

1.3 實驗方法

實驗在重慶大學(xué)校園內(nèi)進行，選擇周邊無建筑物及植被遮擋的建筑屋頂平臺，天氣選擇CIE標準全陰天(2015-08-10)和全晴天(2015-09-03)，測試時間選擇在一天中照度相對穩(wěn)定的時間內(nèi)進行，即10∶00—15∶00，每小時測試1次。每次測試時，分別將模型的采光口朝向東、南、西、北4個方向進行測量。

具體操作時，實驗人員穿著深色衣服，并遠離照度計接收器，以防止對接收器產(chǎn)生遮擋和反射，影響實驗數(shù)據(jù)的準確性。為進一步控制誤差，縮短測試時間，5臺照度計同時測量，其中4臺置于測試斷面上的4個測試點上，1臺置于室外無遮擋的空地，同時測量室內(nèi)4個測試點的水平照度和室外水平面天空擴散光照度，測試完1個斷面后迅速移動到第2個斷面繼續(xù)測量4個測試點的水平照度和室外水平面天空擴散光照度，并以此類推直到完成6個測試斷面的測量。在全晴天測量室外水平面天空擴散光照度時，用遮光球?qū)⒅鄙潢柟鈸踝。诠馇虻拇笮∈菇邮掌鲃偤猛耆幱陉幱爸?，球表面涂黑，與接收器之間的距離大于0.5 m，支承桿盡可能細。

2 軟件模擬

按照測試對象尺寸在DIALux evo 6.1 軟件中建立測試模型，場所污染情況為低交通流量(灰塵量地域150 mg/m3)，維護方式固定光耗系數(shù)為1，建筑物定位為重慶，106.6°E，29.5°N，向北定位270°(使采光口朝向北向)，時區(qū)(UTC+08∶00)北京。燈光場景選擇日光，天空種類為陰天，日期和時間為2015-08-10 和12∶00，工作面高度為800 mm，測點數(shù)量(X為6，Y為4)。通過計算得到采光系數(shù)為2.550 %，采光均勻度為0.172(圖2)。

圖2 DIALux evo 6.1軟件模擬截圖

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗結(jié)果

全陰天(2015-08-10)、全晴天(2015-09-03)和不同朝向(東南西北)的采光系數(shù)和采光均勻度測試結(jié)果見表1和表2。

表1 全陰天采光測量信息表

表2 全晴天采光測量信息表

圖3 全陰天和全晴天一天中采光系數(shù)變化圖

3.2 分析討論

3.2.1 采光系數(shù)變化分析

從圖3中可以看出全陰天和全晴天，當(dāng)采光口朝向為東向和北向時，采光系數(shù)在10∶00—15∶00之間由高到低變化，當(dāng)采光口朝向為西向和南向時，采光系數(shù)在10∶00—15∶00之間由低到高變化，全晴天東向和南向的采光系數(shù)變化幅度最大。全晴天出現(xiàn)這種情況主要是直射陽光的影響，而全陰天雖然理論上各方向的天空亮度基本相同，但由于太陽高度角、云量、云層厚度的變化也會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，只是其變化幅度相對全晴天而言要小得多。另外，全陰天和全晴天各朝向的采光系數(shù)均在12∶00—13∶00之間產(chǎn)生交叉，此時正是重慶地區(qū)太陽高度角最大值所對應(yīng)的時刻。

根據(jù)表3可以看出，全陰天北向的采光系數(shù)值(2.561 %)與軟件模擬結(jié)果(2.550 %)最為接近，其次為全晴天北向(2.449 %)，全晴天東向和南向的采光系數(shù)偏差最大，其余方向的采光系數(shù)偏差居中。由此可見，直射陽光對采光測量的影響很大。因此，當(dāng)建筑的朝向為東向和南向時，不適宜在晴天進行采光測量；當(dāng)建筑的朝向為北向時，則可以在晴天進行采光測量。無論全陰天、全晴天和建筑朝向如何，進行建筑采光測量均應(yīng)選擇在中午(當(dāng)?shù)靥柛叨冉亲畲笾邓鶎?yīng)的時刻前后)，可以避免直射陽光、太陽高度角和建筑朝向等對采光測量結(jié)果的影響。

表3 全陰天和全晴天采光系數(shù)平均值

3.2.2 采光均勻度變化分析

從圖4和表4中可以看出，全陰天北向的采光均勻度值(0.170)和軟件模擬結(jié)果(0.172)最為接近，其次為全晴天北向(0.179)，其他方向的采光均勻度變化幅度和偏差都不大。采光均勻度在10∶00—15∶00之間沒有和朝向相關(guān)的變化規(guī)律。因此，天氣和朝向?qū)Σ晒饩鶆蚨鹊挠绊懢^小。

表4 全陰天和全晴天采光均勻度平均值

圖4 全陰天和全晴天一天中采光均勻度變化圖

4 結(jié) 論

全陰天和全晴天在同一地點、同一時間段對同一棟建筑實體模型的不同朝向(東南西北)進行采光測量實驗，并導(dǎo)入DIALux evo 6.1軟件測試模擬。結(jié)果表明：全陰天和全晴天，采光口朝東向和北向的采光系數(shù)在10∶00—15∶00之間由高到低變化，采光口朝西向和南向的采光系數(shù)則相反，數(shù)據(jù)在12∶00—13∶00之間產(chǎn)生交叉。全陰天北向的采光系數(shù)與軟件模擬結(jié)果最為接近，其次為全晴天北向，全晴天東向和南向的采光系數(shù)偏差最大。天氣和朝向?qū)Σ晒饩鶆蚨鹊挠绊懢^小。直射陽光對測試結(jié)果的影響很大，當(dāng)建筑的朝向為東向和南向時，不適宜在晴天進行采光測量；當(dāng)建筑的朝向為北向時，則可以在晴天進行采光測量。無論全陰天、全晴天和建筑朝向如何，其測量時間均應(yīng)選擇在中午(當(dāng)?shù)靥柛叨冉亲畲笾邓鶎?yīng)的時刻前后)。

[1] 采光測量方法：GB/T 5699—2008[S]．北京：中國標準出版社，2008．

[2] 建筑采光設(shè)計標準：GB 50033—2013[S]．北京：中國標準出版社，2013．

[3] 張九紅．采光系數(shù)測定的研究[J]．沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，21(2)：118-120．

[4] 沈天行，張九紅．利用圖像數(shù)字化處理技術(shù)分析室外遮擋物對采光的影響值[J]．照明工程學(xué)報，2005，16(4)：1-4．

[5] 沈天行，張九紅．利用圖像數(shù)字化處理研究標準全云天空下采光系數(shù)[J]．照明工程學(xué)報，2006，17(2)：28-32．

ExperimentalStudyofArchitecturalDaylightMeasurement

LIANGShuyinga，b，c,YANGChunyub，c,CHENTingb，c,WANGTongyueb，c

(a.Postdoctoral Research Station;b.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Ministry of Education;c.Faculty of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China)

Daylight coefficient and daylight uniformity are important indexes to evaluate the quality of architectural daylight. According to the relevant provisions of the national standard “daylight measurement method” GB / T 5699—2008, the sky condition for daylight measurement should select CIE standard overcast sky. However, China’s vast territory and the daylight climate is very different, it is difficult to find right weather conditions for daylight measurement. In order to measure daylight under different weather conditions and enlarge the generality of GB/T 5699—2008, this article selects the overcast sky and the sunny sky in the same place, the same time period on the same building solid model in different orientation (east, south, west and north) for lighting measurement and tested simulation the model into the DIALux evo 6.1 software. The results show that the daylight coefficients of the overcast sky and the sunny sky decrease between 10∶00—15∶00 in the east and north direction, and the daylight coefficients of the west and south direction is opposite, the daylight coefficients between 12∶00—13∶00 produce cross. The daylight coefficient of the north of overcast sky is closest to that of the software simulation, followed by the north of sunny sky, the east and the south of sunny sky are the most deviated. The effects of weather and orientation on the daylight uniformity are small.

daylight coefficient;daylight uniformity;CIE standard overcast sky;CIE standard sunny sky;building orientation

2017-07-18

重慶大學(xué)教學(xué)改革研究項目(2016Y30)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目(106112015CDJXY190002)；國家自然科學(xué)基金(51478060)；《采光測量方法》修訂編制組資助項目

梁樹英(1984-)，女，重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院實驗師，博士，主要從事建筑技術(shù)科學(xué)研究，(E-mail)Lsyarch@163.com。