淺析可取代采光系數的新天然采光評價參數

吳 蔚 劉坤鵬

(南京大學建筑與城市規劃學院，江蘇南京 210093)

1 引言

好的天然采光不僅可以節省能源，還可以滿足人們的生理和心理的需求。然而好的天然采光不僅僅是簡單的多開幾個窗戶就能解決，反觀現在辦公建筑中流行的開多而大的窗口，常常會引起的眩光、直射陽光和室內過熱等一系列問題。我國目前天然采光規范中主要使用的評估參數是天然采光系數(Daylight factor)，其定義是“室內給定水平面上某一點的由全陰天天空漫射光所產生的光照度和同一時間同一地點，在室外無遮擋水平面上由全陰天天空漫射光所產生的照度的比值”。采光系數雖然有簡單易用的優點，但我們從其定義可以看出，它本身存在著許多問題［1，2］，包括:1) 無法描述晴天和多云天空情況下的天然采光情況;2)天然采光系數無法表征建筑的朝向性;3)即使在全陰天的情況下，當云量變化大時，天然采光系數變化也會比較大;4)當天然采光和人工照明混合時，天然采光系數無法描述室內光環境;5)天然采光系數只能量化水平面的天然光分布，然而對人們感知很重要的室內垂直面的天然光分布，卻無法評估。近些年來，一些研究人員發現即使在北歐地區，以多云天為主的天氣狀況下，天然采光系數評估方法也有較大誤差［3］。對于描述天然光的氣候性與多變性，天然采光系數明顯有很多不足之處［4］。

近些年來，國際上發展起來一些新的天然采光評價標準，其中以Daylight autonomy(DA)和Useful daylight illuminance(UDI)得到較為廣泛的認可和應用［5，26］。Daylight autonomy(DA) 和 Useful daylight illuminance(UDI)在我國目前都無標準翻譯，筆者將Useful daylight illuminance翻譯為“有效天然采光照度”，以下簡稱UDI，Daylight autonomy翻譯為“天然光自主參數”，以下簡稱DA。DA是測量一年中工作面上的最小照度值超過500勒克斯的時間有多少 (百分比值)。而UDI是指一年中在工作面上的天然光在一定范圍內有效照度的數據。從DA的定義可以看出，DA只是考慮到一個臨界值，卻沒有考慮室內天然光過高的情況。然而，近些年相當多的研究表明，過高的天然光是與辦公室工作者的視覺不舒適有很多關聯。因此，相較于DA，UDI考慮到了在過高天然光的情況下，工作人員的視覺舒適性問題。

本文主要是介紹UDI的由來，并以我國常見的內廊板式和中間核心筒式建筑為例，來比較DA、UDI與天然采光系數之間的優劣性。

2 有效天然采光照度 (Useful daylight illuminance)

我們都知道室內天然光分布無論是在空間上還是在時間上變化都相當劇烈，在被照面上的照度會隨著天空云量變化而迅速改變，同時室內天然光也會隨著離窗口的距離增大而迅速減小，因此全陰天天空模型很難代表真實的天空，尤其是當有直射陽光的情況下。因此目前歐美采光規范中出現的單一值，如辦公室內被照面上不得低于500勒克斯的規定，并不適用于變化多端的天然光。因此Nabil和Mardaljevic兩位研究人員認為應取代規范標準中單一值方法，提出一個“有效天然采光照度”的概念。他們認為應根據天然光變化快而劇烈的特點，以一定范圍的值來評估天然光。即當室內天然光在這個范圍之內，可以滿足工作者的正常視覺工作，可以稱之為有效。而當在這個范圍之外，無論是太低或太高，都有可能影響工作者的正常視覺工作，或引起視覺不舒適，都稱之為無效。

然而，現在的問題是如何確定這個范圍。人眼可接受的視覺范圍很大，但滿足視覺舒適性的范圍就因人而異了。到目前為止，還沒有一個研究能夠提出一個確切值或范圍。但有大量研究表明，好的天然光不僅可以增加工作者的視覺舒適性，還可以提高工作效率［6，7］。

英國皇家建筑設備工程師協會(The UK Chartered Institution of Building Services Engineers，CIBSE)室內采光規范推薦室內采光設計應為500勒克斯，而500勒克斯是目前西方發達國家采用的普遍標準，當超過500勒克斯時，CIBSE建議應減少甚至是不提供人工照明。然而，加拿大國家土木工程研究院 (Institute for Research Construction，National Research Council Canada)對一系列大空間辦公室做的現場調研發現，在辦公室的很多工作人員對150勒克斯的照度就表示滿意了［8］。北美照明工程學會(The Illuminating Engineering Society of North America，IESNA)建議在有陰極射線管顯示屏 (CRT Screens)的實驗室里，被照面上只要提供50～100勒克斯照明即可［9］。事實上，在一個計算機公司的實地調研中發現，當一個辦公室里有兩臺計算機時，大部分員工認為100勒克斯的照明就夠了［10］。而目前無論是我國的還是國外的采光照明規范，一般會規定在工作面的照度至少要滿足300～500勒克斯。與此同時，有研究也發現，相較于人工照明，人們對較低的天然光容忍度較高，有的工作人員甚至在室內只有50勒克斯時還在堅持閱讀［11］。

在美國伯克利國家實驗室 (Lawrence Berkeley National Laboratory，USA)開展的一項實地試驗中，工作人員被允許調節人工照明的亮點和百葉窗的角度，為自己提供一個較佳的光環境，研究人員通過多天的跟蹤記錄，發現早上人們傾向于較高的照度(840～2146勒克斯)，到下午時照度一般是較低，約在782～1278勒克斯，相較于原來辦公室自動設定的510～700勒克斯，大多數工作人員都不約而同的采用較高的照度值［3］。

很多研究都注意到大部分辦公人員都希望有一定形式的天然光。然而當在有大面積玻璃幕墻或有較大窗口的辦公室時，很多工作人員表示出他們的視覺不舒適，特別是不滿意室內由較高天然光所引起的眩光等問題［12］。當然，與天然光相關的視覺舒適性問題相當復雜，通常與很多因素有關，包括朝向、遮擋物、是否有遮陽設備，甚至與不同地區的不同氣候特點有關聯［12］。其實早在上世紀90年代，Selkowwitzd等幾位研究人員在其問卷調查中就已經發現，傳統的天然采光設計規范里有很多弊病，并建議擴展辦公室天然采光環境的概念［13］。如他們發現很多工作人員期望工作面上的照度要高于設計的500勒克斯，且在工作面上的照度要適當高出背景光。當工作人員在有天然光的辦公室里，他們不僅不介意、反而會希望看見天然光的變化。而且除非當室內有直射陽光或者明顯的眩光時，工作人員一般都會不介意較高的亮度［13］。此外，這些研究人員還注意到，在有顯示屏的辦公室里 (顯示屏的擺放位置和角度不會產生眩光的情況下)，工作人員能接受還算舒適 (或可以忍受)的最高照度值是在1800勒克斯。在同一個實驗中也發現，無論是使用計算機還是傳統的紙張工作，人們對自然光的接受程度在700～1800勒克斯之間。

根據上述的文獻回顧，Nabil和Mardajevic將有效采光照度值的范圍確認在100～2000勒克斯之間:

(1)當室內天然光低于100勒克斯時，可以認為無法滿足最基本的視覺工作需要，這時需要有一定的人工照明進行補充。

(2)當室內天然光在100～500勒克斯時，可以作為單獨光源來滿足人們的視覺工作。

(3)當室內天然光范圍在500～2000勒克斯時，是一種較好的 (或者是可以忍受的)天然光源。

(4)當天然光超過2000勒克斯時，就會對視覺工作有影響，或者是產生視覺不舒適感。

采光照明與“量”相關的研究已經有了超過百年的歷史，然而與“質”相關的研究還剛剛展開。這些年來，人們逐漸認識到采光照明不僅僅是解決視覺舒適性問題，還關系到人們的健康、行為、覺醒甚至是睡眠質量等［14］。Partonen和Lonnqvist發現在高緯度地區，提高采光照度可以改善人們的情緒，減緩憂郁［15］。越來越多的研究顯示，對于天然采光而言，目前單一數值的采光規范很難滿足人們生理和心理的需求。因此，Useful daylight illuminance定義中，以一定范圍的值來評估天然光明顯更符合“質”需求。

隨著先進的計算機模擬技術的發展，UDI可以根據當地氣候數據，計算在全年天然采光情況下，以小時為單位的年天然采光預測結果。可以說，UDI是根據現實的隨時間變化的天然光照條件，預測絕對天然采光情況下的室內采光情況。

3 建筑模型與計算機模擬

為檢驗DA、UDI與天然采光系數這三種參數的優劣性，本文選擇我國常見的兩種辦公建筑為例——內廊板式和中間核心筒式建筑，以這三種參數對其室內天然光環境進行評估。

3.1 建筑模型

內廊板式辦公建筑的尺寸設定為64米×20米×21.6米 (長×寬×高)，層數為6層，層高為3.6米，主朝向是南北向。根據《辦公建筑設計規范》的規定，窗所占面設為30%，設定窗戶為窗臺高1米，窗高為1米的帶型窗。模擬分為無遮陽和有遮陽兩種情況。遮陽是在東側，西側，南側增加遮陽板，遮陽板厚度為0.3米，距離地板2.1米，遮陽板的外檐距離墻面1米，北側沒有出挑 (本文只考慮北半球的情況)。

核心筒式辦公樓設定為正方形，核心筒大小為14米×14米，層高為3.6米，核心筒式辦公樓多用于高層和超高層建筑中，由于本模擬僅對某一層平面作分析即可，因此本模型只模擬了三層以及上下相鄰的幾層。模擬也是分為無遮陽和有遮陽兩種情況，有遮陽是在東側，西側，南側增加遮陽板，遮陽板厚度為0.3米，距離地板2.1米，遮陽板的外檐距離墻面1米，北側沒有出挑。圖1為板式及核心筒式辦公樓的平面圖。圖內兩個矩形假定為設備及樓梯間，做不透光處理。

圖1 板式及核心筒式辦公樓平面圖

3.2 計算機軟件及參數設定

本文采用的計算機模擬軟件是 DAYSIM。DAYSIM是由加拿大國家實驗室和德國弗勞恩霍夫研究所太陽能研究中心共同研發的一款年動態天然采光分析模擬軟件，該軟件是基于RADIANCE的蒙特卡羅反向光線跟蹤算法，并根據當地的氣候數據來動態模擬年采光情況。近幾年來，該軟件多次通過驗證并被天然采光研究界廣泛采用［16，17，18］。DAYSIM一款免費軟件，可以在Windows和linux兩種操作系統下都可以運行，并可與許多CAD軟件相連接，包括 Rhinoceros，Autodesk-Ecotect和 Google Sketch up［19］。DAYSIM 采用的是Perez天空模型，能夠綜合計算全年陰天、晴天和多云天空等各種天空條件下直射光、漫射光及地面反射光對室內天然采光的影響［20］。并根據Tregenza提出的日光參數法(Daylight Coefficient method) 來計算室內照度［21］。相較于只能在全陰天空情況評估室內采光的天然采光系數 (Daylight factor)，日光參數法 (Daylight Coefficient method)可以計算任意天空狀態下室內照度。

模擬中辦公建筑模型的材料，是根據我國《建筑照明設計標準》中推薦的室內反射比，模型中天花為0.8，墻面為0.6，地面為0.4，玻璃的透光系數是0.8。氣候參數的選擇是全年動態天然采光模擬軟件在計算過程所必須的基本數據，本文以南京地區作為研究對象，采用的從美國能源部網站下載EPR格式的南京地區典型氣候年的逐時氣象數據［22］。DAYSIM內的參數是按其所推薦的設置，最主要的幾個參數設置如下:ambient bounces設為5，ambient divisions設為 1000，ambient accurary設為0.1，direct sampling設為0.2，direct relays設為2。

4 模擬結果

本文的主要目的是比較天然采光系數 (Daylight Factor，以下簡稱DF)、DA(Daylight autonomy，天然光自主參數)、UDI(Useful daylight illuminance有效天然采光照度)這三個天然采光評價標準，來描述室內天然采光的優劣性。

4.1 板式辦公樓

圖2、圖3分別為板式辦公建筑DF、DA、UDI的偽色彩和照度 (南北)比較值。其中左邊為無遮陽方案，右邊為有遮陽方案。圖2、圖3中，DF的偽色彩和照度值在最上面一行，UDI在最下面一行，DA在中間一行。

圖2 板式辦公樓DF、DA與UDI之間的偽色彩比較圖

圖3 板式辦公樓DF、DA與UDI之間的南北向照度比較

DF的模擬是根據CIE標準全陰天空，從圖2、3板式辦公樓的DF模擬圖，可以看出四邊的照度值幾乎一樣，沒有方向的分別，距離窗戶兩米以內的采光系數為10%或者更高，隨著與窗戶的距離越來越遠，采光系數迅速減少，在距離窗戶兩米的時候采光系數減少到4%。

DA模擬采用的是南京全年典型氣象數據，按照一年之中每天09∶00～18∶00的采光情況來進行測算的，從模擬結果可以看出四個立面2米以內的全年DA平均值超過了80%(500lx或者更高)，特別是在無遮陽中的轉角部分，和DF圖中的轉角部分很相似，但是和DF不同的是在有遮陽方案中，中南向和北向、東向和西向都是不對稱的，東北側隨著距窗戶的距離逐漸增大DA值降低的最快，遮陽板的出挑則導致了DA值的明顯減小。

UDI模擬采用的是南京全年典型氣象數據，在無遮陽的板式辦公樓中，UDI模擬結果顯示建筑外圍區域的全年有效照度是很低的，通過圖3可以觀察出這是由于UDI數據大大超過標準而導致的，在建筑外圍大約有60%的時間沒有處在有效照度的范圍內。這是因為靠近窗周邊的照度值過高造成的。當在東、南、西三個方向增加了懸挑遮陽，從模擬結果中可以看出遮陽設施有效的減少了建筑周邊的照度，特別是建筑的東側和西側，因此UDI超出標準區域范圍的量明顯下降，全年達到標準的時間超過了50%，和DF與DA相比在建筑的四個角部也有較為明顯的變化，全年有效天然光照度大約在35～40%之間。

4.2 核心筒式辦公樓

圖4、圖5分別為核心筒式辦公建筑DF、DA、UDI的偽色彩和照度比較值。其中左邊為無遮陽方案，右邊為有遮陽方案。圖4、5中，DF的偽色彩和照度值在最上面第一行，中間一行是DA，UDI在最下面一行。

圖4 核心筒式辦公樓DF、DA與UDI之間的偽色彩比較圖

核心筒式辦公建筑的DF模擬也是根據CIE標準全陰天空，從圖4、圖5可以看出核心筒式辦公樓采光系數的變化與板式辦公樓類似，即采光系數對方向不敏感，采光系數在距離窗戶的較近的地區變化較大，不同的是核心筒式辦公樓南北向的進深要更大，靠近中心筒部分的區域采光系數較低。同樣的，將核心筒式辦公樓的DF模擬結果和DA模擬結果相比較也會發現驚人的相似性，尤其是在轉角部分。然而在無遮陽方案時，DA就不是向DF相對稱，在東南向，室內照度值明顯高于其他方向。

核心筒式辦公樓的UDI模擬結果的變化和板式辦公樓UDI模擬結果的變化相似，即在窗口周邊，因為天然光照度高于2000勒克斯，所以有效值反而降低。當在增加了遮陽措施后，超出UDI有效照度值的區域大大減少，尤其是建筑的東西兩側，表現尤為明顯，建筑的四個角部亦有明顯變化。

4.3 DF、DA、UDI之間的比較

從圖3～圖5分析可以看出最突出的特點就是DF分布的相似性和DA、UDI分布的不相似性，特別DF對朝向的不敏感性。DF和DA在分布模式上是相似的，最高的部分位于建筑周邊區域，但是UDI卻有一個和DF和DA相比不同的分布模式:UDI在建筑周邊區域一側是比較小的，即采用UDI評價標準后，一些滿足采光規范的區域，用UDI標準來評價卻是不滿足的。

圖5 核心筒式辦公樓DF、DA與UDI之間的南北向照度比較

在有遮陽方案中 (東、南、西三面有遮陽):靠近窗口區域的部分，符合標準的DF值和DA值都有一定的減少，但達到UDI標準的區域卻迅速擴大，在圖4、圖5中可以明顯看到同樣的增長，這正是由于遮陽板降低了這一區域的天然采光量，使這一部分由原來超過UDI標準的區域轉換為符合UDI標準的區域。

總之，這兩種辦公建筑類型中在沒有遮陽的情況下，DA值和DF值的最高部分很明顯的被表現出來。UDI的模擬結果則顯示在窗口周邊區域超過2000勒克斯的時間占全年工作時間的40%～60%。這一模擬結果，與我們經驗感知和許多研究相類似，對于身在有大面積采光口的辦公人員來說，室內過高的天然光會直射陽光、眩光等諸多問題，對視覺工作造成影響。

5 結語

自從上世紀40年代天然采光系數被提出來之后，由于其簡單易用，被廣泛接受使用，各國的采光設計標準都主要以天然采光系數而制定。但天然采光系數的因其本身的弊病，很難真實的反映室內天然光的分布。隨著先進的計算機模擬技術的發展，精確的模擬室內天然光已經唾手可得，因此有必要開發出能更能滿足人們需要的采光設計標準。

從上述的模擬結果可以看出，UDI標準不僅能反映室內工作者的真實感受，具有一定有效性。雖比DA標準復雜一點，但也可以稱之為簡單易用，并且可以較準確地描述天然光在時間和空間上的變化，特別的是UDI將過高照度值所引起的視覺不舒適性考慮進來，相較于以往單一值的采光設計標準，在一定范圍照度值的評價標準顯然更能夠準確描述室內采光質量。相較于天然采光系數，UDI無疑提供了更加有效和適應性強的，能夠基于全年氣象數據的動態天然采光評價標準。

UDI是一個嘗試評估天然光“質“的天然采光設計標準，在UDI較高時，意味室內天然光滿足工作人員的視覺工作的需求，因此就減少了人工照明的需求。當然，UDI是近幾年來國際光學界剛剛研發的一個概念，還存許多問題，需要進一步的研究，尤其UDI是否能夠降低建筑能耗、及與室內熱環境之間的關系已經引起很多研究人員的興趣。

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