新版《建筑采光設(shè)計標準》主要技術(shù)特點解析

林若慈 趙建平

(中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

1 引言

《建筑采光設(shè)計標準》GB/T 50033—2001版經(jīng)過全面修訂已于2012年2月完成報批稿報批。近年來伴隨著能源危機、開發(fā)和利用天然光已日益引起世人的關(guān)注。天然光因其自身獨有的特質(zhì)和變化性越來越受到人們的喜愛，愉悅身心的同時還可以提高工作效率。不僅如此，天然光在減少建筑照明能耗方面已顯現(xiàn)出重要作用。我國大部分地區(qū)處于溫帶，天然光充足，為利用天然光提供了有利條件。本標準修訂遵循充分利用天然光，創(chuàng)造良好光環(huán)境、節(jié)約能源、保護環(huán)境和構(gòu)建綠色建筑的原則，在調(diào)查研究、模擬計算、實驗驗證，認真總結(jié)實踐經(jīng)驗，參考有關(guān)國際標準和國外先進標準以及廣泛征求意見的基礎(chǔ)上完成了本標準的修訂。修訂后的采光標準共分為7章和6個附錄，主要技術(shù)內(nèi)容包括:總則、術(shù)語和符號、基本規(guī)定、采光標準值、采光質(zhì)量、采光計算和采光節(jié)能等。以下介紹新版《建筑采光設(shè)計標準》的主要技術(shù)內(nèi)容和特點。

2 側(cè)面采光的評價指標采光系數(shù)最低值改為采光系數(shù)平均值

新標準規(guī)定的采光系數(shù)標準值和室內(nèi)天然光照度標準值為參考平面上的平均值，如表1所示。

表1 場所參考平面上的采光標準值Table 1 Daylighting standard value on the reference plane in the space

原標準中側(cè)面采光以采光系數(shù)最低值為標準值，頂部采光采用平均值作為標準值;本標準中統(tǒng)一采用采光系數(shù)平均值作為標準值。采用采光系數(shù)平均值不僅能反映出采光的平均水平，也更方便理解和使用。從國內(nèi)外的研究成果也證明了采用采光系數(shù)平均值和照度平均值更加合理。

采用采光系數(shù)平均值作為采光系數(shù)標準值，編制組基于北京標準全陰天條件，利用Radiance軟件進行初步模擬計算。取房間凈高2.54.56.5米，進深4.85.46.07.28.49.0米，對18種房間的9種開窗方式進行模擬，共計162個模擬組合，以驗證采光系數(shù)平均值的優(yōu)點及其可行性。

其中提取某一房間進行相關(guān)幾何參數(shù)與采光系數(shù)的深入比較分析。該房間進深7.2米、凈高4.5米、玻璃透光比0.737，室內(nèi)地面反射比為0.2，墻面0.5，屋頂0.8，窗下沿高0.9米，工作面高0.8m，對應(yīng)9種開窗方式的計算結(jié)果如表2所示。

表2 標準全陰天窗地比與采光系數(shù)計算結(jié)果Table 2 Calculation results of ratio of glazing to floor area and daylighting factors in full cloudy day

本研究與澳大利亞同類研究進行比較，研究結(jié)論相似，窗地比與采光系數(shù)平均值 (Cav)呈近似線性關(guān)系，采光系數(shù)最低值 (Cmin)與窗地比無線性關(guān)系。

根據(jù)上述研究得出如下結(jié)論:

(1)對于標準全陰天，真正對應(yīng)建筑師采光方案合理性的判定是平均照度，其與窗地比存在近似的線性關(guān)系，不同形狀的房間也因此對應(yīng)不同的合理窗地比。用采光系數(shù)平均值作為標準值既能反映一個工作場所總的采光狀況，又能將采光系數(shù)與窗地面積比直接聯(lián)系在一起。采用采光系數(shù)平均值和平均照度作為標準值是合理的。

(2)采用采光系數(shù)平均值和平均照度將計算和評定側(cè)窗采光和天窗采光的參數(shù)統(tǒng)一在一起，方便二者之間的綜合比較和對接。

(3)采用采光系數(shù)平均值和平均照度同時方便結(jié)合照明標準及節(jié)能標準的相關(guān)參數(shù)，為統(tǒng)一考慮采光均勻度和照明均勻度提供了可能。

3 制定采光系數(shù)標準值采用室外天然光設(shè)計照度值

3.1 室外天然光設(shè)計照度值的確定

將Ⅲ類光氣候區(qū)的室外設(shè)計照度值定為15000 lx(表3)，按這一室外設(shè)計照度和采光系數(shù)標準值換算出來的室內(nèi)天然光照度值與人工照明的照度值相對應(yīng)，只要滿足這些照度值，工作場所就可以全部利用天然光照明，根據(jù)我國天然光資源分布情況(表4)，全年天然光利用時數(shù)可達8.5個小時以上。按每天平均利用8小時確定設(shè)計照度，Ⅲ類光氣候區(qū)室外設(shè)計照度取值為15000 lx，其余各區(qū)的室外設(shè)計照度分別為 18000 lx、16500 lx、13500 lx、12000 lx。按室外臨界照度5000 lx計算，每天平均天然光利用時數(shù)約10個小時。室外設(shè)計照度15000 lx和室外臨界照度5000 lx之間，是部分采光的時段，需要補充人工照明，臨界照度5000 lx以下則需要全部采用人工照明。

表3 各光氣候區(qū)的室外天然光設(shè)計照度Table 3 The design illuminance of exterior daylight in various daylight climate areas

表4 不同光氣候區(qū)的天然光利用時數(shù)Table 4 Daylight using hours in various daylight climate areas

3.2 室內(nèi)天然光設(shè)計照度值的確定

在制訂采光標準時，除了考慮視覺工作對光的最低需求外，還應(yīng)考慮連續(xù)、長時間視覺工作的需要，以及工作效率和視覺舒適等因素。結(jié)合室外天然光狀況，將室外臨界照度值5000 lx提高到室外設(shè)計照度值15000 lx，各采光等級 (與頂部采光相對應(yīng))的室內(nèi)天然光照度值分別為750、450、300、150、75(lx)，與照明標準相比較，各工作場所對應(yīng)的天然光照度值基本與照明標準值相一致。視覺實驗還表明，天然光優(yōu)于人工光，天然光即使略低于人工照明照度值，也能滿足視覺工作的要求。

4 在采光質(zhì)量要求較高的場所，宜限制窗的不舒適眩光

4.1 窗的不舒適眩光指數(shù)DGI

窗的不舒適眩光是評價采光質(zhì)量的重要指標，新標準規(guī)定不舒適眩光指數(shù)不宜高于表5規(guī)定的數(shù)值。

表5 窗的不舒適眩光指數(shù) (DGI)Table 5 DGI of windows

根據(jù)我國對窗眩光和窗亮度的實驗研究，結(jié)合舒適度評價指標，及參考國外相關(guān)標準，確定了本標準各采光等級的窗的不舒適眩光指數(shù)值DGI(表6)，與英國標準 (表7)比較基本一致。

表6 窗的不舒適眩光指數(shù)值比較Table 6 DGI comparison of windows

表7 英國IES眩光指數(shù) (DGI)臨界值Table 7 DGI threshold of IES

實測調(diào)查表明，窗亮度為8000 cd/m2時，其累計出現(xiàn)幾率達到了90%，說明90%以上的天空亮度狀況在對應(yīng)的標準中;實驗和計算結(jié)果還表明，當窗面積大于地面面積一定值時，眩光指數(shù)主要取決于窗亮度。表中所列眩光限制值均為上限值。

關(guān)于頂部采光的眩光，據(jù)實驗和計算結(jié)果表明，由于眩光源不在水平視線位置，在同樣的窗亮度下頂窗的眩光一般小于側(cè)窗的眩光，頂部采光對室內(nèi)的眩光效應(yīng)主要為反射眩光。

4.2 窗的不舒適眩光指數(shù)DGI的計算

式中，Gn——眩光常數(shù);

Ls——窗亮度，通過窗所看到的天空、遮擋物和地面的加權(quán)平均亮度 (cd/m2);

Lb——背景亮度，觀察者視野內(nèi)各表面的平均亮度 (cd/m2);

ω——窗對計算點形成的立體角 (sr);

Ω——考慮窗位置修正的立體角 (sr)。

本方法是在各個國家對窗的不舒適眩光研究的基礎(chǔ)上，由英國和美國對不舒適眩光提出的計算公式。法國、英國和比利時依據(jù)上述公式對窗的眩光進行了研究。利用該公式可預(yù)定采光的不舒適眩光。同時還研究了不同的天空亮度、窗的形狀和大小以及背景亮度對不舒適眩光的影響。研究表明，當天空亮度、房間大小和室內(nèi)反射比一定時，GI值為一常數(shù)。試驗結(jié)果還證實了對于同一評價等級采光的眩光指數(shù)要高于照明眩光指數(shù)，當采光眩光指數(shù)DGI值在28以下時，兩者之間的關(guān)系可用式 (3)表示。

同樣，我國對窗的不舒適眩光也進行了系統(tǒng)的實驗研究，即“窗不舒適眩光的研究”，包括窗亮度和窗尺寸對眩光的影響、窗大小和形狀對對眩光的影響、背景亮度對眩光的影響以及天然光和人工光的不舒適眩光的比較，得出了一組關(guān)系曲線。同時還引入了無眩光舒適度的概念，建立了窗亮度、窗的不舒適眩光指數(shù)和窗無眩光舒適度之間的關(guān)系曲線，進一步證實了這一眩光計算方法的適用性。窗的不舒適眩光一般需要采用計算機軟件進行計算。

5 窗地面積比和采光有效進深

在建筑方案設(shè)計時，對Ⅲ類光氣候區(qū)的采光，其采光窗洞口面積和采光有效進深可按表8進行估算，其他光氣候區(qū)的窗地面積比應(yīng)乘以相應(yīng)的光氣候系數(shù)K。

為便于在方案設(shè)計階段估算采光口面積，按建筑規(guī)定的計算條件 (窗的總透射比τ取0.6等)，計算并規(guī)定了表8的窗地面積比。此窗地面積比值只適用于規(guī)定的計算條件。若不符合規(guī)定的條件，需按實際條件進行計算。

建筑師在進行方案設(shè)計時，可用窗地面積比估算開窗面積，這是一種簡便、有效的方法，但是窗地面積比是根據(jù)有代表性的典型條件下計算出來的，適合于一般情況。如果實際情況與典型條件相差較大，估算的開窗面積和實際值就會有較大的誤差。因此，本標準規(guī)定以采光系數(shù)作為采光標準的數(shù)量評價指標，即按不同房間的功能特征及不同的采光形式確定各視覺等級的采光系數(shù)標準值。在進行采光設(shè)計時，宜按采光計算方法和提供的各項參數(shù)進行采光系數(shù)計算，而窗地面積比則作為采光方案設(shè)計時的估算。

表8 窗地面積比和采光有效進深Table 8 Ratio of glazing to floor area and the depth of daylighting zone

對于側(cè)面采光，標準除了規(guī)定窗地面積比以外還對采光有效進深作了規(guī)定，根據(jù)模擬計算，統(tǒng)計出與各采光等級相對應(yīng)的采光有效進深，如表9所示。

表9 采光有效進深統(tǒng)計結(jié)果Table 9 The statistical results of the depth of daylighting zone

表9中采光有效進深是在常規(guī)開窗條件下，控制窗寬系數(shù) (不包括高側(cè)窗)的計算統(tǒng)計結(jié)果。同時編制組還選取窗地面積比為1/5和1/10的典型房間進行實驗，測量所得結(jié)果表明，當采光系數(shù)達到標準值時，采光有效進深分別在2.5～3.0和4.0～4.5之間，實驗也驗證了標準中給出的有效進深是合理的。本標準給出側(cè)面采光的有效進深對方案設(shè)計階段指導(dǎo)采光設(shè)計，控制房間采光進深和采光均勻度具有實際意義，同時可對大進深采光房間的照明設(shè)計和采光與照明控制提供參考依據(jù)。

本標準所規(guī)定的窗地面積比和采光有效進深既考慮到能滿足天然采光的要求，同時也要考慮到對建筑圍護結(jié)構(gòu)能耗的限制。側(cè)面采光時，在控制采光有效進深的情況下，對各等級的窗地面積比和對應(yīng)的窗墻 比進行了分析計算，計算結(jié)果如表10所示。

表10 側(cè)面采光的窗地面積比和窗墻比Table 10 Ratio of glazing to floor area and the wall of daylight

計算結(jié)果窗墻比基本上在0.2～0.4之間，符合建筑節(jié)能標準的要求，只有Ⅴ類光氣候區(qū)Ⅰ級采光等級窗墻比超過0.4，但在采光標標準中已規(guī)定由于其開窗面積受到限制時可采用人工照明。頂部采光多為大跨度或大進深的建筑，如果開窗面積過大，包括大面積采用透明幕墻的場所，本標準對采光材料的光熱性能提出了要求。

6 平均采光系數(shù)的計算方法

6.1 側(cè)面采光平均采光系數(shù)的計算

采光系數(shù)平均值的計算方法是經(jīng)過實際測量和模型實驗確定的，在研究過程中，有關(guān)采光系數(shù)平均值的公式出現(xiàn)了多個修正版本，本標準確定采用以下計算公式。該公式的計算結(jié)合同模型實驗中的測量值更加吻合，并最終在北美照明工程學(xué)會 (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算機模擬工具Radiance對上述采光系數(shù)平均值表達式進行了驗證評估。綜合早期的模型試驗、實際測量和后期的計算機模擬可以發(fā)現(xiàn)，有關(guān)采光系數(shù)平均值的理論公式計算結(jié)果、實測值和模擬值三者數(shù)據(jù)之間基本吻合，該驗證工作是我們在標準修訂過程中得以將公式計算和模擬結(jié)果綜合應(yīng)用的重要根據(jù)，結(jié)果表明，模擬計算結(jié)果與簡化公式計算的結(jié)果比較吻合。

(1)采光系數(shù)平均值的計算。

式中，τ——窗的總透射比;

Ac——窗洞口面積 (m2);

Az——室內(nèi)表面總面積 (m2);

ρj——室內(nèi)各表面反射比的加權(quán)平均值;

θ——從窗中心點計算的垂直可見天空的角度值，無室外遮擋θ為90°。

①窗的總透射比τ的計算:

式中，τ0——采光材料的透射比;

τc——窗結(jié)構(gòu)的擋光折減系數(shù);

τw——窗玻璃的污染折減系數(shù)。

②室內(nèi)各表面反射比ρj的計算:

ρi分別指頂棚、墻面、地面飾面材料和普通玻璃窗的反射比，Ai為與之對應(yīng)的各表面面積。

③可見天空角的計算:

式中，Dd——窗對面遮擋物與窗的距離 (m);

Hd——窗對面遮擋物距窗中心的平均高度(m)。

(2)窗洞口面積Ac的計算:

6.2 頂部采光系數(shù)平均值的計算

本計算方法引自北美照明手冊的采光部分，該方法的計算原理是“流明法”，計算假定天空為全漫射光分布，窗安裝間距與高度之比為1.5∶1。計算中除考慮了窗的總透射比以外，還考慮了房間的形狀、室內(nèi)各個表面的反射比以及窗的安裝高度，此外，還考慮了窗安裝后的光損失系數(shù)。

本計算方法具有一定的精度，計算簡便，易操作。為配合標準的實施可建立較完善的數(shù)據(jù)庫，利用計算機軟件可為設(shè)計人員提供方便，快捷的采光設(shè)計方法。

采光系數(shù)平均值的計算公式:

式中，Cav——采光系數(shù)平均值 (%);

τ——窗的總透射比;

CU——利用系數(shù);

Ac/Ad——窗地面積比。

本計算方法未對混合采光做出規(guī)定，對兼有側(cè)面采光和頂部采光的房間，可將其簡化為側(cè)面采光區(qū)和頂部采光區(qū)，分別進行計算。

6.3 導(dǎo)光管系統(tǒng)的采光計算

導(dǎo)光管采光系統(tǒng)是一種新型的屋頂采光技術(shù)。導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的計算原理是“流明法”，與頂部采光類似。采用導(dǎo)光管采光系統(tǒng)時，相鄰漫射器之間的距離不大于參考平面至漫射器下沿高度的1.5倍時可滿足均勻度的要求。由于導(dǎo)光管采光系統(tǒng)采用了一系列光學(xué)設(shè)計，晴天條件下采光效率和光分布同陰天有所不同，因此在晴天條件下計算時需要考慮系統(tǒng)的平均流明輸出以及相應(yīng)的利用系數(shù)。當廠家提供光強分布IES文件，可利用通用計算機軟件，實現(xiàn)逐點的照度分析計算。

導(dǎo)光管系統(tǒng)采光設(shè)計時，宜按下列公式進行天然光照度計算:

式中，Eav——平均水平照度 (lx);

n——擬采用的導(dǎo)光管采光系統(tǒng)數(shù)量;

CU——導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的利用系數(shù);

MF——維護系數(shù)，導(dǎo)光管采光系統(tǒng)在使用一定周期后，在規(guī)定表面上的平均照度或平均亮度與該裝置在相同條件下新裝時在同一表面上所得到的平均照度或平均亮度之比。

以上提供的采光計算方法是針對采光標準規(guī)定的平均采光系數(shù)的計算。對于大型復(fù)雜的建筑和非規(guī)則的采光形式，或需要逐點分析計算采光時可采用具有強大功能的通用計算機軟件進行計算，同時還可以作節(jié)能分析和計算光污染。

7 建筑采光節(jié)能計算

天然光是清潔能源，取之不盡，用之不竭，具有很大的節(jié)能潛力，目前世界范圍內(nèi)照明用電量約占總用電量的20%左右，充分利用天然光是實現(xiàn)照明節(jié)能的重要技術(shù)措施。對于整棟建筑物而言，采光節(jié)能應(yīng)納入整個照明節(jié)能的組成部分。本標準提出的采光節(jié)能計算方法，突出的特點是全部采用我國實際的光氣候數(shù)據(jù)進行采光節(jié)能計算，因此在分析評估采光節(jié)能上具有較高的實用性。

本標準規(guī)定在建筑設(shè)計階段評價采光節(jié)能效果時，宜進行采光節(jié)能計算。

單位面積上可節(jié)省的年照明用電量Ue宜按下式計算:

式中，A——照明的總面積;

We——可節(jié)省的年照明用電量，單位為(kWh/年)。

可節(jié)省的年照明用電量We宜按下式計算:

式中，Pn——房間或區(qū)域的照明安裝總功率，單位為W;

tD——全部利用天然采光的時數(shù) (h)，見表11;

t'D——部分利用天然采光的時數(shù) (h);

FD——全部利用天然采光時的采光影響系數(shù)，取值1;

F'D——部分利用天然采光時的采光影響系數(shù)，在臨界照度與設(shè)計照度之間的時段取0.5。

全部利用天然采光的采光影響系數(shù)是指在室外設(shè)計照度以上場所可全部依賴天然采光的系數(shù)，取值為1;部分利用天然采光時的采光影響系數(shù)是指室外設(shè)計照度15000 lx和室外臨界照度5000 lx之間部分依賴采光的時段，采光影響系數(shù)取0.5，采光不足部分需要補充人工照明。

充分利用天然光是實現(xiàn)照明節(jié)能的重要技術(shù)措施。對于整棟建筑物而言，采光節(jié)能應(yīng)納入整個照明節(jié)能的組成部分。本標準提出的采光節(jié)能計算方法，最突出的特點是計算時完全根據(jù)我國在天然光方面的實際使用情況，全部采用我國實際的光氣候數(shù)據(jù)進行采光節(jié)能計算，因此在分析評估采光節(jié)能上具有較高的實用性。

表11 各光氣候區(qū)的天然光利用時數(shù)Table 11 Daylight using hours in various daylight climate areas

［1］《建筑采光設(shè)計標準》GB/T 50033(報批稿).

［2］側(cè)面采光計算方法的研究 (研究報告).

［3］英國標準.建筑物BS 8206—2:2008第2部分:日光照明實用規(guī)程.

［4］英國標準.BS EN 15193:2007建筑物能效——照明的能源要求.