基于晝光眩光特性的辦公建筑遮陽使用需求分析

李崢嶸 陸瑞陽 趙 群

1同濟大學機械與能源學院

2同濟大學建筑與城市規劃學院

基于晝光眩光特性的辦公建筑遮陽使用需求分析

李崢嶸1陸瑞陽1趙 群2

1同濟大學機械與能源學院

2同濟大學建筑與城市規劃學院

本文以上海某辦公室為例，采用DGP晝光眩光模型進行模擬計算，比較了不同朝向、不同人員位置、不同人員視線方向、不同玻璃透射率與是否使用遮陽設施的眩光水平差異，評價了室內人員處于不同狀態時遮陽的使用需求。由于將晝光眩光的發生情況用量化的方式進行描述，具體表現了遮陽設施的使用需求，為室內布局以及遮陽眩光自動控制策略提供依據。

晝光眩光遮陽需求DGP

0 引言

隨著玻璃在建筑中大面積使用，更多的太陽光可以進入建筑室內，在增加室內照度的同時帶來了強烈的晝光眩光。為了減少晝光眩光的影響，辦公建筑通常采用內遮陽的方式以減小天空視閾，降低晝光眩光感覺。由于遮陽設施的可見光透射率較低，在使用遮陽設施的同時會造成室內部分工作平面的照度偏低，需要開啟照明補充照度，增加了建筑照明能耗。因此在防止晝光眩光與增加室內照度中尋找平衡點是建筑節能的一個研究方向，涉及到遮陽的使用和控制模式。

評價室內的眩光水平需要依靠眩光指標進行。現有的很多眩光指標都是針對小的建筑人工光源開發的，如VCP、BGI、UGR，但是上述指標都不適合用于晝光眩光預測，原因如下：①晝光眩光的光源比較大，超過了0.01的體積角，大的眩光光源可以提升眼睛的適應性，導致對眩光感覺的改變；②在相同的光源大小下，人員對自然光具有更強的忍受力。

DGI（Daylight Glare Index）是針對晝光眩光的主要指標，它考慮了人員對自然光的忍受能力，將指標進行了上移，但是由于最先的DGI是從大面積人工光源的結果上引進，它仍然不能準確預測眩光水平，部分研究表明實際情況中的眩光情況低于DGI預測值。

DGP[1]（Daylight Glare Probability）是基于自然光進行試驗得到的眩光指標體系，相對于人工光源試驗獲得的指標體系有進步。DGP模型現已被Daysim和DIVA軟件納入計算，可以獲得全年動態眩光結果[3]。

本文采用DGP指標模型對室內的眩光水平影響因素和遮陽使用需求進行分析，為遮陽自動控制策略提供依據。

1 DGP模型

DGP模型是由Jan Wienold于2006年開發，用于評價室內晝光眩光的指標。作者通過實際太陽光環境下實驗房測試與問卷調研，得到室內環境與太陽眩光感覺的關系。該模型以眼部照度、眩光源亮度、立體角與位置指數作為參數，擬合出評價晝光眩光的公式：

式中：Ev為眼部的垂直照度；Ls,i為光源亮度；ωs,i為光源體積角；Pi為位置指數。

DGP表征人員受太陽眩光影響情況，指標分為四個等級，如表1。

表1 DGP等級劃分

當DGP超過0.4時認為人員受到晝光眩光的影響。

2 辦公室模型建立與驗證

2.1 研究對象

本文研究對象位于上海，屬于典型的辦公房間，尺寸為5.7m×7.0m×3.4m，窗戶尺寸為4.7m×1.7m，下沿距離地面0.9m，窗戶朝南，為鋁框單層標準平板玻璃，窗墻比0.4。房間位于大樓第五層，窗戶前無明顯遮擋物。房間布局如圖1所示。

圖1 研究對象房間布局

2.2 模型驗證

采光系數（Daylight Factor）是一項用于評價室內自然光采光效果的重要參數，且容易通過測試得到。本部分通過實測獲得研究對象各個測點的采光系數，將其與模擬得到對應測點的采光系數進行比較，以驗證模型的光學準確性。采光系數C的計算公式如下[4]：

式中：En為在全陰天空漫射光照射下，室內給定平面上的某一點由天空漫射光所產生的照度，lx；Ew為在全陰天空漫射光照射下，與室內某一點照度同一時間、同一地點，在室外無遮擋水平面上由天空漫射光所產生的室外照度，lx。

對房間內部20個測點進行照度測試，測點布置如圖1所示。經過比較，各測點的誤差均在10%以內，模擬結果與實測結果比較如圖2所示。本文采用該模型進行房間全年眩光特性分析。

圖2 實測與模擬采光系數比較

3 模擬工況設定

本文對上海地區辦公室內的眩光情況進行了模擬，考慮了不同的窗戶朝向、人員位置、視線方向、玻璃透射率以及是否使用遮陽設施對室內眩光的影響，具體設置見表2。不同因素的組合表征了不同的室內人員狀態，各因素在房間的體現如圖3所示。

表2 研究的影響因素

由于變量繁多，在后續進行比較時，文中以南向、45°視線朝向、2m進深、普通平板玻璃、無遮陽狀態為比較的基準，評價其中某一參數的改變對眩光影響時，其他參數均處于基準狀態。

圖3 室內不同狀態示意

4 模擬結果與分析

4.1 朝向對眩光的影響

將各個朝向全年眩光水平進行統計，以箱形圖的形式進行表述。箱形圖表示的含義如圖4所示。

圖4箱形圖含義說明

圖5 為各個朝向全年工作時間段的眩光水平箱形圖。北向的眩光水平顯著低于南、東、西三個方向。北向眩光最大值可達1，但比例較低，超過75%的時間眩光值均低于0.4，處于可接受的范圍。南、東、西三個方向的中位數在0.4附近，認為近一半的時間都存在眩光干擾。

圖5 各朝向的眩光水平

4.2 人員位置對眩光的影響

隨著人員位置與窗的距離增加，眼部垂直照度會減小，玻璃作為光源在眼睛位置的體積角也有所減小，眩光值總體呈減小的趨勢，如圖6所示。

圖6 各進深的眩光水平

4.3 視線方向對眩光的影響

當進深為2m時，90°視線角度與45°視線角度的眩光水平接近，45°視線方向稍高于90°方向。當視線方向繼續旋轉，眩光水平隨著角度的減小而減小，如圖7所示。

圖7 各視線方向的眩光水平

4.4 玻璃透射率與遮陽設施對眩光的影響

模擬分別采用普通玻璃和雙層Low-E玻璃兩種，透射率分別為0.96和0.70。遮陽是調節室內光環境的重要手段。模擬中采用內遮陽設施，可見光透射率10%，反射率47%。從圖8中可以看出，使用遮陽后的眩光水平顯著降低。

圖8 Low-E玻璃與遮陽工況的眩光水平

5 遮陽的需求分析

以產生不舒適晝光眩光為遮陽使用條件，認為當DGP大于0.4時有使用遮陽的需求，當DGP小于0.4時宜將遮陽收起以便充分利用自然光增加室內照度水平，減少建筑照明能耗。用動態模擬方法得到全年逐時眩光變化，統計各朝向全年工作時段（8:30~ 17:30，以8.5～17.5表示）各時刻DGP>0.4所占比例作為遮陽使用頻率，用以表征使用遮陽的需求。遮陽使用頻率從0～1變化，值越高表明對遮陽需求越高。以雷達圖來表征各季節平均各時刻的遮陽使用頻率，其所圍面積的大小可以表示該季節對遮陽需求大小。

5.1 不同朝向各季節遮陽需求

不同窗戶朝向有不同的眩光狀態，從圖9中可以看出，南向的窗戶對遮陽需求最高，且從上午9:30到下午15:30各時段需求比較平均。北向的遮陽需求最小，在夏季下午13:30到17:30時段眩光需求可以達到0.5，其他時間遮陽需求均小于0.25。東向與西向的遮陽需求低于南向高于北向，東向遮陽需求從上午8:30到12:30，下午沒有遮陽需求；西向遮陽需求從上午11:30到下午17:30。

圖9 各朝向的遮陽需求

5.2 不同進深各季節遮陽需求

圖10表示了不同進深下的情況的遮陽需求水平。在距離窗0.5～1m的范圍之內對遮陽的需求差異不大，多個時刻需要100%使用遮陽。從季節來看，在該進深范圍內，遮陽需求與太陽高度角無關，而與太陽輻射強度相關，夏季的遮陽需求稍高于冬季。當進深大于1.5m時，遮陽需求開始減小。當進深大于3m時，夏季遮陽需求明顯小于冬季，太陽高度角開始發揮主導作用。

圖10 各進深的遮陽需求

5.3 不同視線方向各季節遮陽需求

圖11表示了在不同視線方向下的遮陽需求。45°與90°視線方向的遮陽需求較其他方向高，最高可達0.75。其他視線角度的遮陽需求均處于低水平，除冬季部分時刻能超過0.5，其他時間遮陽需求均不超過0.3。 -90°視線方向遮陽需求為0，并未表示在圖11中。

圖11 各視線方向的遮陽使用需求

6 結論

1）針對本文研究對象中的測點位置，窗戶位于南、西、東三個方向均有較高的眩光水平，有較高的遮陽需求。對于窗戶在南向的房間冬季的眩光水平高于夏季，更需要遮陽；北向在夏天傍晚時刻有較高眩光水平，也需要遮陽。

2）當視線方向朝向窗戶時，進深距離對眩光的影響與窗戶的結構相關。當夏季太陽高度角較高時，若測點位于陽光直射范圍之外，則其受眩光影響相對較小。而冬季由于太陽高度角低，眩光水平普遍較高。

3）視線角度對眩光的影響很大，90°向外與向內的眩光水平差異巨大。對于辦公室來說，室內人員的有著不同的工作位置和不同的視線方向，在評價測點的眩光水平時需要將兩者同時考慮。另外，即使兩個測點眩光水平接近，需求出現的時刻也會有所不同，這些都需要詳細分析。

辦公室的眩光水平具有較強的個體特性，與室內布局緊密相關，不同布局組成有著不同的需求水平與需求時間段。基于眩光水平考慮遮陽自動控制策略時，應選擇辦公室內中最不利的工作點作為控制對象。由于隨著時間變化最不利點也在變化，因此需要有個合理的方法將這個問題納入考慮。

[1]Jan Wienold,Jens Christoffersen.Evaluation methods and develo -pment of a new glare prediction model for daylight environments with the use of CCD cameras[J].Energy and Buildings,2006,38: 743-757

[2]Yufan Zhang,Peter Barrett.Influencing occupants’blind-control behaviour in a naturally ventilated office building[J].Building and Environment,2012,54:137-147

[3]Jan Wienold.Dynamic daylight glare evaluation[C].Building Simulation 2009,2009

[4]建筑采光設計標準(GB/T 50033-2001)[S].北京:中國建筑工業出版社,2001

Ana lys is on the Sha ding De m a nd of a n Offic e ba s e d on the Da ylight Gla re Prope rtie s

LI Zheng-rong1,LU Rui-yang1,ZHAO Qun2
1 School of Mechanical Engineering,Tongji University
2 College of Architecture and Urban Planning,Tongji University

This paper simulated the DGP at different testing conditionsin an office in Shanghai.With different window orientation,view direction and window transmissivity the DGP(Daylight Glare Probability)varies notably and the need for shading also changes with time.The characteristic of shading demand is a support to the design of automated shading systems as well as the interior design.

daylight glare,shading demand,DGP(Daylight Glare Probability)

1003-0344（2014）04-029-4

2013-5-13

趙群（1975～），博士，講師；上海市四平路1239號同濟大學建筑城規學院建筑系（200092）；E-mail:zhaoqun@tongji.edu.cn基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目（51208363）