雙層玻璃幕墻設計參數對室內光環境影響的模擬研究

周穎，金鳳云，楊華，劉聯勝，王靜

（河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401）

雙層玻璃幕墻設計參數對室內光環境影響的模擬研究

周穎，金鳳云，楊華，劉聯勝，王靜

（河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401）

雙層玻璃幕墻在現代建筑中應用廣泛，其設計不僅要滿足于富有表現力的建筑外觀，更要充分利用自然采光為室內提供良好的光環境氛圍．本研究針對天津某雙層玻璃幕墻辦公建筑，利用Radiance靜態光環境模擬軟件，模擬計算了幕墻設計的一些特性參數（如幕墻朝向、內幕墻窗墻比、玻璃透光比、內幕墻窗戶外形、內幕墻窗臺高度和空氣夾層寬度等）對建筑室內光環境的影響，通過分析建筑室內照度及照度均勻度的變化規律得到了合理的幕墻設計參數，以利于建筑充分利用自然采光，提高室內照度水平，降低人工照明能耗．

光環境；雙層玻璃幕墻；辦公建筑；設計參數；靜態模擬

0 引言

自然光是潔凈能源，充足的自然光能夠改善室內空間的光環境，提高人員的工作效率，降低照明與空調能耗．建筑物天然采光的影響因素很多，其中窗作為建筑自然采光的唯一途徑，其設計參數的重要性不言而喻．隨著建筑技術的發展，雙層玻璃幕墻[1]在國內外建筑上得到大面積應用，為室內自然采光創造了先天的優勢條件．前人對于玻璃幕墻建筑室內光環境的研究重點多放在照明能耗分析與幕墻材料帶來的室內外光環境污染等問題上[2-4]，而幕墻設計的特性參數（諸如幕墻朝向、內幕墻窗墻比、玻璃透光比、內幕墻窗戶外形、內幕墻窗臺高度和空氣夾層寬度等）對室內光環境的影響尚缺乏深入的研究．同時，隨著計算機技術的迅速發展，Radiance等[5-7]一系列光環境模擬軟件因其成本低、周期短和準確性高，而日益受到人們的重視．鑒于以上背景，本文試圖針對上述幕墻設計特性參數對室內照度及照度均勻度的影響進行模擬分析，以期得到合理的幕墻設計參數，為之后幕墻的設計與優化提供科學依據和參考．

1 物理模型的建立

本研究以天津市某雙層玻璃幕墻辦公建筑為例，應用Radiance靜態光環境模擬軟件進行模擬計算分析．該建筑共4層，南側大部分房間的外圍護結構均采用整體式雙層玻璃幕墻，其建筑外觀圖如圖1所示．雙層玻璃幕墻空氣夾層寬度為800mm，具體物性參數見表1所示．

表1 雙層玻璃幕墻物性參數Tab.1 The physical parameters of double-skin facade

選取南向1層有雙層玻璃幕墻的房間為模擬房間．該房間尺寸為7.9m×7.6m×4.2m（長×寬×高），只有一面外墻即雙層玻璃幕墻，房間結構如圖2所示．該房間內幕墻窗墻比為0.48，窗下沿距地面為800mm．根據辦公建筑的特點，室內假定工作面高度為800mm．

圖1 雙層玻璃幕墻辦公建筑外觀圖Fig.1 Theappearanceofdouble-skinfacadeofficebuilding

圖2 模擬房間室內平面圖Fig.2 Theplanviewofsimulatedroom

雙層玻璃幕墻建筑室內光環境受到內、外幕墻設計參數的影響，本文將模擬當改變這些參數時，建筑室內照度及照度均勻度的變化，從光環境角度對室內平均照度和照度均勻度2個方面進行分析，提出合理的幕墻設計參數．進行模擬時選取全年中的典型日，典型日工作時間為8:00～17:00，每1h模擬1次．

2 模擬計算結果與分析

2.1 幕墻朝向對室內照度的影響

計算模型內幕墻窗墻比為0.48，內幕墻外形（寬×高×窗個數）：3.65m×2.2m×2．選取全年中的夏至日、春分日和冬至日3個典型日進行模擬，天空模型選擇晴天CIE標準模型（陰天工況由于沒有太陽直射光的影響，不同朝向室內照度均相同，在此不做贅述）．夏至日、春分日和冬至日晴天工況不同幕墻朝向室內平均照度對比，如圖3、圖4和圖5所示．

從圖3、圖4與圖5中可知晴天工況幕墻朝向不同，室內照度有很大的差別，即晴天工況幕墻朝向是影響室內照度的主要因素．根據《建筑采光設計標準》辦公室室內采光標準值為450 lux，低于此值時需開啟人工照明設備．夏至日晴天工況，由圖3可知，全天工作時間8: 00～17:00內幕墻朝向為南向時有20%的時間室內照度高于450lux，幕墻朝向為北向、東向、西向分別有0%、40%、40%的時間室內照度高于450lux；春分日晴天工況，由圖4可知，幕墻朝向為南向、北向、東向、西向時分別有70%、0%、40%、40%的時間室內照度高于450lux；冬至日晴天工況，由圖5可知，幕墻朝向為南向、北向、東向、西向時分別有70%、0%、20%、20%的時間室內照度高于450 lux．綜上所述，以南向幕墻自然采光為最優，能夠有效節約照明能耗，同時為室內提供良好的光環境．

圖3 夏至日不同幕墻朝向室內平均照度圖Fig.3 Theaverageindoorilluminationofdifferent curtainwallorientationinsummersolstice

2.2 內幕墻窗墻比對室內照度及照度均勻度的影響

圖4 春分日不同幕墻朝向室內平均照度圖Fig.4 Theaverageindoorilluminationofdifferent curtainwallorientationinvernalequinox

圖5 冬至日不同幕墻朝向室內平均照度圖Fig.5 Theaverageindoorilluminationofdifferentcurtainwallorientationinwinter solstice

窗口的大小直接影響室內自然采光，選取5種不同窗墻比進行比較，具體窗墻比和窗戶外形（寬×高）見表2（窗戶寬高比均設為2）．計算模型窗臺高度為800mm，幕墻朝向為南向，在夏至日晴天工況這一典型日典型工況進行模擬．

表2 不同內幕墻窗墻比Tab.2 The different w indow-wall ratio of inner curtain w all

通過模擬得到不同窗墻比室內平均照度及照度均勻度，如圖6、圖7所示．選取時刻9:00不同窗墻比時室內照度分布圖，如圖8所示．

由圖6可知，內幕墻窗墻比不同，室內照度變化規律基本相同，但照度值差別較大．隨著窗墻比的增大，室內平均照度在不斷增大，但增大幅度隨著窗墻比的增大逐漸降低．由圖7可知，隨著窗墻比的增大，室內照度均勻度在不斷的增大，但是增大幅度也在不斷減小．由圖8容易看出，相同時刻，隨著窗墻比的增大，室內照度及照度均勻度均在不斷增大．隨著距幕墻距離的增加，不同窗墻比的室內照度均逐漸減小，但窗墻比越大，近窗處的照度越大，室內照度減小速度及幅度越大，室內照度相差懸殊，容易引起人員視覺疲勞．綜合以上因素分析，窗墻比為0.54時，室內照度及照度均勻度最為適宜．

圖6 不同窗墻比平均照度對比圖Fig.6 Theaverageilluminationof differentwindow-wallratio

圖7 不同窗墻比照度均勻度對比圖Fig.7 Theilluminationuniformityof differentwindow-wallratio

圖8 時刻9:00不同窗墻比室內照度分布圖Fig.8 Theindoorilluminationdistributionofdifferentwindow-wallratioat9:00o'clock

2.3 幕墻玻璃透光率對室內照度及照度均勻度的影響

對于雙層玻璃幕墻建筑，內、外幕墻玻璃透光率均影響室內光環境，以內幕墻為例，分析玻璃透光率對室內照度及照度均勻度的影響．計算模型窗墻比為0.48，內幕墻外形（寬×高×窗個數）：3.65m×2.2m×2，窗臺高度為800m，幕墻朝向為南向．外幕墻透光率保持不變，在夏至日晴天工況這一典型日典型工況對內幕墻玻璃透光率分別為43%、53%、63%、73%時進行模擬．經過數據處理，得到不同玻璃透光率室內平均照度及照度均勻度對比圖，如圖9、圖10所示．選取時刻9:00不同玻璃透光率時室內照度分布圖，如圖11所示．

由圖9可知，玻璃透光率不同，室內照度變化規律相同，但照度值差別較大．隨著玻璃透光率的增大，室內平均照度在不斷增大，且增大幅度幾乎相同．內幕墻玻璃透光率每增大10%，室內平均照度約增大50lux．由圖10可知，內幕墻玻璃透光率不同，室內照度均勻度存在差別．隨著玻璃透光率的增大，室內照度均勻度呈現先增大后減小的趨勢，當透光率為53%時，室內照度均勻度最大．由圖11可知，同一時刻，室內照度分布存在較大差別．隨著玻璃透光率的增大，室內近窗處的照度值明顯增強，但室內照度均勻度卻有所降低，玻璃透光率53%時，室內照度均勻度最好．綜合2種因素，同時考慮到過高的玻璃透光率會增加室內空調冷負荷，不利于建筑節能，因此，針對本研究對象，選取透光率63%的玻璃最相宜．

圖9 不同玻璃透光率平均照度對比圖Fig.9 Theaverageilluminationof differentlighttransmittanceofglass

圖10 不同玻璃透光率照度均勻度對比圖Fig.10 Theilluminationuniformityof differentlighttransmittanceofglass

2.4 內幕墻窗口形狀對室內照度及照度均勻度的影響

圖11 時刻9:00不同玻璃透光率室內照度分布圖Fig.11 Theindoorilluminationdistributionofdifferentlighttransmittanceofglassat9:00o'clock

對于僅有側面采光的建筑物，不同的窗口形狀（扁長或細高）對室內照度的分布必然存在影響．計算模型內幕墻窗墻比為0.51，窗面積為16.8 m2，窗臺高度為800 mm，幕墻朝向為南向，選擇夏至日CIE晴天模型進行模擬．選取4種內幕墻窗戶形狀進行分析，窗戶均處于內幕墻中間位置，具體窗戶形狀（寬×高）見表3．得到不同內幕墻窗戶外形室內平均照度及照度均勻度對比圖，如圖12、圖13所示．選取時刻9:00不同窗戶外形室內照度分布圖，如圖14所示．

表3 內幕墻窗戶外形（寬×高）Tab.3 The w indow shape of inner curtain w all(w idth×height)

由圖12可知，內幕墻外形不同，室內照度不同，尤其是正午12:00左右更加明顯．11:00之前和14:00之后，內幕墻寬高比為2.1時室內平均照度最大．11:00～14:00之間由于太陽高度角較大，入射到室內的照度集中在近窗處，因此窗戶寬度加大時室內照度較高，即隨著窗戶寬高比的減小，室內照度降低較明顯．由圖13可知，隨著寬高比的降低，照度均勻度逐漸增大，當寬高比低于2.1時，照度均勻度降低．由圖14可知，上午9時同一時刻，內幕墻外形不同，室內平均照度相差無多，但是寬高比過小，直接影響室內照度分布，尤其是近窗墻角處照度值明顯降低，易使人產生視覺上的不適．綜上，內幕墻窗戶外形為6 m×2.8 m即寬高比為2.1時，室內照度及照度均勻度為最適宜．

2.5 其他幕墻特性參數對室內照度及照度均勻度的影響

圖12 不同窗戶外形平均照度對比圖Fig.12 Theaverageilluminationof differentwindowshape

圖13 不同窗戶外形照度均勻度對比圖Fig.13 Theilluminationuniformityof differentwindowshape

圖14 時刻9:00不同窗戶外形室內照度分布圖Fig.14 Theindoorilluminationdistributionofdifferentwindowshapeat9:00o'clock

對于雙層玻璃幕墻建筑，內幕墻窗戶窗臺位置的高低及內外幕墻之間空氣夾層的寬度對室內光環境必然存在一定的影響，筆者對其也做了模擬分析，但相較于前4個特性參數影響程度而言比較微弱，在此只做結果表述：隨著窗臺高度的增加，室內平均照度及照度均勻度變化差值都較小，室內照度先提高后降低，室內照度均勻度在不斷提高；幕墻空氣夾層寬度對建筑室內照度幾乎無影響，但對室內照度均勻度存在一定的影響．隨著幕墻夾層寬度的增大，室內照度均勻度先增大后降低．

3 結論

本研究中，通過對天津市某雙層玻璃幕墻辦公建筑幕墻相關特性參數進行模擬計算，得出以下結論：

1）幕墻朝向在晴天時對室內照度影響較大，尤其是冬季，工作時間段內幕墻朝向為南時室內平均照度最大，其中高于450lux的時間較北向多出70%，較東、西向多出50%．

2）隨著內幕墻窗墻比的增大，室內平均照度及照度均勻度均有明顯的提高，但綜合室內照度分布及能耗影響，針對本研究對象，0.54的窗墻比為最佳選擇．

3）玻璃透光率不同，室內照度值差別較大，照度均勻度也存在差別．針對本研究對象，透光率63%的玻璃最相宜．

4）隨著窗戶寬高比的減小，室內照度及照度均勻度均增大后減?。槍Ρ狙芯繉ο?，窗戶寬高比為2.1左右時室內照度及照度均勻度均在適宜范圍．

[1]李保峰．“雙層皮”幕墻類型分析及應用展望[J]．建筑學報，2001，48（11）：28-31．

[2]羅濤．玻璃幕墻建筑的室內外天然光環境研究[D]．北京：清華大學，2005．

[3]陳紅兵．辦公建筑的天然采光與能耗分析[D]．天津：天津大學，2004．

[4]杜峰，孟慶林．玻璃幕墻建筑的室內光污染和熱環境研究[J]．建筑科學，2011，27（2）：61-65．

[5]尤偉，吳蔚．淺探運用Radiance模擬天然采光[J]．照明工程學報，2008，19（1）：25-32．

[6]云朋．建筑光環境模擬[M]．北京：中國建筑工業出版社，2010：74-75．

[7]羅濤，燕達．天然光光環境模擬軟件的對比研究[J]．建筑科學，2011，27（10）：1-6．

[責任編輯 田豐]

Studyontheimpactofdouble-skinfacade'sdesignparameters onindoordaylightenvironment

ZHOUYing，JINFengyun，YANGHua，LIULiansheng，WANGJing

(SchoolofEnergyandEnvironmentEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin 300401,China)

Double-skinfacadeiswidelyappliedinmodernarchitecture,anditsdesignshouldnotonlymaketheexteriorofthebuildingexpressivelybeautiful,butalsodevote toprovidinggoodnaturallighting fortheambianceofinteriorlightbyfulluseofnaturallighting.AimingatanofficebuildinginTianjin,thisstudysimulated theeffectsofsome characteristicparameters of double-skinfacade(suchas thecurtainwallorientation,window-wallratio ofinnerwalls,lighttransmittanceof glass,windowappearanceofinner wall,sillheightofinnerwallandwidthofair-inter-layer)onindoorlightenvironment,usingRadiancestaticlightenvironmentsimulationsoftware.Somereasonablycurtainwall designparametershavebeenobtainedthroughtheanalysisofthevariationofindoorilluminationandilluminationuniformityinordertofacilitatethebuildingfulluseofnaturallighting, toimprovetheindoorilluminationlevelsandtoreduceartificiallightingenergyconsumption.

lightenvironment;double-skinfacade;officebuilding;designparameters;staticsimulation

TU 228；TU113

A

1007-2373(2015)06-0052-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.010

2015-05-11

河北省自然科學基金（E2015202243）；河北省科技計劃項目（13226604D-4）；天津市科技支撐計劃（14ZCDZGX00821）

周穎（1992-），女（漢族），碩士生．通訊作者：楊華（1970-），女（漢族），教授，y8h8@163.com．

數字出版日期：2015-11-18數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151118.1051.008.html