大反射鏡照明設計研究

倪強　吳一新　陳亮　杜罡　劉楊　石巖

摘 要：自然光照明系統這一節能、環保的照明方式已在不斷發展中引起越來越多的關注。本文研究了采用反射鏡照明系統對某筒倉建筑進行自然光導入的設計。設計采用中庭采光系統和反射鏡照明系統相結合的方式，用DIAlux照明軟件模擬筒倉照明并計算十二個不同的仿真模型導出照度報表。對比分析可知理想情況下，反射鏡正對太陽入射光時可得到最佳日照效果，即反射板與正北方向夾角等于太陽方位角時，可獲得較大的照度。在一天中可使反射板的朝向由東——南——西勻速變化，以保證反射鏡基本正對太陽光，獲得最佳日照效果。

關鍵詞：自然光導入；反射鏡照明；DIAlux軟件； 太陽方位角；日照效果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.262

0 引言

長期以來，對于樓層高、進深寬的大型建筑，如廠房、倉庫，窗戶少而且大部分區域離窗和屋頂較遠，采光基本都靠人工照明來完成。自然光是取之不盡、用之不竭的綠色能源，利用自然光進行室內照明，對商業建筑節能具有重要意義[1]。自然采光不僅可以節省照明用電，還可以減少室內的熱增益，降低制冷設備的運行費用。

自然采光就是陽光通過直射、反射、折射等方式引入建筑內部，并將其按一定方式分配，以提供比人工光源更理想或者補償性的照明。自然采光不但可以減少照明用電，還可以營造一個動態的室內環境，改變光的強度、顏色和視覺，形成比人工照明系統更為健康和適宜的工作環境[2]。但是如果設計或者控制不當，會影響視覺效果，產生不舒適感，甚至會增加建筑能源消耗。因此，最可行的方法是將自然采光與人工照明相結合， 最大限度地利用天然光，并根據不同空間自然光的照度來補償照明，從而形成良好的照明環境，并且具有非常顯著的節能效果。

1 反射鏡照明與采光方案

提高反射面的反射率是解決間接照明效率低下問題的一個有效途徑。普通建筑材料即使是純白色，其反射率最高也只能達到70%～80%，并且反射光的方向和配光無法控制，很大一部分光照向不需要照明的空間，造成許多浪費，于是反射鏡系統應運而生[3-5]。

采光方案。根據筒倉實際和設計原則，擬結合中庭采光系統和反射鏡照明系統進行自然光的導入。在中心筒倉頂部架設可調節角度可旋轉的反射板，同時將中間筒倉作為陽光中庭，筒倉內壁涂上高反射率材料，并在筒倉壁開孔連通兩側筒倉。當直射陽光以及經過反射的陽光進入中心筒倉，一部分自然光經筒倉內壁多次反射至筒倉底部，另一部分自然光通過開孔處的反射板導入到兩側筒倉。

由于太陽的直射角度在一天中是不斷變化的，反射板的角度也需要隨之調整，以獲取更多自然光。用DIAlux照明軟件模擬筒倉照明空間，選取一個平面高度如1m作為工作面，改變反射板的角度參數，可以計算出各種情況下工作面的平均照度、最小照度和最大照度等數值，生成照度報表，并且模擬出空間照明的3D效果圖和偽色圖。對比照明效果，即可確定出比較理想的角度參數，最大限度地利用天然光，給人工補償照明以準確參考，從而形成良好的照明環境，并且達到環保節能的效果。

2 模型的建立與計算

筒倉建筑平面近似矩形，東西向總長124.2m，南北向總寬37.2m，由30個標準單倉組成，單倉內徑12m，共3排10列。倉壁結構底部標高為10.8m，倉頂標高為39.3m，倉頂有一單層房屋，屋面標高48m。如圖1所示。

使用DIALux4.12軟件建立筒倉及反射系統模型。由于筒倉尺寸較大軟件計算過程緩慢，且每排筒倉結構和反射系統都完全相同，在照度模擬中以一列筒倉為例進行仿真計算。建立坐標為Y取55°、Z取0°的情況，其中Y代表反射板與水平面的夾角，Z代表反射板的投影與正北方向的夾角。即反射板與水平面的夾角為55°，反射板與正北方向夾角0°，也就是反射面朝向正南方。在軟件中設置地理位置和時區，對2015年3月25日10：00進行計算并導出報表，得到3D效果圖如圖2所示。

過對反射板傾斜角度和旋轉角度的調整，以及仿真時間的改變，共計算出2015年3月25日一天中十二個不同的仿真模型并導出照度報表。十二個不同的仿真模型分別為：

（1）10：00 Y45° Z0°

（2）10：00 Y55° Z0

（3）10：00 Y45° Z-135°

（4）10：00 Y55° Z-135°

（5）10：00 Y55° Z45°

（6）10：00 Y55° Z135°

（7）10：00 Y55° Z-45°

（8）08：00 Y55° Z75°

（9）12：00 Y55° Z0°

（10）14：00 Y55° Z-45°

（11）16：00 Y55° Z-75°

（12）18：00 Y55° Z-90°

在Y與Z坐標的調整中，Y代表反射板與水平面的夾角，Z代表反射板的投影與正北方向的夾角，即反射板的旋轉角度。

通過太陽角度在線計算器可計算得到某一地點某一時刻的太陽高度角與太陽方位角：上海約東經121°、北緯31°，平均海拔4米，東8時區，計算2015年3月25日不同時刻的太陽高度角與太陽方位角。如圖3.10所示為8：00的角度計算，所得太陽高度角為26.28°，太陽方位角為74.91°。

零方位角默認為南，太陽方位角即與正南方向的夾角。選擇2015年3月25日的六個時間點8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00進行太陽角度計算，所得數據如表1所示。

對表1中數據進行擬合，得到曲線如圖3所示。

從圖3中可看出一天中從8：00到18：00，太陽高度角的變化是一條曲線，正午達到最大；太陽方位角則接近于線性變化，中午位于正南方向。太陽方位角和太陽高度角的計算，將對反射板的旋轉角度和傾斜角度的調整起到至關重要的作用。

3 設計結果

通過對反射板傾斜角度和旋轉角度的調整，以及仿真時間的改變，共計算了十二個不同的仿真模型并導出照度報表。對報表數據進行歸納和對比，可分析出如何控制反射板以獲得較好的日照效果。

在Y與Z坐標的調整中，Y代表反射板與水平面的夾角，Z代表反射板的投影與正北方向的夾角，即反射板的旋轉角度。

在Z為0°時Y為55°比45°有明顯優勢，筒倉底部和室內1、室內2、室內3的照度均高于45°的情況。在Z為-135°時，筒倉底部照度在Y為45°時稍有優勢，但室內1、室內2、室內3的效果均是55°更好。綜上分析，再考慮太陽高度角的變化，Y為55°有更好的日照效果。因此，Y選擇為55°，即反射板與水平面的夾角為55°。

Z在45°時整體采光效果優于其他，并得到一個結論：理想情況下，反射鏡正對太陽入射光時可得到最佳日照效果。在本模型中，即Z的角度取值與太陽方位角數值相近時，可獲得較高的照度。

一天內的太陽方位角變化基本呈線性，因此在一天中從6：00到18：00（或者從7：00到17：00），可使Z從90°到-90°勻速變化，即反射板的朝向由東——東南——南——西南——西變化，也即反射板在中心筒倉的頂部由西——北——東進行旋轉，以保證反射鏡基本正對太陽入射光，獲得最佳日照效果。

如果將筒倉改造為辦公建筑，辦公室要求工作面平均照度達到150lx，對照各時間點室內1、室內2、室內3的照度情況，兩側筒倉各個照明空間均需進行人工補償照明，可根據自然光的照度分布情況如等值線或數值圖表來設計燈具的排列，并根據不同時間自然光照度的變化來調節燈光照度。

如果將筒倉改造成餐廳或者娛樂場所，則在晴天從早上8點到下午16點自然光基本可以滿足照度要求。

4 結論

本文通過軟件模擬，通過變換預設條件對導出的照度報表進行歸納整理，通過不同情況下的照度對比和太陽角度分析，可知理想情況下，反射鏡正對太陽入射光時可得到最佳日照效果，即反射板與正北方向夾角等于太陽方位角時，可獲得較大的照度。

參考文獻：

[1]王愛英，沈天行.天津大學建筑學院300072.天然光照明新技術探討[J].燈與照明，2002（26）：1-3.

[2]黃杰.自然光在專業照明領域的應用[C].//中國照明論壇——綠色照明與照明節能科技研討會專題報告文集，2008.

[3]夏斐.發達國家建筑采光方法和節能設計[J].電力需求側管理，2010，12（01）.

[4]林國成.自然光導入照明系統[J].現代建筑電氣，2013，4（02）：30-36.

[5]郭保振.自然采光控制策略研究與節能分析[D].山東大學，2008.