基于全年動態光環境模擬條件的典型閱覽空間參數設計研究

項路遙，倪蔚超，吳恩融

(1.香港中文大學 建筑學院，香港特別行政區 999077; 2.華南理工大學 建筑學院，廣東 廣洲 510000)

?

基于全年動態光環境模擬條件的典型閱覽空間參數設計研究

項路遙1，倪蔚超2，吳恩融1

(1.香港中文大學 建筑學院，香港特別行政區 999077; 2.華南理工大學 建筑學院，廣東 廣洲 510000)

天然光環境是閱覽空間重要的因素，其質量的好壞對閱讀的效率、人眼的健康均有重要的影響。因此在閱覽空間的設計過程中需著重予以考慮。現階段我國實行的《建筑采光設計標準》(GB 50033—2013)以采光系數(DF)作為評價標準，但該系數的局限性已被國內外研究者論證多次。我們結合新的天然采光系數(DA，CDA，UDI)，在全年動態光環境模擬條件下，對典型閱覽空間進行探索。通過控制設計中的參數變量，如閱覽空間的進深、層高、采光形式、開窗方式，發現南向采光進深18 m、層高4.5m時采用水平長條窗能夠有效增加全年閱覽空間中可利用天然光的空間。并且，將窗地比控制在0.12左右，可最大程度地降低UDI<100 lx[50%]與UDI>2 000 lx[50%]的空間占比。

全年動態光環境模擬；UDI；DA；閱覽空間；Daysim；參數；設計；照明；天然光

引言

對于使用者來說，一個優秀的閱覽空間除了擁有豐富的書籍、安靜的閱讀環境外，還必須擁有良好的光環境，既可以降低照明使用能耗，又能創造良好的視覺體驗，緩解在閱讀過程中產生的視覺疲勞，提升閱讀效率[1]。閱覽空間因其獨特的功能屬性，人眼對天然采光有持續的，高質量的需求，因此，在推敲設計方案的過程中，除了排除先從美學角度出發的理念外，相較別的建筑類型，其更需引入更加科學、全面和準確的光環境評價方法與標準，輔助設計[2]。

國外的天然采光研究起步早發展快，從1885年L.Webe提出采光系數(DF)的理論雛形[3]，到1989年光環境模擬軟件Radiance的發布的過程，象征了天然采光由定性研究轉變為科學性更強的定量研究。而在2005年，Nabil和John Mardajevic基于參考平面照度信息提出的動態自然采光評價標準UDI[4-5]，使光環境評價標準與方式出現范式變化。

我國目前的采光標準為《建筑采光設計標準》(GB 50033—2013)中仍以DF來制定[6]。但是DF具有許多缺陷的，如：只有全陰天模擬模型(CIE overcast)；計算結果與建筑朝向無關；僅有水平工作面的照度水平，缺少垂直面的情況。因此，以DF作為主要評價標準的靜態模擬只能評價研究對象光環境的一部分情況，并不全面及準確。相反，動態光環境模擬可以根據全年氣象動態數據模擬計算研究對象全年逐時天然采光照度，對全年光環境做出評價。文獻[7]中介紹了全年動態光環境指標的優點，并對取代DF作為天然光評價指標做了初步研究。

目前對閱覽空間的天然采光研究大部分依然停留在定性分析和案例研究上，在光環境評價中依舊參照傳統的評價指標，還未有從全年動態光環境評價指標入手，對閱覽空間光環境進行定量的研究。因此，本文將以全年動態光環境為模擬條件，結合閱覽空間類型與使用特點，考慮家具的擺放對光環境的影響，通過對進深、層高、采光形式、開窗方式這些設計參數的控制模擬，最終歸納出窗地比與全年動態光環境指標的回歸模型。研究結果對南京地區未來閱覽空間的設計，特別在進深、層高、采光形式與開窗方式等方面有借鑒意義，對于其他地區，亦可沿用同樣的研究思路。

1 典型閱覽空間模型

閱覽空間有不同的管理模式，主要分為三種：開架閱覽室、半開架閱覽室、閉架閱覽室。[8]但從天然采光的角度理解，開架式閱覽室本質上是屬于雙側采光的空間模式。故在本文的模擬中，均以開架式閱覽空間為典型模型。

在尺度方面，閱覽室進深、開間大小、柱網的選擇都對閱覽室的使用效率和天然采光效果有很大的影響。統計已建成落地的閱覽空間，最常見的為7.5 m柱網與4.5 m層高，進深從15 m變化到28.5 m不等，面積一般在300～500 m2之間。根據圖書館設計的經驗來看，在層高設置上，首層5.4 m，2～5層4.5 m是較為常見的選擇。考慮這些實際情況，研究中將典型閱覽空間的層高設置為4.5 m，進深為15 m，面寬為30 m，柱距為7.5 m(見圖1)。

圖1 典型閱覽空間平面布置圖Fig.1 Plan of classical reading room

2 研究方法

2.1 模擬軟件及模擬量化指標選擇

本文將選擇Daysim軟件，使用全年動態光環境DF，DA，UDI指標，對閱覽空間光環境進行更全面的評價。

Daysim運算核心為Radiance，采用Perez全氣象條件天空模型和Radiance的蒙特卡洛采樣和反向的光線追蹤算法。[9]已有大量研究證明了其準確度與有效性[10-14]。為了比較現行的《建筑設計采光標準》中采用的靜態光環境評價指標DF與新引入動態光環境評價指標UDI,DA,CDA，我們將以這四種指標為評價標準，量化光環境質量。DA(Daylight Autonomy)定義為全年工作時段中僅靠天然采光就可達到最低照度要求的時間百分比；CDA(Continuous Daylight Autonomy)在天然采光照度小于標準照度時，使用權衡系數的方式來考慮這種不滿足的程度。UDI(Useful Daylight Illuminance)是照度臨界值，分為<100 lx、100～2 000 lx、>2 000 lx三個臨界區間，分別對應三種情況：照度過低狀況、可利用照度范圍、照度過高狀況(易引起不舒適眩光且會帶來過強的熱輻射)。本研究使用的閱覽空間光環境評價指標如表1所示。

表1 本研究使用的閱覽空間光環境評價指標Table 1 Reading room daylight assessment indicaters used in the study

同時，討論結果時，均采用統一的標準。在每一個評價指標下，統計每一種工況全年中超過一半工作時段滿足要求的空間占整個閱覽空間的比例。[15]如DA450 lx[50%]的意思是，全年超過一半的工作時段滿足全自然采光大于450 lx的空間占整個室內面積的比例。

2.2 建模與參數設置

根據實際調研，多數的閱覽空間可利用天然光時間為8∶00—18∶00。使用動態光環境模擬軟件Daysim模擬不同設計因素條件下典型閱覽空間全年不同工況的室內光環境，對模擬結果以DF/DA/UDI為指標評價，評價不同設計因素對典型閱覽空間室內天然光環境的影響，其中DA最小照度值設置為450 lx。Daysim模擬全局設置及其他基準參數設置如表2所示。

表2 Daysim模擬全局設置及其他基準參數設置表[16]Table 2 Daysim simulation setting

注：a.參照《建筑采光設計標準》(GB 50033—2013)對應光氣候Ⅳ區；b.玻璃以常見12 mm普通白坡為例；c.墻、地面和頂棚分別以常見的白色乳膠漆、淺色塑膠地板和白色礦棉板為例；d.數據參考美國能源部網站http://www.eere.energy.gov/

2.3 模擬工況

朝向對采光的影響已經被許多研究所證實，所以本研究不再對此進行討論。閱覽空間中書架的擺放會對室內光環境分布產生重要的影響，因此研究中將在布置家具的情況下，模擬進深、層高、采光形式與開窗方式四種設計參數對采光的影響。

原典型閱覽空間模型采取7.5 m的柱跨，進深15 m。比對方案選取常見的圖書館柱跨6 m、7.5 m、8.1 m，并按兩跨與三跨設置模擬模型進深。

層高對采光的影響主要體現在凈高上，通過對圖書館閱覽空間層高與凈高的統計，大部分閱覽空間在吊頂高度加結構高度可達1.3 m。

本文研究的采光形式主要為在圖書館閱覽空間普遍使用的側窗采光，分為單側窗和南北雙側窗采光。

在南向采光基礎上，補充在層高、進深和采光形式一致的情況下僅改變開窗大小與開窗方式來改變窗地面積比所帶來的全年天然光指標變化數據，對比這些數據，研究窗地面積比對室內天然光環境的影響，見表3。

綜上，本文研究共涉及16種工況。

3 模擬結果與討論

3.1 模擬結果

模擬結果顯示，同樣的工況下，傳統DF采光評價指標與動態光環境評價指標差別較大。采光空間分布特征上，DF與DA,CDA的走勢相同，有效采光范圍則與之相反。

舉例來說，工況2_D中，若簡單以DF為評價標準，越遠離采光窗戶的閱覽區域光環境越不佳(見表4)。UDI指標的趨勢則與之相反，近窗處僅有20%～30%的時間處在有效采光范圍內，這是因為在沒有遮陽措施的情況下，閱覽空間外圍的照度值過高，隨著空間遠離采光窗戶，有效采光時間百分比增高。這與平時使用空間的感知是相似的。同樣，在工況3_D中，當閱覽空間采用南北雙側采光模式時，DF在近窗處評價結果較好。而UDI評價體系中兩側近窗處滿足有效采光的時間不足20%，閱覽空間中部區域滿足有效采光時間高達90%。

統計所有工況下，全年過程中，滿足DA450 lx，CDA450 lx，DAmax450 lx以及UDI<100 lx，100 lx2 000 lx的時間大于50%的區域面積占整個空間面積的比例，如圖2所示。

表3 模擬工況設置Table 3 Simulation condition setting

表4 舉例工況偽色圖及不同指標之間比較Table 4 Comparison between different indicators of the example conditions

在進深組中，可以發現，隨著進深增加：DA450 lx[50%]的差別不大，空間內有50%左右的面積滿足條件；同樣的情況發生在UDI100～2 000 lx[50%]，面積比最大的為進深18 m的工況1_D，最小的為進深12 m的工況1_A,但是差距并不大，均在58%～65%之間。因此對于南向采光情況，僅考慮可利用天然光時數，4.5 m層高18 m的工況1_D表現最佳。

圖2 不同工況下不同采光評價標準的對比Fig.2 Comparison between different daylight indicators

在層高組中，有效天然采光時間大于50%的面積比最大的是工況2_A(層高4.2 m)，為63%。然而若僅觀察DA以及CDA指標，表現最優的為工況2_D(層高5.4 m)，工況2_A表現較差。綜合比較，工況2_B(層高4.5 m)和2_C(層高4.8

m)在所有指標評價下都較為理想。

采光組工況3_C單側采光效果不如其他雙側采光工況。在雙側采光中，雖然3_D在DA以及CDA評價下，面積比較高，但是其有效采光范圍比較小。綜合考慮，3_E為該組中表現最佳的工況。

在開窗方式組中，無論從DA、CDA還是UDI角度評價，工況4_D均是較優的選擇，有效天然采光時間大于50%的面積比為65%。

綜上所述，南側單向采光，設置18 m進深最為合適，此時，窗地面積比達到0.128；南北向同時采光時，首先應注意南向設置有效遮陽措施，設置22.5 m進深時可以最大程度增加室內有效天然采光的范圍，此時，窗地面積比達到0.204。不同層高工況，在南向單側采光時，全年可利用天然光時間相差不大，其中層高4.8 m時有效天然采光范圍最大。若設計中層高超過5.4 m時，此時近窗處照度容易過高，必須在近窗處設置遮陽措施。水平長條窗相比垂直條窗更能有效提高UDI水平。

3.2 設計參數與評價指標的回歸分析

在以上研究中，模擬了進深、層高、采光形式和開窗方式的不同工況改變的室內全年光環境，提取模擬數據中窗地面積比的信息，研究窗地面積比與閱覽空間全年光環境評價標準的關系。已知窗地面積比與DF是存在一定線性關系的，另外選擇DA450lx[50%]和UDI[50%]作為研究對象，前者代表了全年天然采光達到標準要求時間超過一半的面積比；后者代表了全年可利用天然光時間超過一半的面積比，都具有一定的實際使用意義。

使用回歸分析方法，將窗地面積比分別與DF/DA450lx[50%]/CDA450lx[50%]做回歸分析得出如表5所示。

表5 窗地面積比與DF/DA450lx[50%]/CDA450lx[50%]的線性回歸分析Table 5 Linear Regression analysis between window area ratio and DF/DA450lx[50%]/CDA450lx[50%]

從線性分析可以看出，窗地比與DF/DA450lx[50%]/CDA450lx[50%]均呈現顯著線性相關，擬合指數都大于0.7。得出窗地比與DF的相關性在一定程度上說明上文模擬結果的準確性。根據窗地比與DF的線性回歸公式y=0.284 9x+0.003 2，可推出在本次模擬工況中，窗地比大于0.094時,DF>3%(閱覽室最低要求)，同理推出，當窗地比大于0.136，DA450 lx[50%]>50%。

再將窗地面積比與有效采光區間UDI[50%]做回歸分析如圖3所示。

圖3 窗地面積比與UDI[50%]回歸分析(一)Fig.3 Regression analysis between windowarea ratio and UDI [50%](Ⅰ)

在三個區間中，窗地比與UDI<100lx[50%]，UDI>2 000lx[50%]都有較高的擬合關系。本文中的工況均是在滿足閱覽空間的使用合理性、經濟性的前提下提出的，根據所有模擬工況的結果得到的擬合公式推測，當閱覽空間窗地比為0.27時，UDI>2 000lx[50%]將達到最大值；當閱覽空間窗地比為0.24時，UDI<100lx[50%]達到最小值。然而，UDI100～2 000lx[50%]與窗地比的擬合關系并不顯著。

圖4 窗地面積比與UDI[50%]回歸分析(二)Fig.4 Regression analysis between window area ratio and UDI [50%](Ⅱ)

因此，從最小化采光不足區域與避免出現過多照度過高無法正常閱讀區域的角度出發，將閱覽空間的窗地面積比控制在0.21左右，能夠減少非有效采光面積比，充分利用閱覽空間，優化閱讀質量，如圖4所示。

4 結論

本文基于設計經驗、空間使用合理性及經濟性，提出典型閱覽空間研究模型，并在此基礎上變換產生16種工況。這些工況中涉及進深、層高、采光形式和開窗方式設計參數的變化。使用Daysim進行了模擬實驗，模擬中以南京地區氣候為氣象數據背景。并在傳統采光系數評價指標上引入了動態光環境評價指標DA，CDA與UDI，更加科學、全面地提出了閱覽空間的設計建議。在模擬過程中，對比了相同工況下靜態光環境評價指標采光系數DF與動態光環境評價指標DA,CDA,UDI，發現在滿足最低采光系數DF標準的情況下，實際全年可利用天然采光UDI時長有時并不理想。因此，在評價閱覽空間的天然光環境時，使用動態光環境指標代替傳統DF有其必要性。

窗地面積比作為一個空間天然采光水平的重要指標，與DF/DA/CDA呈現了較強的線性關系。針對UDI指標，雖然在其定義的有效采光范圍100 lx～2 000 lx內尚未找到窗地比與其的顯著性關系，但是在小于100 lx與大于2 000 lx的區間內，發現窗地比與其均有顯著的二次函數關系，且曲線擬合效果較好。在符合閱覽空間使用合理性與設計經驗的前提下，若從減少不利于閱讀的采光范圍角度出發，建議將窗地比設置在0.21左右，可以最大程度地減少無效采光空間的占比，從而提高閱覽空間整體的使用效率。

[1] 綠色建筑評價標準：GB/T 50378—2014[S].北京：中國建筑工業出版社,2014.

[2] DEAN Edward M, AIA. Daylighting Design in Libraries. Libris Design Project [http://www.librisdesign.org/], supported by the U.S. Institute of Museum and Library Services under the provisions of the Library Services and Technology Act, administered in California by the State Librarian.

[3] WSLSH J W T. The Early Years of Illuminating Engineering in Great Britain[J]. Transactions of the Illuminating Engineering Society, 1951(3):49-60.

[4] NABIL A， MARDAJEVIC J．Useful daylight illuminance: A new paradigm for assessing daylight in buildings[J] .Lighting Research and Technology，2005.

[5] NABIL A，MARDAJEVIC J. Useful daylight illuminance: A replacement for day light factors[J].Energy and buildings, 2006,38(7):905-913.

[6] 建筑采光設計標準：GB 50033—2013[S].北京：中國建筑工業出版社,2013.

[7] 吳蔚,劉坤鵬. 淺析可取代采光系數的新天然采光評價參數[J]. 照明工程學報,2012,23(2):1-7.

[8] 鮑家聲.現代圖書館建筑設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[9] http://daysim.ning.com/.

[10] MARDALJEVIC J. Validation of a lighting simulation program under real sky accuracy condition. Lighting Research & Technology, 1995.

[11] REINHART Christoph F.The daylighting dashboard-A simulation-based design analysis for daylit spaces[J].Building and Environment, 2011, 46(2)：386-396.

[12] 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.

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

[14] 劉昆明. 全年動態模擬軟件DAYSIM在天然采光設計中的適用性研究[D].南京：南京大學,2011.

[15] BIAN Yu, MA Yuan. Analysis of daylight metrics of side-lit room in Canton, south China: A comparison between daylight autonomy and daylight factor. Energy and Buildings, 2017.

[16] 美國能源部氣候參數數據.http://www.eere.energy.gov/buildings/energyplus /weatherdate.html．

本刊聲明

為適應我國信息化建設，擴大本刊及作者知識信息交流渠道，本刊已被俄羅斯《文摘雜志》(AJ, VINITI)，《萬方數據庫》、《中國學術期刊網絡出版總庫》及CNKI系列數據庫、《中文科技期刊數據庫》、《中國學術期刊文摘數據庫》、中國郵政中郵閱讀網、超星數字圖書館等多家機構收錄，其作者著作權使用費與本刊稿酬一次性給付。免費提供作者文章引用統計分析資料。若作者不同意文章被收錄，請在來稿時向本刊聲明，本刊將做適當處理。

The Parameter Design Study of Typical Reading Space Based on Dynamic Annual Daylight Simulation

XIAN Luyao1, NI Weichao2, WU Enrong1

(1.School of Architecture, The Chinese University of Hongkong, Hongkong 999077, China;2.School of Architecture, South China University of Technology, Guangzhou 510000, China)

Daylighting is an important factor for the reading space. It relates to the reading efficiency and eyesight. Therefore it should be highlighted in the process of reading space design. Now China take Daylight Factor(DF) as standard of assessment, but its drawbacks have been demonstrated many times by foreign researchers. The study will take Daylight Autonomy, Continuous Daylight Autonomy and Useful Daylight Illuminance as assessment standard to explore the reading space. Through controlling the parameters, with a reading space of 18 meters in depth, 4.5 meters in height, and using combination of horizon clerestory and vertical windows, this study finds that it will perform better on enhancing UDI.

dynamic annual daylight simulation; UDI; DA; reading space; Daysim; parameter; design; lighting; daylight

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.005