數(shù)值模擬在工業(yè)建筑采光優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究★

李 偉 那艷玲

(1.天津城建大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300384； 2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

數(shù)值模擬在工業(yè)建筑采光優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究★

李 偉1那艷玲2

(1.天津城建大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300384； 2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，以天津郊區(qū)某工業(yè)廠房車間的天然采光為例，對(duì)該車間室內(nèi)天然采光的初始設(shè)計(jì)方案與不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，并以天然光照度主要指標(biāo)進(jìn)行了比對(duì)分析。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案與初始設(shè)計(jì)方案相比，不但天然光照度優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)頂部采光口面積減小了83.33%，提高采光效率的同時(shí)大大降低了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量。

工業(yè)建筑，采光優(yōu)化，數(shù)值模擬

1 概述

隨著綠色建筑理念的普及與發(fā)展，具有節(jié)能與舒適雙重作用的天然采光設(shè)計(jì)越來越受到重視。尤其對(duì)于工業(yè)建筑來說，其工作對(duì)象的加工精度往往較高，天然采光環(huán)境對(duì)生產(chǎn)效率具有重要影響，良好的天然采光環(huán)境十分有利于工作人員的視覺健康與工作效率。

但由于工業(yè)廠房的體量往往較為巨大，建筑師在設(shè)計(jì)采光口時(shí)，很難合理地布置采光口的數(shù)量與位置，使室內(nèi)天然光照度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，往往出現(xiàn)采光口的面積、數(shù)量、位置設(shè)置隨意，導(dǎo)致采光質(zhì)量嚴(yán)重不足或過度采光等不符合采光標(biāo)準(zhǔn)要求的情況。

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)采光設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化，能很好地解決上述問題。該方法具有準(zhǔn)確度較高，方案修改、優(yōu)化簡(jiǎn)便易行等特點(diǎn)，對(duì)建筑采光方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有很好的指導(dǎo)意義。

本文利用建筑性能集成化模擬軟件(IES)對(duì)天津郊區(qū)某工業(yè)廠房的采光設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證與優(yōu)化，并通過對(duì)模擬數(shù)據(jù)的分析，提出了該廠房的最佳采光設(shè)計(jì)方案。

2 采光設(shè)計(jì)方案數(shù)值模擬與優(yōu)化

本文所采用的數(shù)值模擬軟件為IES中的采光分析模塊。采用的分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為GB 50033—2013建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn))。

本文所研究的工業(yè)廠房位于天津郊區(qū)，主要從事精密設(shè)備加工。廠房開間為96.8 m，進(jìn)深為24.4 m，室內(nèi)凈高5.4 m。

2.1 原建筑方案采光效果模擬分析

原建筑方案中采用側(cè)窗進(jìn)行采光。廠房南北立面上共開啟了27個(gè)側(cè)窗采光口，每個(gè)窗戶的面積為8 m2，總采光面積為216 m2。

圖1為原采光方案的數(shù)值模擬結(jié)果。

從圖1中可以看出，當(dāng)僅采用側(cè)窗采光時(shí)，廠房?jī)?nèi)的天然采光評(píng)價(jià)照度值僅為321 lx，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的照度值相差較大(對(duì)于從事精密設(shè)備加工的廠房，當(dāng)采用側(cè)窗采光時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)要求室內(nèi)天然光平均照度值應(yīng)達(dá)到600 lx)，且廠房中部由于距離側(cè)窗較遠(yuǎn)，大部分區(qū)域的照度僅有50 lx左右。

為提高廠房中部區(qū)域的天然光照度，設(shè)計(jì)師對(duì)廠房的采光形式進(jìn)行了進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，增設(shè)了天窗采光，即在廠房的屋頂中部開設(shè)了兩條連續(xù)的矩形天窗，每條天窗的面積為450 m2，總面積900 m2。

從圖2的模擬結(jié)果可以看出，廠房?jī)?nèi)的平均照度值為2 872 lx，均勻度為0.01。按照標(biāo)準(zhǔn)的要求，該類型廠房采用頂部采光時(shí)的室內(nèi)天然光照度值要求達(dá)到450 lx即可，模擬結(jié)果的數(shù)值遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求。這種情況下，不但容易形成眩光，而且大面積的天窗采光也增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱復(fù)合，不利于節(jié)能。

2.2 采光方案優(yōu)化數(shù)值模擬

為避免過度采光，降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷，對(duì)廠房的天窗形式進(jìn)行了優(yōu)化：將原來每條連續(xù)的長(zhǎng)方形天窗分散為10個(gè)獨(dú)立的天窗，每個(gè)天窗的尺寸為2.5 m×3.5 m，面積為7.5 m2。經(jīng)過重新優(yōu)化后，屋頂共設(shè)置了20個(gè)7.5 m2的分散天窗，總的采光面積由原來的900 m2降低為150 m2。新的采光方案的數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3的模擬結(jié)果可知，廠房?jī)?nèi)的天然光照度平均值為1 394 lx，均勻度為0.02。相比于原來兩條連續(xù)的長(zhǎng)方形天窗采光方案，照度值下降了1 478 lx，均勻度則上升了100%。對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，分散式天窗所形成的天然光照度依然能夠滿足要求，同時(shí)采光面積大幅下降至原天窗采光方案的1/6，從而大大降低了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷，是該廠房較為理想的采光方案。

單從天然光照度值來看，總面積為150 m2的分散式天窗所形成的照度依然超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求(450 lx)較多，從數(shù)值上來看依然有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。但經(jīng)過模擬表明，再進(jìn)一步降低采光口面積并進(jìn)行分散式布置，作為主要工作區(qū)域的廠房中部的天然光照度均勻度下降較大，對(duì)工作面的精細(xì)加工要求不利，因此不宜對(duì)采光口的面積進(jìn)行縮減。

3 結(jié)語

工業(yè)廠房由于體量巨大，其采光設(shè)計(jì)相對(duì)較為復(fù)雜，利用數(shù)值模擬進(jìn)行采光優(yōu)化設(shè)計(jì)是較為理想的方法。本文的研究表明，相比于工業(yè)建筑中較為常見的連續(xù)型天窗采光，利用分散式的天窗進(jìn)行采光具有更高的采光效率，以文中的研究對(duì)象為例，分散式天窗采光的面積僅為原連續(xù)型天窗采光的1/6，在照度值滿足國(guó)家要求的前提下，大大降低了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷。

[1] 楊倩苗，高 輝.中庭的天然采光設(shè)計(jì)[J].建筑學(xué)報(bào)，2007(9)：68-70.

[2] 閆 瑋.建筑自然采光與空間組織策略[J].建筑技藝，2009(6)：94-97.

[3] 丁建華，金 虹.老工業(yè)建筑綠色再生[J].新建筑，2012(4)：81-85.

Astudyonthedaylightingsimulationofindustrialbuildings★

LiWei1NaYanling2

(1.SchoolofArchitecture,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China;2.ChinaRailwayDesignCorporation,Tianjin300142,China)

An industrial building located on Tianjin suburb is used as a sample to study the daylighting simulation in this paper. The original daylighting design and optimized design using numerical simulation are compared on daylight illuminance. The results show that the daylight illuminance is higher than national standard while the daylighting opening area reduced 83.33%.

industrial buildings, daylighting optimization, numerical simulation

1009-6825(2017)23-0009-02

2017-06-08★：天津市建交委科技項(xiàng)目：天津綠色工業(yè)建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用(2014-42);本文的研究還得到了天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(15ZCZDSF00080)和天津市科技特派員項(xiàng)目(16JCTPJC52900)的支持，在此表示感謝

李 偉(1975- )，男，教授; 那艷玲(1975- )，女，教授級(jí)高級(jí)工程師

TP319

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