室外地面反射光對建筑低層室內天然光模擬的影響研究

湯 晉 吳 蔚

(南京大學建筑與城市規劃學院，江蘇 南京 210093)

1 概述

天然光是由太陽直射光、天空漫射光和地面反射光形成。在進行室內采光計算時，除地表面被白雪或白沙覆蓋的情況外，一般可不考慮地面反射光影響。然而，Cabus[1]以巴西東北部研究熱帶采光時提出室外地面反射光在有遮陽條件下對室內會產生較大的影響。Tregenza[2]則提出在太陽光直射下，窗戶的照度受到地面和其他建筑物的反射光影響較大。Lam[3]還強調了在夏天以及低緯度地區，利用地面將陽光反射到建筑物中的重要性。然而，室內光環境受氣候和地理環境影響較大，本文以南京氣候條件為對象，研究不同光氣候，以及不同采光口方向條件下，地面反射光對建筑低層室內天然光模擬的影響。

目前市面上可用于天然光模擬軟件有很多，比如Radiance,Velux,DAYSIM,IES,DIVA,Honeybee等等，都是以Radiance為內核，且較能準確模擬室內天然光環境，但每個軟件的優點和適用范圍均有所不同。選擇Honeybee主要有以下幾個原因：1)Honeybee被驗證能較為準確模擬天然光環境[4]。2)本研究室是探討外地坪對室內采光的影響及其有效范圍，需要不斷地調整模型數據，而Honeybee能夠與建模軟件Rhino的參數化模塊Grasshopper之間較好轉換，能夠更加方便快捷地調整模型以及更改數據，有利于模擬實驗地進行。3)Honeybee在采光模擬方面擁有更多的可調參數，更適合本次研究的需求。

2 模擬實驗設計

本文研究地面反射光對建筑低層室內天然光模擬的影響，為了簡化研究，筆者將建立一個理想房間模型，周圍無遮擋物，并在這個房間中選取三個點作為水平照度測點，分別表示近窗處，房間中部以及遠窗處。首先，在全陰天和全晴天兩種光氣候條件下分別模擬常見混凝土地面(反射率為0.2)以及積雪覆蓋地面(反射率為0.8)的室內測點照度值，與無地面反射時的室內測點照度值進行比較，研究不同光氣候條件下地面反射光對建筑低層室內天然光模擬的影響；其次，在南向和北向兩種采光口方向的條件下分別模擬常見混凝土地面(反射率為0.2)時的室內測點照度，與無地面反射時的室內測點照度值進行比較，研究不同采光口方向時地面反射光對建筑低層室內天然光模擬的影響；最后，將面向采光口的地面分割成12個相同寬度的區域，將需模擬的地面區域反射率設為0.2，其他區域反射率設為0，按與采光口由近及遠的距離分別模擬每個地面區域情況下的室內測點照度值，與無地面反射的室內測點照度值的差值，從而分析地面反射光影響建筑低層室內天然光模擬的最有效地面區域。

該房間位于南京市，緯度32°02′N，經度118°46′E，分析時間設定為春分(3月22日)中午，天空模型選擇CIE全陰天天空和CIE全晴天天空兩種模型，氣象文件為CHN_Jiangsu.Nanjing.582380_CSWD，從EnergyPlus官網(https://energyplus.net/weather)下載。

本次試驗將建立一個進深7 m，面寬4.2 m，高3.2 m，南向開窗的理想房間模型，窗戶寬2 m，高1.5 m，窗臺高度0.9 m。室內墻面和天花板的反射系數設定為0.7，地面反射系數設定為0.4，窗戶的透光系數設定為0.8。本次模擬在房間布置三個位于窗戶中線的測點，測點距地面0.75 m，測點1距離采光口1 m，測點2距采光口3.5 m，測點3距采光口6 m，模擬網格設置為0.5 m×0.5 m。模型及平面測點布置圖如圖1，圖2所示。

3 模擬結果分析

3.1 光氣候條件的影響

1)全陰天光氣候條件。

從圖3可以看出在全陰天光氣候條件下，不同室外地面狀況時，室內各測點的照度并未產生變化，由此可以看出地面反射光不會對室內天然光環境產生影響。

2)全晴天光氣候條件。

從圖4可以看出，在全晴天光氣候條件下，不同室外地面狀況時，室內各測點的照度值產生了顯著變化。室外為混凝土地面(反射率為0.2)時，相比于無地面反射，測點1的照度值增加了215 lux，增幅為9%，測點2的照度值增加了127 lux，增幅為29%，測點3的照度值增加了60 lux，增幅為39%。室外為積雪覆蓋地面時(反射率為0.8)，相比于與地面反射，測點1的照度增加了803 lux，增幅為35%，測點2的照度值增加了523 lux，增幅為121%，測點3的照度值增加了244 lux，增幅為160%。由此可見在全晴天光氣候條件下，室外地面反射光對室內中部和遠窗處影響較大，且室外地面反射率越高，影響越大。

全陰天和全晴天光氣候條件區別在于有無太陽直射光的存在，由上述模擬結果可以得出當太陽直射光存在時，室外地面反射光會對建筑低層室內光環境產生影響。因此，本文后續研究將默認在全晴天光氣候條件下進行。

3.2 采光口方向的影響

上文已經得出南向采光時，室外地面反射光對建筑低層室內光環境的影響，因此筆者將采光口調整為北向進行模擬，并將其結果與南向采光時的結果進行比較，其模擬結果如圖5所示。

從圖5可以看出，在北向采光條件下，不同地面狀況時，室內各測點的照度值產生顯著變化。室外為混凝土地面(反射率為0.2)時，相比于無地面反射，測點1的照度值增加了113 lux，增幅為19%，測點2的照度值增加了96 lux，增幅為96%，測點3的照度值增加了54 lux，增幅為122%。室外為積雪覆蓋地面時(反射率為0.8)，相比于與地面反射，測點1的照度增加了404 lux，增幅為69%，測點2的照度值增加了379 lux，增幅為382%，測點3的照度值增加了212 lux，增幅為481%。

將上述模擬結果與南向采光時的結果進行比較可以發現，北向采光時，室外地面反射光會對建筑低層室內天然光環境產生更顯著的影響。在全晴天光氣候條件下，由于北向采光時，室內天然光環境由天空漫射光和地面反射光組成，而南向采光時，室內天然光環境由太陽直射光、天空漫射光和地面反射光組成。因此，北向采光時，室外地面反射光對建筑低層室內天然光模擬產生更顯著的影響。

3.3 地面距采光口遠近的影響

上文已經從不同光氣候條件和采光口方向兩方面定性得分析了室外地面反射光對建筑低層室內天然光模擬的影響，下文將定量的分析地面反射光影響建筑低層室內天然光模擬的最有效地面區域。首先，需要將面向采光口的地面區域進行劃分，將地面劃分成平行于采光口所在立面的12個區域，每個區域的寬度為1 m，地面劃分示意圖如圖6所示。

為了模擬單個地面區域對室內天然光環境的影響，以第1區的模擬為例，將第1區的地面反射率設為0.2，其他區域和地面默認反射率都設為0，再將此次模擬所得到的室內各測點照度值與無地面反射時的室內各測點照度相減，得到室內各測點的照度值的增量，重復上述操作依次得到各個單區域所產生的室內各測點照度值增量，結果以折線圖表示如圖7所示。

1)南向采光。

由圖7可以看出，南向采光時，室內各測點的照度值增量的峰值均出現1 m～2 m的區域，測點1的照度值增量峰值為83 lux，測點2的照度值增量峰值為25 lux，測點3的照度值增量峰值為6 lux。在0 m～5 m的區域內有較大的影響，測點1的累積照度值增量為200 lux，測點2的累積照度值增量為69 lux，測點3的累積照度值增量為23 lux。在9 m之后各測點的照度值增量開始趨向0，可以看出在此次模擬中，地面反射光影響建筑低層室內天然光環境的極限距離約為9 m。

2)北向采光。

由圖8可以看出，北向采光時，室內各測點的照度值增量的峰值均出現2 m～3 m的區域，測點1的照度值增量峰值為36 lux，測點2的照度值增量峰值為21 lux，測點3的照度值增量峰值為5 lux。在1 m～6 m的區域內有較大的影響，測點1的累積照度值增量為79 lux，測點2的累積照度值增量為51 lux，測點3的累積照度值增量為17 lux。在10 m之后各測點的照度值增量開始趨向0，可以看出在此次模擬中，地面反射光影響建筑低層室內天然光環境的極限距離約為10 m。由于在全晴天光氣候條件下，北向采光時地面會有一部分被陰影遮蓋，因此其引起室內照度值增量峰值的地面區域較南向采光時較遠。

綜上所述，在全晴天光氣候條件下，地面反射光影響建筑低層室內天然光模擬存在一定的有限范圍，且在近窗處有一段最有效的影響范圍，在進行室內天然光設計時，可以利用這一點進行優化。

4 結語

通過上述模擬試驗，可以得出以下幾點結論：

1)在全陰天天空條件下，室外地坪對室內采光基本沒有影響；全晴天天空條件下，室外地坪會對室內采光產生一定影響，且地面反射率越高影響越大；

2)對于北向采光的房間，室外地面的反射光的影響較大；

3)室外地面對室內采光的影響有一定的極限區域，并在近窗處的影響最大，建筑師可以改變近窗處的地面條件從而改善室內采光。

本次試驗通過軟件模擬方法進行，相對于真實情況來說，有很大程度上的簡化，室外地坪環境十分復雜，并且有建筑物，樹木，雕塑等遮擋物的影響，與模擬試驗中單一反射系數的地坪有很大出入。另一方面，本次模擬試驗只針對于建筑低層房間的情況，存在一定的局限性。