基于DeST典型年數(shù)據(jù)的建筑采光實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究

王舒翼,汪亞江,范 晴,孫文超,張明宇,盛海濤

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072; 2.天津大學(xué) 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

引言

近年，在建筑采光研究及相關(guān)應(yīng)用中，典型年數(shù)據(jù)的使用越來越普遍，通常典型年會(huì)根據(jù)其數(shù)據(jù)用途進(jìn)行開發(fā)，不同的數(shù)據(jù)開發(fā)者所采用的思路及方法也存在差異，并可能會(huì)直接影響建筑采光模擬結(jié)果的精確度[1]。DeST典型年數(shù)據(jù)是由清華大學(xué)與國(guó)家氣象局共同研發(fā)[2]，其數(shù)據(jù)來源于全國(guó)194個(gè)氣象觀測(cè)站近五十年的數(shù)據(jù)采集成果。然而在典型年數(shù)據(jù)更新周期內(nèi)，城市氣候可能會(huì)發(fā)生短期、隨機(jī)、顯著的變化，DeST典型年數(shù)據(jù)難以滿足全年逐時(shí)(甚至逐分)的動(dòng)態(tài)采光研究的需要。

目前，國(guó)內(nèi)用于建筑能耗模擬的典型年氣象數(shù)據(jù)較多，且相關(guān)研究較為豐富，而對(duì)于典型年氣象數(shù)據(jù)在建筑采光模擬的適用性研究則較為缺乏，典型年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要累積至少30年[3]，而在典型年數(shù)據(jù)新舊更替的周期內(nèi)，由于我國(guó)城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展等因素，城市光氣候的短期變化對(duì)建筑采光產(chǎn)生了一定程度的影響。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)現(xiàn)有典型年數(shù)據(jù)的修正研究較為缺乏，往往是依據(jù)光氣候數(shù)據(jù)數(shù)十年的長(zhǎng)期趨勢(shì)進(jìn)行分析研究，而結(jié)合氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)中短序列氣象資料訂正方法的氣候數(shù)據(jù)研究，在國(guó)內(nèi)尚屬空白。本文以天津?qū)崪y(cè)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)為參考，根據(jù)前期課題研究獲得的典型年修正數(shù)據(jù)[4]，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證對(duì)DeST典型年修正數(shù)據(jù)在天津地區(qū)的適用性展開研究，一方面可以加強(qiáng)諸如建筑能耗、采光、太陽(yáng)能模擬軟件與我國(guó)清華大學(xué)自主研發(fā)的DeST軟件平臺(tái)的關(guān)聯(lián)性，另一方面可以為“學(xué)校體育館建筑全年動(dòng)態(tài)采光模擬”提供更加精確的氣象數(shù)據(jù)資料，繼而為我國(guó)基于地域性的全年動(dòng)態(tài)天然采光模擬及照明能耗分析等研究提供參考。

1 DesT及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理

1.1 實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)來源與篩選

根據(jù)相關(guān)資料記載，國(guó)家氣象局所收集的全國(guó)各地區(qū)氣象資料大致由137個(gè)地面基本站、57個(gè)地面基準(zhǔn)站采集獲得。地面基本站的常規(guī)觀測(cè)要素通常包括：太陽(yáng)總輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕球溫度、相對(duì)濕度、氣壓等等。DeST典型年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于國(guó)家氣象局關(guān)于全國(guó)194個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)對(duì)常規(guī)氣象要素近50年的逐日數(shù)據(jù)。

前期研究結(jié)果顯示， 3 套國(guó)內(nèi)常用典型年數(shù)據(jù): CSWD、ChinaTMY2 數(shù)據(jù)、DeST 典型年數(shù)據(jù)中，從總輻射的比對(duì)結(jié)果來看，DeST 典型年數(shù)據(jù)最為符合天津氣候特征，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度最高[1]。

對(duì)于本研究所直接采集的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，需要對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理、篩選才可以錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，為進(jìn)一步的分析做準(zhǔn)備。

1.2 正態(tài)分布檢驗(yàn)

1.2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與DeST數(shù)據(jù)的總輻射樣本檢驗(yàn)

通過單樣本K-S檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)總輻射月均值、DeST總輻射月均值的雙側(cè)漸近顯著性取值分別為0.702、0.863，均大于0.10，故不能否定零假設(shè)，即認(rèn)為實(shí)測(cè)、DeST總輻射月均值數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布[5]。而實(shí)測(cè)總輻射日均值雙側(cè)漸近顯著性Sig=0.031<0.10, 否定零假設(shè)，不服從正態(tài)分布；DeST總輻射日均值雙側(cè)漸近顯著性Sig=0.069<0.10,否定零假設(shè)，也為非正態(tài)分布[5]。

1.2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與DeST數(shù)據(jù)的散射輻射樣本檢驗(yàn)

通過單樣本K-S檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)散射月均值、DeST散射月均值的雙側(cè)漸近顯著性取值分別為0.866、0.903，均大于0.10，故不能否定零假設(shè)，即認(rèn)為實(shí)測(cè)、DeST散射月均值數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布[5]。實(shí)測(cè)散射日均值雙側(cè)漸近顯著性Sig=0.000<0.10, 否定零假設(shè)，樣本不服從正態(tài)分布；DeST散射日均值雙側(cè)漸近顯著性Sig=0.002<0.10,否定零假設(shè)，樣本同樣不服從正態(tài)分布[5]。

1.3 相關(guān)性分析

1.3.1 Pearson相關(guān)性分析

根據(jù)前文正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果：1)實(shí)測(cè)、DeST總輻射月均值數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布；2)實(shí)測(cè)、DeST散射月均值數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。其他數(shù)據(jù)樣本并不服從正態(tài)分布。這里對(duì)符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

DeST總輻射月均值與實(shí)測(cè)總輻射月均值相關(guān)系數(shù)為0.982，為強(qiáng)相關(guān)，雙側(cè)顯著性系數(shù)P=0.000<0.10，說明在(1-0.000)×100=100%的概率上該相關(guān)系數(shù)成立；實(shí)測(cè)散射月均值與DeST散射月均值相關(guān)系數(shù)為0.808，為強(qiáng)相關(guān)，雙側(cè)顯著性系數(shù)P=0.001<0.10，說明在(1-0.001)×100=99.9%的概率上該相關(guān)系數(shù)成立[6]。同時(shí)從散點(diǎn)圖及擬合曲線來說(圖1、圖2)，實(shí)測(cè)總輻射月均值與DeST總輻射月均值為強(qiáng)線性相關(guān)，而實(shí)測(cè)散射月均值與DeST散射月均值在二次曲線擬合條件下R2得分最高，擬合優(yōu)度R2=0.869，二者體現(xiàn)為非線性關(guān)系更為準(zhǔn)確[7]。

圖1 總輻射散點(diǎn)圖

圖2 散射散點(diǎn)圖

1.3.2 Spearman相關(guān)性分析

針對(duì)數(shù)據(jù)樣本間并不符合正態(tài)分布的情況下，應(yīng)該選擇其他的方法來對(duì)樣本關(guān)系進(jìn)行深入分析。這里采用Spearman相關(guān)性分析方法，Spearman相關(guān)系數(shù)相當(dāng)于Pearson相關(guān)系數(shù)的非參數(shù)形式，其根據(jù)數(shù)據(jù)的秩而不是數(shù)據(jù)的實(shí)際值計(jì)算，適用于有序數(shù)據(jù)和不滿足正態(tài)分布假設(shè)的等間距數(shù)據(jù)。所以選擇Spearman相關(guān)系數(shù)方法分別對(duì)DeST、實(shí)測(cè)總輻射日均值以及DeST、實(shí)測(cè)散射日均值這兩組并不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

DeST總輻射日均值與實(shí)測(cè)總輻射日均值相關(guān)系數(shù)為0.502，為中等程度相關(guān)，雙側(cè)顯著性系數(shù)P=0.000<0.10；實(shí)測(cè)散射日均值與DeST散射日均值相關(guān)系數(shù)為0.240，為弱相關(guān)，雙側(cè)顯著性系數(shù)P=0.001<0.10[8]。

1.4 DeST及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差異顯著性分析

1.4.1 參數(shù)與樣本挑選

考慮到散射輻射對(duì)于建筑室內(nèi)天然光環(huán)境的重要性，同時(shí)可以體現(xiàn)短期氣候變化如氣溶膠濃度增加、霧霾出現(xiàn)頻率增加等的影響，本次研究選擇水平面太陽(yáng)總輻射與水平面散射輻射兩個(gè)參數(shù)作為統(tǒng)計(jì)分析對(duì)象，本研究對(duì)于天津地區(qū)太陽(yáng)輻射觀測(cè)工作從2015年9月到2017年6月，表1為統(tǒng)計(jì)分析對(duì)象及分組情況。

表1 統(tǒng)計(jì)對(duì)象及分組表

1.4.2 差異顯著性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

運(yùn)用Mann-Whitney U檢驗(yàn)法進(jìn)行差異性分析，表2為DeST數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總輻射、散射輻射日均值樣本的差異顯著性分析結(jié)果，可以看出，DeST總輻射日均值在春季以及天津氣候較為典型的一月、五月份與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在顯著性差異。總體而言，DeST散射輻射日均值在全年五月份與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在顯著性差異。

表2 差異顯著性分析結(jié)果匯總表

2 數(shù)據(jù)修正數(shù)據(jù)

根據(jù)已有研究結(jié)論，并考慮總輻射、散射輻射日均值數(shù)據(jù)會(huì)受到該日天氣狀況的影響(不同數(shù)據(jù)在相同時(shí)刻的天氣狀況設(shè)定可能不是對(duì)應(yīng)的)，所以訂正對(duì)象應(yīng)當(dāng)選擇與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性更高的DeST典型年輻射月均值。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有訂正方法有“新方法”、比值訂正法、差值訂正法和一元回歸訂正法四種。根據(jù)課題前期研究[9]，結(jié)合四種訂正方法，最終得到DeST總輻射各月的修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果，詳見表3。

表3 DeST總輻射修正系數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

3.1 模擬對(duì)象的選取

DeST典型年數(shù)據(jù)(修正后)在實(shí)際案例中的模擬驗(yàn)證，采光模擬對(duì)象應(yīng)盡量選擇形式簡(jiǎn)單、空間功能明確的對(duì)象[10]。基于簡(jiǎn)化模型的需要及房間參數(shù)獲取的便利性，本次模擬最終選擇天津大學(xué)25教C區(qū)9層的學(xué)術(shù)交流室C0913作為模擬對(duì)象(圖3、圖4)。房間的選擇上遵循南向采光、無(wú)遮擋的基本原則(圖5)。

圖3 天津大學(xué)25教學(xué)樓

圖4 模擬對(duì)象周邊環(huán)境

如圖4所示，天津大學(xué)第25教學(xué)樓位于天津市南開區(qū)天津大學(xué)衛(wèi)津路校區(qū)北洋廣場(chǎng)東南角，坐標(biāo)為東經(jīng)117.177°，北緯39.107°，北側(cè)緊鄰北洋道，東側(cè)、南側(cè)為學(xué)生公寓，西側(cè)為太雷路。第25教學(xué)樓為高層建筑，由A、B、C三個(gè)區(qū)塊組成，C區(qū)原為材料學(xué)院與馬克思主義學(xué)院，現(xiàn)因新校區(qū)搬遷，C區(qū)房間空置率較高。

圖5 房間室內(nèi)情況

3.2 房間的空間參數(shù)實(shí)測(cè)

房間參數(shù)測(cè)量工作內(nèi)容主要包含：房間尺寸、采光窗的尺寸及窗臺(tái)高度、房間內(nèi)主要材料表面反射比、窗玻璃的透射比。測(cè)量工作開始時(shí)間為2017年8月17日上午11:07，天氣狀況：晴。使用Leica D510測(cè)距儀(圖6)對(duì)房間及窗洞口的尺寸進(jìn)行測(cè)量，尺寸測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 房間參數(shù)測(cè)量結(jié)果表

由于材料反射比的公式為簡(jiǎn)單的線性比值，這里選擇普通A4白紙作為標(biāo)準(zhǔn)參考，使用照度計(jì)測(cè)量材料表面反射比，最終測(cè)得ρ白紙=0.5，之后選用亮度計(jì)測(cè)量其他材料表面反射比。窗玻璃透射比在晴天陽(yáng)光直射的情況下超過照度計(jì)的量程，所以選擇其他位置的同規(guī)格窗玻璃進(jìn)行測(cè)量。最終測(cè)得τ窗玻璃=0.95，全部測(cè)量結(jié)果如表5所示。

表5 反射比測(cè)量結(jié)果

3.3 Daysim采光模擬

全年動(dòng)態(tài)采光模擬軟件Daysim是由加拿大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)弗勞恩霍夫研究所太陽(yáng)能研究中心共同研究開發(fā)[11]， 其采光模擬結(jié)果輸出為一系列測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)以及與之相關(guān)的.DA格式文件(可以導(dǎo)入Ecotect軟件生成可視化圖像，使模擬結(jié)果更加直觀)。與此同時(shí)，Daysim軟件還可以提供室內(nèi)天然光環(huán)境關(guān)于“質(zhì)”的評(píng)估(可以對(duì)室內(nèi)使用者關(guān)于如何控制室內(nèi)的人工照明、遮陽(yáng)系統(tǒng)來進(jìn)行模擬以及對(duì)某些自動(dòng)化的光控系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能模擬)[12]。

3.3.1 氣象文件的創(chuàng)建

1)將包含全部模擬所需參數(shù)的excel格式氣象數(shù)據(jù)另存為文本文件；

2)打開Ecotect Weather Tool軟件，打開文件的方式為Separated value Files；

3)依次導(dǎo)入?yún)?shù)后，再編輯地理位置信息，保存文件后導(dǎo)出格式選擇epw格式。

圖7 Ecotect軟件建模

3.3.2 模型構(gòu)建和pts測(cè)點(diǎn)文件

建筑模擬軟件Ecotect為Radiance、Daysim軟件提供了輸出端口，軟件兼容性強(qiáng)。雖然Ecotect建模效率可能稍遜于Sketch Up[13]。然而憑借其兼容性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在Ecotect軟件下所建3D模型可以直接對(duì)材質(zhì)參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)置，在輸出Daysim過程中也不需要擔(dān)心材質(zhì)的識(shí)別問題，通常情況下，Ecotect模型及相關(guān)信息的輸出數(shù)據(jù)與其他軟件兼容性比較好。根據(jù)前文所測(cè)數(shù)據(jù)，選用Ecotect建立相關(guān)簡(jiǎn)化模型。

pts文件是一種點(diǎn)數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)文件[14]，是測(cè)量工作面照度點(diǎn)位的傳感器坐標(biāo)，此項(xiàng)文件可以通過Ecotect內(nèi)所建模型的采光分析網(wǎng)格來設(shè)定，輸出Daysim軟件后可自動(dòng)生成。也可以通過固定格式進(jìn)行文件編輯，基于本文研究需要，在房間縱軸方向以1 m為間隔布置測(cè)點(diǎn)，本章采光模擬所用pts文件包含四個(gè)測(cè)點(diǎn)：(x=1.5 m，y=1 m，z=0.8 m)、(x=1.5 m，y=2 m，z=0.8 m)、(x=1.5 m，y=3 m，z=0.8 m)、(x=1.5 m，y=4 m，z=0.8 m)，如圖7所示。

3.3.3 實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)模擬

本次模擬選取天津?qū)崪y(cè)氣象數(shù)據(jù)，通過設(shè)置不同的氣象文件時(shí)間步長(zhǎng)來比對(duì)采光模擬結(jié)果，基于本文研究需要，為了模擬計(jì)算的便利及體現(xiàn)結(jié)果差異的顯著性，分別選取10 min、60 min步長(zhǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算[15]，結(jié)果如表6、表7所示。通過結(jié)果比較可以計(jì)算出，10 min時(shí)間步長(zhǎng)與60 min時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置對(duì)采光系數(shù)DF幾乎無(wú)影響，而對(duì)于其他指標(biāo)，兩者絕對(duì)誤差普遍為±1%，采光量DA中y=4所對(duì)應(yīng)點(diǎn)位數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差可以達(dá)到-2%，而天然光飽和百分比(Daylight Saturation Percentage)y=2所對(duì)應(yīng)點(diǎn)位數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差達(dá)到7%。此外，通過計(jì)算，所有指標(biāo)中，相對(duì)誤差最小值為DAmax中y=3所對(duì)應(yīng)點(diǎn)位，且其值為-14.29%；相對(duì)誤差最大值為DSP中y=2所對(duì)應(yīng)點(diǎn)位，且其值為41.18%。

表6 天津?qū)崪y(cè)氣象數(shù)據(jù)模擬結(jié)果(10 min步長(zhǎng))

表7 天津?qū)崪y(cè)氣象數(shù)據(jù)模擬結(jié)果(60 min步長(zhǎng))

3.3.4 DeST修正數(shù)據(jù)模擬

在Daysim模擬平臺(tái)氣象文件輸入端輸入DeST修正數(shù)據(jù)，所得采光模擬結(jié)果如表8所示。

表8 DeST典型年修正數(shù)據(jù)模擬結(jié)果

3.3.5 結(jié)果分析

通過對(duì)比兩次模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：一方面，DeST典型年修正數(shù)據(jù)模擬結(jié)果與天津?qū)崪y(cè)氣象數(shù)據(jù)模擬結(jié)果(10 min步長(zhǎng))較為接近，且誤差較小，說明修正數(shù)據(jù)基本符合天津地區(qū)的實(shí)況；另一方面，房間模型內(nèi)四個(gè)測(cè)點(diǎn)(x=1.5 m，y=1 m，z=0.8 m)、(x=1.5 m，y=2 m，z=0.8 m)、(x=1.5 m，y=3 m，z=0.8 m)、(x=1.5 m，y=4 m，z=0.8 m)的采光評(píng)價(jià)指標(biāo)DF(采光系數(shù))、DA(采光量)、DAcon(連續(xù)采光量)、DAmax(最大采光量)、UDI>2 000(有效照度取值范圍在2 000 lx以上)、ALE(全年曝光量)的取值隨測(cè)點(diǎn)與采光窗距離的增加而逐漸減小。而其UDI<100(有效照度取值范圍在100 lx以下)、UDI100～2 000(有效照度取值范圍在100～2 000 lx)指標(biāo)的取值則隨測(cè)點(diǎn)與采光窗距離的增加而逐漸增大。DSP指標(biāo)取值隨測(cè)點(diǎn)與采光窗距離的增加先增大后減小。

4 總結(jié)

伴隨著建筑光環(huán)境模擬技術(shù)向?qū)崟r(shí)、全氣候的發(fā)展以及大量發(fā)光功效模型的研發(fā)，典型年數(shù)據(jù)在建筑能耗模擬和采光模擬等方面得到了廣泛的應(yīng)用。本次研究選用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的DeST典型年數(shù)據(jù)的修正數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)比對(duì)、實(shí)驗(yàn)?zāi)M對(duì)其在天津地區(qū)的適用性進(jìn)行研究分析。本文主要結(jié)論如下：

1)對(duì)比分析得知，前期研究獲取的DeST典型年修正數(shù)據(jù)模擬結(jié)果與天津?qū)崪y(cè)氣象數(shù)據(jù)模擬結(jié)果較為接近，通過本次模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了DeST典型年修正數(shù)據(jù)的適用性，獲得了一套與天津?qū)崪y(cè)光氣候數(shù)據(jù)最為吻合的DeST典型年修正數(shù)據(jù)，并可用于天津地區(qū)建筑采光模擬。

2)初步證明了Daysim采光模擬軟件平臺(tái)處氣象文件的時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)模擬結(jié)果精度有一定影響，氣象文件的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為10 min較60 min可以獲得更好的模擬精度，其結(jié)果的相對(duì)誤差在-14.29%～ 41.18%內(nèi)，這表示時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定的不同會(huì)對(duì)采光模擬結(jié)果帶來一定程度上的影響。

3)通過本次研究總結(jié)出一套基于DeST典型年建筑采光實(shí)驗(yàn)的模擬流程。