252 高大空间体育建筑自然采光模拟分析

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1、高大空间体育建筑自然采光模拟分析北京工业大学刘建简毅文李炎锋北京维拓时代建筑设计有限公司汪涌摘要：本文以天津冲浪馆为例，运用建筑生态大师Ecotect计算出馆内的采光系数分布，利用采光模拟软件计算出典型工况下室内照度分布、DA分布，以及采光均匀度，最后经过对模拟结果的分析，来评价这种方案下天窗自然采光效果，并提出合理建议，同时依据国家现行关于大空间建筑和游泳馆类建筑采光设计标准，来挖掘这种设计下天窗自然采光所能带来的照明节能潜力。关键词：自然采光，采光系数，照度分布，节能潜力0引言在建筑环境学中，自然采光是建筑光环境的重要组成部分，它不仅能够节约照明能耗，还可以改善室内的生态环境；良好

2、的自然采光设计给人以温暖的、开敞的感觉[1]。常规建筑人们根据经验即能判断其自然采光效果，而对于特殊的建筑，如高大空间的体育馆建筑进深大、外形独特，我们并没有经验可以遵循，可以运用模拟分析的手段来指导辅助建筑设计。在此，以冲浪馆为例利用模拟计算的方法，来考察这种特殊建筑的自然采光特点。1工程概况：本建筑主要功能为水上娱乐、游泳比赛等，底面为标准椭圆，长轴220m，短轴120m，高度33.6m，天窗形状近似椭圆形，大约4200m2，无侧窗。建筑外形及室内各物体表面光学性能参数如下图1和表1所示：表1各物体表面光学性能参数墙体内表面反射率0.8水表面反射率0.86屋顶内表面反射率0.7双层

3、Low-e天窗透射率0.611地板反射率0.7图1冲浪馆南立面图2自然采光模拟研究方法本案例首先用Ecotect进行建模，模型如图1所示。模拟计算出室内的采光系数分布，并根据《建筑采光设计标准》判断其所能达到的采光等级。但Ecotect由于采用简化算法，计算速度快、精度差，仅适用于辅助建筑设计，当需要精确计算时，要将模型导入到Radiance或Daysim中[2]。因此，为计算照度水平，将所作模型导入Radiance当中，利用Radiance模拟计算出室内照度分布。在一般情况下，自然采光效果最好出现在夏季晴天中午12时，最差出现在冬季阴天的早晨。所以模拟计算出这两种典型的工况，室内照度

4、分布水平即在这两者之间。Daysim软件主要应用于建筑全年的采光动态分析和照明能耗计算等领域[4]。基于此，利用Daysim计算全年运行时间内，利用自然采光情况下，室内照度有多少时间可以达到冲浪馆设计照度所要求的750lux以上[3]。来挖掘利用天窗的自然采光所能带来的人工照明节能潜力。3模拟结果分析3.1采光系数模拟分析图3冲浪馆采光系数平面图（距地面1500mm）图2显示了距地面1500mm水平面上的采光系数分布情况，从图中可以看出馆内举例天窗较远的大面积区域采光系数仅有0.1%，天窗位置附近区域采光系数最高可达到39%，经计算可知本馆内采光系数均匀度为0.009，不满足在《建筑采

5、光设计标准》中采光系数均匀度0.7的标准。由此可知，本建筑如果完全利用天然采光是达不到要求的，原因在于天窗开启面积太集中，导致馆内采光均匀度较差，体育娱乐场馆训练用最低采光系数要求6%，比赛用最低采光系数要求15%[3]。由图3可知大约60%的区域采光系数低于6%的要求，近75%的区域达不到采光系数15%的比赛要求。3.2馆内照度模拟分析图4冬季阴天馆内照度分布图（距地面1500mm水平面）图5夏季晴天馆内照度分布图（距地面1500mm水平面）以上两图分别显示了冬季阴天和夏季晴天两种极端工况下室内照度分布情况。图4为冬季阴天时的照度分布情况，天窗正下方区域可达到2000lux，距离天窗

6、较远的大部分区域照度仅在30—50lux水平,在整个区域上大约60%-70%的面积均需借助人工照明。根据要求自然采光的照度均匀度最小为1/10,而此场馆内的照度均匀度为1/23,显然并不合理。图5为夏季晴天时，馆内照度分布情况，图中天窗附近区域照度可达到20000lux以上，有的天窗附近区域甚至高达45000lux，这种情况是由于夏季晴天的太阳光直射造成眩光而引起的。恰相反，在距离天窗较远的周边区域照度水平仅在400-600lux水平，并不能达到体育娱乐场馆采光设计最低750lux的标准；如图6人体对于光照度满意率曲线照度值大于3000lux时，人体便会感到不舒适。此种采光方案导致了夏

7、季近天窗处需有遮阳措施，而距离天窗较远的接近30%的面积却需人工照明，此方案对于采光来说的不合理性显而易见。馆内场地的照度均匀度为1/30，不同位置的照度悬殊较大，导致活动人员的瞳孔会不断的改变大小，容易导致视觉疲劳，影响运动。图6人体对于光照度的满意率曲线3.3全年自然采光的照明节能潜力分析为了分析自然采光所能带来的人工照明节能潜力，这里提出一个参数：DaylightAutonomy，其定义是指在全年工作时间内，利用自然采光所能达到的室内设计