第五章 建筑光環(huán)境分析

可持續(xù)性設(shè)計

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光環(huán)境分析

簡介EcotectAnalysis可以針對各種自然采光、人工照明提供精確地模擬結(jié)果（包括采光系數(shù)、照度、亮度等），也可對建筑照明節(jié)能提供一定的分析。結(jié)合Radiance可以模擬更加豐富的內(nèi)容，比如采光權(quán)、具體地點具體時間的光環(huán)境模擬。而EcotectAnalysis與Revit、Radiance的結(jié)合，更加可以方便的參與LEED的相關(guān)評價。1.1基本光度單位光通量（Luminousflux）指人眼所能感覺到的輻射能量，它等于單位時間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積。由于人眼對不同波長光的相對視見率不同，所以不同波長光的輻射功率相等時，其光通量并不相等。光通量通常用Φ來表示，其單位為“流明”（lm）。發(fā)光效能（LuminousEfficacy）指燈的光通量與燈消耗電功率的商。可以理解為每瓦功率產(chǎn)生可見光的總量，單位是lm/W。發(fā)光效能越高，就意味著可以用更少的能源產(chǎn)生同樣多的光通量。發(fā)光效率（LuminousEfficiency）是一個與發(fā)光效能有關(guān)的概念，發(fā)光效率是指光源發(fā)出的可見光占總發(fā)射輻射的比值。理論上，理想的綠色單色光源（波長555nm）具有最高的發(fā)光效能，683lm/W，發(fā)光效率是100%，即該光源發(fā)出的所有輻射都為可見光。1.1基本光度單位發(fā)光強度（Luminousintensity）簡稱光強，通常用I來表示，單位是candela（坎德拉）簡寫cd（國際單位制的七個基本單位之一）。1cd是指單色光源（頻率540X1012HZ，波長555nm）的光，在給定方向上（該方向上的輻射強度為1/683W/sr）的單位立體角內(nèi)發(fā)出的發(fā)光強度。它表明了發(fā)光體在空間發(fā)射的匯聚能力，可以說，發(fā)光強度就是描述了光源到底有多亮。發(fā)光強度針對點光源而言，或者發(fā)光體的大小與照射距離相比較小的場合。照度（Illuminance）：從同一方向看，在給定方向上的任何表面的每單位投影面積上的光照強度即為照度，常用符號為E。它表示被照面上的光通量密度，單位是lx或lux（勒克斯）。在英制單位中，為fc（英尺燭光），1fc=0.76lx。亮度（Luminance）指發(fā)光體（反光體）表面發(fā)光（反光）強弱的物理量。人眼從一個方向觀察光源，在這個方向上的光強與人眼所“見到”的光源面積之比，定義為該光源單位的亮度，即單位投影面積上的發(fā)光強度。亮度的單位是cd/m2（坎德拉/平方米）或者sb（熙提），1sb=104cd/m2；有時亮度的單位也寫作nit，1nit=1cd/m2。1.2光氣候光氣候是指有太陽直射光、天空漫射光和地面反射光形成的天然光平均狀況。太陽輻射透過大氣層入射到地面，一部分為定向透射光，成為太陽直射光，其具有方向性，能形成明顯的陰影；另一部分太陽輻射遇到大氣層中的空氣分子、灰塵、水蒸氣等微粒，產(chǎn)生多次反射，形成天空擴散光，其沒有一定的方向，不能形成明顯的陰影。影響室外地面照度的因素包括了：太陽高度、云狀、云量、日照率（太陽出現(xiàn)時數(shù)和可能出現(xiàn)時數(shù)之比）。1.3天空分布模型晴天模型：晴天是指天空無云或很少云（運量為0～3級）。該情況地面照度是由太陽直射光和天空漫反射光兩部分組成。由于太陽在天空中的位置是變化的，所以天空亮度分布也是變化不定的，這導致室內(nèi)采光很不穩(wěn)定。為了在采光設(shè)計中應(yīng)用標準化得光氣候數(shù)據(jù)，國際照明委員會（CIE）根據(jù)世界各地對天空亮度觀測的結(jié)果，提出了CIE標準全晴天空亮度分布數(shù)學模型，其大致的被描述為：天空中亮度隨太陽高度角和方位角變化，太陽附件位置最亮，其鏡像位置亮度最低，地平線的亮度位于兩者之間。1.3天空分布模型全陰天模型全陰天是指天空全部被云層遮蓋的天氣。全陰天中室外天然光全部為天空擴散光，其天空亮度分布相對穩(wěn)定。CIE標準全陰天天頂亮度為地平線附件天空亮度的三倍，天空中的亮度只隨太陽高度角變化。1.3天空分布模型多云天（中間天）模型除了晴天和全陰天這兩種極端狀況外，還有多云天。在多云天時，云的數(shù)量和在天空中的位置瞬時變化，太陽時隱時現(xiàn)，因此照度值和天空亮度分布都極不穩(wěn)定，需要從長期的觀測中找出其規(guī)律。目前較多采用CIE標準全陰天作為設(shè)計的依據(jù)，這顯然不適合于晴天多的地區(qū)，所以有人提出按所在地區(qū)占優(yōu)勢的天空狀況或者按“CIE標準一般天空”（ISO15369:2004/CIES011:2003:Spaticaldistributionofdaylight-CIEstandardgeneralsky）來進行采購設(shè)計合計算。CIE標準一般參考天空模型分為晴天空、陰天空和多云天空（中間天空）三大類，其中每大類包含5小類不同的天空類型，它們涵蓋了大多數(shù)實際天空。其中的多云天（中間天）模型的天空亮度分布與晴天模型類似，但亮度較低且變化較為舒緩。1.4采光系數(shù)室外照度是經(jīng)常變化的，這必然是室內(nèi)照度隨之而變，不可能是一個固定值，因此對采光數(shù)量的要求，我國和其他許多國家都用相對值。這一相對值稱為采光系數(shù)，它是在全陰天空漫反射光照射下，室內(nèi)給定平面上的某一點由天空漫反射光所產(chǎn)生的照度與室內(nèi)某一點照度同一時間、同一地點，在室外無遮擋水平面上有天空漫反射所產(chǎn)生的照度的比值。在2001年開始實施的《建筑采光設(shè)計標準》GB/T50033-2001中規(guī)定了視覺作業(yè)場所工作面上的采光系數(shù)標準值，也給出了側(cè)窗采光與天窗采光的采光系數(shù)的計算方法。其方法主要是：按側(cè)窗和天窗分別利用兩個不同的圖表，根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)查出相應(yīng)的采光系數(shù)值。這里的窗，是指未裝上窗扇的無限長帶性空洞，即是窗洞口。然后按實際情況考慮各種因素，加以修正而得到采光系數(shù)最低值（側(cè)面采光）或平均值（頂部采光）。1.4采光系數(shù)在EcotectAnalysis中，使用了英國建筑研究中心（BRE）的分項法(SplitFlux)來計算采光系數(shù)。分項法假設(shè)到達房間內(nèi)任一點上的天然光由三個獨立的部分組成，如圖4-4：（1）天空組分SkyComponent(SC)：用過窗戶直接從天空射入房間內(nèi)的部分。（2）外部反射組分ExternallyReflectedComponent(ERC)：被大地、樹及其他建筑物反射入房間的部分。（3）反射組分ReflectedComponent(IRC)：前兩部分在室內(nèi)表面上的內(nèi)部反射。在分項法中，房間采光系數(shù)是以上三部分的總和：

DF=SC+ERC+IRC1.4采光系數(shù)注意：分項法使用權(quán)重表面反射系數(shù)計算室內(nèi)反射光線，相對來說這種處理較為簡單，所以并不適于分析反光板之類的二次反射采光構(gòu)件，這一方面的分析應(yīng)該同Radiance結(jié)合起來。1.5設(shè)計天空照度和室外臨界照度在EcotectAnalysis中，室外照度采用的是設(shè)計天空照度。設(shè)計天空照度根據(jù)室外照度的統(tǒng)計分析取得，其表示了全年（工作日）從早晨9點到下午5點超過85%的時間的水平照度，也就是說，它提供了一種可用于設(shè)計的并至少有85%的時間能滿足所需照度的最不利的場景。在確定緯度的情況下（確定了氣象數(shù)據(jù)）EcotectAnalysis提供了兩周簡便的計算方法：一是程序由Tregenza散射天空照度公式計算；另一種是程序依據(jù)實測數(shù)據(jù)由三次擬合而成（結(jié)果如圖），相對來說后者更接近實際情況。1.5設(shè)計天空照度和室外臨界照度我國《建筑采光設(shè)計標準》GB/T50033-2001中采用的是室外臨界照度的概念，它是全年每天平均有10小時能達到或超過的照度，這一數(shù)據(jù)按5類光氣候分區(qū)而有所不同。室外臨界照度和設(shè)計天空照度本質(zhì)上都是室外照度，但是不完全相同，設(shè)計天空照度更接近實際情況，而室外臨界照度則是一個最低限度。在實際設(shè)計過程中，如果要根據(jù)我國的采光標準進行評估，建議大家使用室外臨界照度計算室內(nèi)照度；如果評估實際使用條件下的采光情況，則建議根據(jù)設(shè)計天空照度計算室內(nèi)照度。2.EcotectAnalysis臨界照度的模擬分析步驟：檢查法線檢查材質(zhì)的光學物理參數(shù)開啟分析網(wǎng)格設(shè)定網(wǎng)格數(shù)量適配網(wǎng)格到物體設(shè)定采光分析的計算平面高度選擇天空條件與臨界照度值計算數(shù)據(jù)處理2.1檢查模型法線方向打開“Office_ESGB.eco”文件。點擊鍵盤“Ctrl”+“F9”，進入法線顯示模式，檢查模型表面法線的方向。仔細檢查模型的外圍護結(jié)構(gòu)的表面法線是否都向外；如果發(fā)現(xiàn)有表面法線向里的，選擇該面，點擊鍵盤“Ctrl”+“R”或者在Modify(修改)下拉菜單下選擇ReverseNormals(反轉(zhuǎn)法線)命令。【提示】EcotectAnalysis的采光分析要求模型的表面法線必須朝外，否則在計算采光分析時會出現(xiàn)誤差。2.2光學物理參數(shù)的設(shè)置點擊鍵盤“F9”恢復到模型顯示模式。點擊主工具欄上的按鈕，開啟ElementsinCurrentModel(材質(zhì)管理器)對話框，檢查材質(zhì)的光學物理參數(shù)。2.2光學物理參數(shù)的設(shè)置在材質(zhì)管理器中材料的光學物理參數(shù)主要包括可見光透射率(VisibleTransmittance)色彩與反射率(ColourReflect)發(fā)射率(Emissivity)玻璃折射率(RefractiveIndexofGlass)高光度(Specularity)粗糙度(Roughness)前五個參數(shù)與EcotectAnalysis采光分析關(guān)系密切，而影響Radiance采光分析的只有除發(fā)射率外的其它五個方面。2.2光學物理參數(shù)的設(shè)置可見光透射率的設(shè)定可以參照附表3.色彩與反射率可以在色彩編輯器(ColoreEditor)中根據(jù)實際顏色選擇，但是要注意對于辦公、圖書館、學校等建筑的房間，其室內(nèi)各表面的反射率宜符合下表：表面名稱反射率頂棚0.70-0.80墻面0.50-0.70地面0.20-0.40桌面、工作臺面、設(shè)備表面0.25-0.452.3設(shè)置分析網(wǎng)格點擊

按鈕，進入分析網(wǎng)格面板(AnalysisGrid)，點擊

按鈕，打開分析網(wǎng)格管理器(AnalysisGridManagent)。2.3設(shè)置分析網(wǎng)格單元數(shù)量(NumberofCells)表示了網(wǎng)格的疏密，但是在《建筑采光設(shè)計標準》中并沒有規(guī)定網(wǎng)格疏密的程度（在《體育場館照明設(shè)計及檢測標準》JCJ153-2007J684-2007規(guī)定了分析網(wǎng)格的大小，因此在模擬分析體育場館照明時需要按照該標準執(zhí)行），可根據(jù)實際情況設(shè)置不同的數(shù)值。比照體育館的體量，我們這個辦公建筑小了很多，因此可以設(shè)定0.5mX0.5m一個網(wǎng)格，即X方向約29個微元，Y方向20個微元。點擊

按鈕，顯示分析網(wǎng)格。點擊 (適配網(wǎng)格到物體)，彈出適配網(wǎng)格對話框，使用默認設(shè)置即可，點擊“OK”完成設(shè)置。再次點擊

按鈕恢復到分析網(wǎng)格模式，完成網(wǎng)格的手動調(diào)整。2.3設(shè)置分析網(wǎng)格設(shè)定采光分析的參考平面：根據(jù)《建筑采光設(shè)計標準》規(guī)定民用建筑參考平面（假定工作面）取距地面0.8m。設(shè)定采光分析的參考平面：根據(jù)《建筑采光設(shè)計標準》規(guī)定民用建筑參考平面（假定工作面）取距地面0.8m。在二維切片位置欄(2DSLIVEPOSITION)的偏移(Offset)選項里輸入800，點擊回車鍵。2.4采光計算在計算欄(CALCULATIONS)中選擇“LightingLevels”，點擊“PerformCalculation”按鈕。在彈出的對話框中點擊

按鈕，跳過向?qū)н^程，直接進入設(shè)置界面。2.4采光計算【提示】在做自然采光分析時：1、計算類型(CalculationType)可以選擇下拉菜單中的任意選項；2、一般設(shè)置(GeneralSettings)選擇較高精度(HighPrecision)即可，如果選擇更好級別則運算時間長，但精度提高很??；3、天空條件(SkyConditions)的第一個下拉菜單一般選擇CIE全陰天(CIEOvercastSky)，第二個下拉菜單的照度值根據(jù)《建筑采光設(shè)計標準》規(guī)定的臨界照度值選定，本例的位置在北京，屬于Ⅲ氣候區(qū)，臨界照度值為5000Lux；4、應(yīng)該鉤選增強模式(Increasedaccuracymode),這是因為鉤選了此模式，軟件將考慮窗戶的透明度和折射系數(shù)，同時使用室外障礙物的真實表面反射系數(shù)；如若不然，軟件將根據(jù)“BRE建筑自然采光估算”研究論文中所描述的原始計算方法相一致。2.4采光計算點擊“OK”開始計算。2.5數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析由于《建筑采光設(shè)計標準》規(guī)定側(cè)窗采光的辦公室采光系數(shù)不低于2%，因此我們就在數(shù)據(jù)與比例欄(DATA&SCALE)的最小值(Minimum)輸入2，在階段(Contours)中輸入2，最后點擊回車鍵?！咎崾尽縈inimum與Maximum影響的是分析網(wǎng)格顏色的變化，Contours影響的是數(shù)據(jù)列表中的數(shù)據(jù)劃分階段。2.5數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析在參與綠色建筑評價時，需要確定75％以上的主要功能空間室內(nèi)采光系數(shù)滿足現(xiàn)行國家標準《建筑采光設(shè)計標準》GB／T50033的要求。具體的方法如下：進入報告頁面，點擊報告生成器(REPOR