基于Ecotect的杭州某住宅群建筑光环境模拟研究

2018-04-03丁伟翔蒋忠华王清

智能建筑与智慧城市 2018年3期

关键词：小时数住宅楼日照

丁伟翔，蒋忠华，王清

DING Wei-xiang, JIANG Zhong-hua, WANG Qing

(浙江陆特能源科技股份有限公司)

(Zhejiang Loopmaster Energy Technology Co., Ltd.)

1　引言

光是建筑环境的重要组成部分，在建筑方案设计中，建筑光环境应全面综合人、建筑以及经济与环境等多方面因素，满足居住者复杂的生理与心理主客观需求。优秀的光环境设计可以提高建筑的舒适度和卫生条件，降低照明、采暖能耗并提供清洁的能源。《绿色建筑评价标准》GB/T 50378—2014中明确针对建筑室内外光环境做出要求，给予相应的分值[1]。

Ecotect是一个全面的技术性能分析辅助设计软件，可进行建筑热工与节能、建筑日照、建筑采光与房间声学等多种物理性能参数的模拟。其主要用于建筑方案的设计与优化，尤其是在光环境模拟方面，为建筑设计人员提供的强大的分析和模拟工具，借助它可以实现更高的能源效率以及可持续设计[2]。

2　工况概况

本项目位于浙江省杭州市，项目内所有建筑均为住宅楼，每栋楼总计7层，层高为3m。从西至东共计5列，平均建筑间距为28m，总平面图如图1所示。项目用地面积为159372m2，建筑密度26%，绿地率30%，住宅楼共计5种户型。

3　室外光环境

依据建筑图纸，以建筑外轮廓建立杭州某住宅群三维简化建筑模型如图2所示。

3.1　日照模拟分析

图1　杭州某住宅群项目总平面图

日照作为建筑物外部最主要的气候形成条件之一，对建筑光环境与热环境都有着深远的影响。一方面，阳光中所含的紫外线能预防和治疗一些疾病；另一方面，冬季直射入室内的光照所产生的热效应能够起到提高室内温度和降低供暖能耗的作用。

图2　杭州某住宅群项目三维简化建筑模型

《城市居住区规划设计规范》GB50180-93（2002版）规定的住宅日照要求，如表1所示。杭州属于Ⅲ类建筑气候区域的大城市，需满足大寒日不小于2h的日照时间。对该项目内住宅楼的日照小时数进行模拟分析，以判断建筑间距是否符合要求。

杭州市地理位置为纬度30°2′，经度120°2′，气象参数导入杭州市当地典型气象年(TMY)的标准气象数据（CSWD）文件。分析日为大寒日（1月20日），有效日照时间为上午8:00至下午16:00，采用累计计算方法统计建筑受日照小时数。取一层的窗台面水平高度（1.2m）作为分析面。大寒日日轨图如图3所示，图中灰色部分为地面和楼宇，灰色实心圆圈为太阳，虚线为太阳运动轨迹。

Ecotect软件可以对模拟结果提供直观的三维可视化效果图。图3为建筑日照小时数分布云图，结合图例从图中可以看出，由于遮挡的原因，使得建筑背阳侧无法获得日照。图4为大寒日全天建筑间遮挡阴影范围云图，从中可以看出，建筑阴影的产生不仅受到南北向的影响，东西向的遮挡也很明显。为更加详细的了解建筑间距是否符合标准要求，选取建筑群内几个典型住宅楼的窗台高度位置进行查看。图4右上角中的数值代表日照小时数，图5和图6中可以看出，住宅楼底层窗台位置大寒日日照时数在5～7h，均满足“至少有一个居室满足大寒日2h时”的要求。该项目地理位置位于杭州，太阳高度角相对北方较小，且建筑高度较低，建筑间距布置合理。

表1　住宅建筑日照标准

图3　大寒日日轨图

图4　大寒日日照模拟小时数云图

图5　大寒日遮挡阴影范围云图

3.2　太阳辐射模拟分析

太阳能是一种巨大而无污染的可再生能源，利用太阳能减少建筑能耗和改善建筑物理环境是建筑技术发展的一个重要方向。通过Ecotect软件提供的太阳辐射分析功能，模拟整个小区范围内的全年日均太阳辐射标准值（Average daily PAR）。如图7所示，通过场地累计日平均辐射分析，可以确定场地太阳辐射的分布情况。由于建筑间的遮挡作用，使得辐射量相对宽阔场地的较小，场地内单位面积日均太阳辐射量为3.88MJ/（m2·d），最高可达5.5 MJ/（m2·d）。对累计日平均辐射较大的地方适宜种植常绿大乔木，不仅夏季可以降低热岛效应，冬季还可以降低室外风速；而在累计日平均辐射较小的地方（靠近建筑周边的区域），适宜种植落叶乔木，这样做既可以在夏季为居民提供阴凉的场地，待秋季落叶后，就能保证冬季享受阳光的照射。

图6　典型住宅楼窗台处大寒日日照小时数

图7　场地日均平均辐射等值线图

4　室内光环境

4.1　自然采光模拟分析

自然光环境是人们长期习惯和喜爱的生活环境。各种光源的视觉实验结果表明，在相同照度条件下，天然光的辨认能力优于人工光，有利于人们工作、生活、保护视力和提高劳动生产率。另外，自然光照明最为经济，利用自然采光能节约能源，保护环境，充分的体现可持续发展的生态设计理念。

Ecotect软件可以针对各种自然采光、人工照明提供精确的模拟结果(包括采光系数、临界照度、天空照度亮度等)，也可对建筑照明节能提供一定的分析依据。根据《建筑环境数值模拟技术规程》DB31/T 922-2015，当进行建筑采光模拟时应结合Radiance软件以达到更加精确的目的[3]。Radiance是由劳伦斯伯克利国家实验室开发的采光软件，采用了蒙特卡洛算法优化的反向光线追踪算法，相比光能传递算法，使用光线追踪法进行建筑采光分析更加精确，国际上采光分析论文多采用Radiance进行模拟，该软件分析计算的结果受到广泛的认可[4]。

《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2013规定，采光系数是基于全阴天模型(Overcast Sky Model)计算得到的。该模型是天空全部被云层遮蔽的天气，此时室外天然光全部为天空扩散光，光线较为稳定，是考虑到最不利的采光条件。

本次模拟选择住宅群内一栋楼的标准层户型（如图8所示）模拟室内自然采光效果。建筑采用侧窗采光，外窗及玻璃幕墙选用断热铝合金窗框，玻璃部分为6mm中等透光玻璃（Low-E）+12空气层+6mm透明夹层中空玻璃，可见光透射比为0.62。天花板、地板、墙面的饰面材料反射比依次为0.75，0.3，0.6。采光模型如图9所示，模拟结果如图10所示。

图8　住宅楼标准层平面图

杭州市属于Ⅳ类光气候区，室外天然光设计照度值为13500lx，光气候系数为1.10。《建筑采光设计标准》中对居住建筑自然采光的具体参数要求如表2所示。住宅楼标准层采光模拟结果如表3所示，从中可以看出标准层内的房间均达到规范所要求的采光系数。

图9　住宅楼标准层三维自然采光模型

图10　采光模拟结果

表2　居住建筑的采光系数标准值

4.2　不舒适度眩光模拟分析

眩光源于视野中强烈的明暗对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。不舒适眩光会影响人们的注意力，长时间就会增加视觉疲劳，在大多数情况下应该尽量避免眩光的出现。

Ecotect结合Radiance进行眩光模拟计算时，采用晴天模型（Sunny Sky Model）对建筑内的主要功能房间进行分析。将人眼视角高度调至距地面1.5m处，水平与垂直视角范围调至180°。当计算眩光值时，运用“f i ndglare”命令找出场景内的眩光源后，查看生成文件“glare.glr”内的眩光源坐标、亮度以及背景照度，再运用“glarendx”命令输出眩光指标[5]。

本项目住宅内主要房间的采光等级分别为Ⅳ类和Ⅴ类要求，即眩光指数值DGI不应大于27或28。结合采光模拟分析，选取该房间进行眩光模拟分析，室内相机（视角）分布情况如图11所示。模拟结果选取部分房间加以呈现，房间内眩光效果（鱼眼模型）如图12所示：