室外地面反射光对建筑低层室内天然光模拟的影响研究

2019-04-11汤晋吴蔚

山西建筑 2019年5期

汤晋吴蔚

(南京大学建筑与城市规划学院，江苏南京 210093)

1 概述

天然光是由太阳直射光、天空漫射光和地面反射光形成。在进行室内采光计算时，除地表面被白雪或白沙覆盖的情况外，一般可不考虑地面反射光影响。然而，Cabus[1]以巴西东北部研究热带采光时提出室外地面反射光在有遮阳条件下对室内会产生较大的影响。Tregenza[2]则提出在太阳光直射下，窗户的照度受到地面和其他建筑物的反射光影响较大。Lam[3]还强调了在夏天以及低纬度地区，利用地面将阳光反射到建筑物中的重要性。然而，室内光环境受气候和地理环境影响较大，本文以南京气候条件为对象，研究不同光气候，以及不同采光口方向条件下，地面反射光对建筑低层室内天然光模拟的影响。

目前市面上可用于天然光模拟软件有很多，比如Radiance,Velux,DAYSIM,IES,DIVA,Honeybee等等，都是以Radiance为内核，且较能准确模拟室内天然光环境，但每个软件的优点和适用范围均有所不同。选择Honeybee主要有以下几个原因：1)Honeybee被验证能较为准确模拟天然光环境[4]。2)本研究室是探讨外地坪对室内采光的影响及其有效范围，需要不断地调整模型数据，而Honeybee能够与建模软件Rhino的参数化模块Grasshopper之间较好转换，能够更加方便快捷地调整模型以及更改数据，有利于模拟实验地进行。3)Honeybee在采光模拟方面拥有更多的可调参数，更适合本次研究的需求。

2 模拟实验设计

本文研究地面反射光对建筑低层室内天然光模拟的影响，为了简化研究，笔者将建立一个理想房间模型，周围无遮挡物，并在这个房间中选取三个点作为水平照度测点，分别表示近窗处，房间中部以及远窗处。首先，在全阴天和全晴天两种光气候条件下分别模拟常见混凝土地面(反射率为0.2)以及积雪覆盖地面(反射率为0.8)的室内测点照度值，与无地面反射时的室内测点照度值进行比较，研究不同光气候条件下地面反射光对建筑低层室内天然光模拟的影响；其次，在南向和北向两种采光口方向的条件下分别模拟常见混凝土地面(反射率为0.2)时的室内测点照度，与无地面反射时的室内测点照度值进行比较，研究不同采光口方向时地面反射光对建筑低层室内天然光模拟的影响；最后，将面向采光口的地面分割成12个相同宽度的区域，将需模拟的地面区域反射率设为0.2，其他区域反射率设为0，按与采光口由近及远的距离分别模拟每个地面区域情况下的室内测点照度值，与无地面反射的室内测点照度值的差值，从而分析地面反射光影响建筑低层室内天然光模拟的最有效地面区域。

该房间位于南京市，纬度32°02′N，经度118°46′E，分析时间设定为春分(3月22日)中午，天空模型选择CIE全阴天天空和CIE全晴天天空两种模型，气象文件为CHN_Jiangsu.Nanjing.582380_CSWD，从EnergyPlus官网(https://energyplus.net/weather)下载。

本次试验将建立一个进深7 m，面宽4.2 m，高3.2 m，南向开窗的理想房间模型，窗户宽2 m，高1.5 m，窗台高度0.9 m。室内墙面和天花板的反射系数设定为0.7，地面反射系数设定为0.4，窗户的透光系数设定为0.8。本次模拟在房间布置三个位于窗户中线的测点，测点距地面0.75 m，测点1距离采光口1 m，测点2距采光口3.5 m，测点3距采光口6 m，模拟网格设置为0.5 m×0.5 m。模型及平面测点布置图如图1，图2所示。

3 模拟结果分析

3.1 光气候条件的影响

1)全阴天光气候条件。

从图3可以看出在全阴天光气候条件下，不同室外地面状况时，室内各测点的照度并未产生变化，由此可以看出地面反射光不会对室内天然光环境产生影响。

2)全晴天光气候条件。

从图4可以看出，在全晴天光气候条件下，不同室外地面状况时，室内各测点的照度值产生了显著变化。室外为混凝土地面(反射率为0.2)时，相比于无地面反射，测点1的照度值增加了215 lux，增幅为9%，测点2的照度值增加了127 lux，增幅为29%，测点3的照度值增加了60 lux，增幅为39%。室外为积雪覆盖地面时(反射率为0.8)，相比于与地面反射，测点1的照度增加了803 lux，增幅为35%，测点2的照度值增加了523 lux，增幅为121%，测点3的照度值增加了244 lux，增幅为160%。由此可见在全晴天光气候条件下，室外地面反射光对室内中部和远窗处影响较大，且室外地面反射率越高，影响越大。

全阴天和全晴天光气候条件区别在于有无太阳直射光的存在，由上述模拟结果可以得出当太阳直射光存在时，室外地面反射光会对建筑低层室内光环境产生影响。因此，本文后续研究将默认在全晴天光气候条件下进行。

3.2 采光口方向的影响

上文已经得出南向采光时，室外地面反射光对建筑低层室内光环境的影响，因此笔者将采光口调整为北向进行模拟，并将其结果与南向采光时的结果进行比较，其模拟结果如图5所示。

从图5可以看出，在北向采光条件下，不同地面状况时，室内各测点的照度值产生显著变化。室外为混凝土地面(反射率为0.2)时，相比于无地面反射，测点1的照度值增加了113 lux，增幅为19%，测点2的照度值增加了96 lux，增幅为96%，测点3的照度值增加了54 lux，增幅为122%。室外为积雪覆盖地面时(反射率为0.8)，相比于与地面反射，测点1的照度增加了404 lux，增幅为69%，测点2的照度值增加了379 lux，增幅为382%，测点3的照度值增加了212 lux，增幅为481%。

将上述模拟结果与南向采光时的结果进行比较可以发现，北向采光时，室外地面反射光会对建筑低层室内天然光环境产生更显著的影响。在全晴天光气候条件下，由于北向采光时，室内天然光环境由天空漫射光和地面反射光组成，而南向采光时，室内天然光环境由太阳直射光、天空漫射光和地面反射光组成。因此，北向采光时，室外地面反射光对建筑低层室内天然光模拟产生更显著的影响。

3.3 地面距采光口远近的影响

上文已经从不同光气候条件和采光口方向两方面定性得分析了室外地面反射光对建筑低层室内天然光模拟的影响，下文将定量的分析地面反射光影响建筑低层室内天然光模拟的最有效地面区域。首先，需要将面向采光口的地面区域进行划分，将地面划分成平行于采光口所在立面的12个区域，每个区域的宽度为1 m，地面划分示意图如图6所示。

为了模拟单个地面区域对室内天然光环境的影响，以第1区的模拟为例，将第1区的地面反射率设为0.2，其他区域和地面默认反射率都设为0，再将此次模拟所得到的室内各测点照度值与无地面反射时的室内各测点照度相减，得到室内各测点的照度值的增量，重复上述操作依次得到各个单区域所产生的室内各测点照度值增量，结果以折线图表示如图7所示。

1)南向采光。

由图7可以看出，南向采光时，室内各测点的照度值增量的峰值均出现1 m～2 m的区域，测点1的照度值增量峰值为83 lux，测点2的照度值增量峰值为25 lux，测点3的照度值增量峰值为6 lux。在0 m～5 m的区域内有较大的影响，测点1的累积照度值增量为200 lux，测点2的累积照度值增量为69 lux，测点3的累积照度值增量为23 lux。在9 m之后各测点的照度值增量开始趋向0，可以看出在此次模拟中，地面反射光影响建筑低层室内天然光环境的极限距离约为9 m。

2)北向采光。

由图8可以看出，北向采光时，室内各测点的照度值增量的峰值均出现2 m～3 m的区域，测点1的照度值增量峰值为36 lux，测点2的照度值增量峰值为21 lux，测点3的照度值增量峰值为5 lux。在1 m～6 m的区域内有较大的影响，测点1的累积照度值增量为79 lux，测点2的累积照度值增量为51 lux，测点3的累积照度值增量为17 lux。在10 m之后各测点的照度值增量开始趋向0，可以看出在此次模拟中，地面反射光影响建筑低层室内天然光环境的极限距离约为10 m。由于在全晴天光气候条件下，北向采光时地面会有一部分被阴影遮盖，因此其引起室内照度值增量峰值的地面区域较南向采光时较远。

综上所述，在全晴天光气候条件下，地面反射光影响建筑低层室内天然光模拟存在一定的有限范围，且在近窗处有一段最有效的影响范围，在进行室内天然光设计时，可以利用这一点进行优化。