基于Dynamic Daylighting 软件的采光系数与实测采光系数的比较研究——以某学院多媒体教室为例

张 艳，冉茂宇

（1.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231；2.华侨大学 建筑学院，福建 厦门 361021）

作为学生学习的主要场所，教室的光环境直接影响学生的生理和心理健康，充足的天然采光更有利于提高学生的学习积极性和效率[1]。近年来，一些新建或扩建教学楼的设计多注重外观形象，设计的教室很少能做到充分利用天然光，从而导致人们过度依赖人工照明现象的产生。良好的天然采光可以最大限度地利用天然光代替人工照明，减少相应的照明能耗。因此，无论是从减少建筑能耗还是考虑学生生理和心理健康方面，天然采光对于营造良好的教室光环境都是十分重要的。

目前，国内对多媒体教室天然采光的研究，一部分是通过对多媒体教室天然采光的状况进行调研展开的，另一部分是通过实测与软件模拟分析相结合来评价多媒体教室天然采光情况的。彭小云[2]对多媒体教室的光环境进行了分析研究，通过分析多媒体教室的光环境所要达到的要求，对多媒体教室采光提出一些设计方法。李振霞等[3]通过实地调研和测试对多媒体教室的光环境问题进行总结和分析，并提出了改进意见。赵华[4]对天津大学和南开大学进行了实地调研和大量问卷调查，总结了多媒体教室在天然采光方面存在的问题。王莉莉[5]通过分析实际案例，了解教学建筑设计中空间光环境的设计方法，利用Ecotect、Radiance 等光环境模拟软件进行了建筑光环境的模拟分析。关高庆[6]对高校多媒体教室的天然采光进行了研究，利用Radiance 软件模拟得出多媒体教室在最不利采光条件和最不利时段下的具体采光方案。陆帆[7]针对多种光环境模拟软件，如Ecotect、IES、DesignBuilder 和绿建斯维尔，分析了各种模拟软件之间的计算误差和影响因素。白佳喜等[8]针对多媒体教室在光环境与暗环境之间存在的矛盾，通过问卷调查和实地测量对宁夏大学投入使用的多媒体教室的采光环境进行了研究。上述研究结果表明，多媒体教室使用天然采光有利于营造良好的学习环境，提升教学质量。目前，我国以现行的《建筑采光设计标准》（GB 50033—2013）中的采光系数标准值作为天然采光设计的评价指标，根据不同建筑类型和光气候分区给出了对应的采光系数标准值[9]，试图通过限定评价指标来规范建筑采光设计。由此，为了评价浙江同济科技职业学院多媒体教室的天然采光设计情况，本文对实测计算的静态采光系数和应用Dynamic Daylighting 软件模拟的动态采光系数进行比较分析，以便在今后能够为改善多媒体教室的光环境和优化采光设计提供理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本文以浙江同济科技职业学院教学楼B311，B314，B319 多媒体教室为研究对象。B311 多媒体教室正南向，长、宽、高尺寸分别为8.70 m×7.40 m×3.70 m，南侧窗、墙为外窗、外墙，东、北、西三侧均为内窗、内墙；B314 多媒体教室的长、宽、高尺寸分别为8.80 m×7.45 m×3.70 m，北侧窗、墙为外窗、外墙，东、南、西三侧均为内窗、内墙；B319 多媒体教室南偏东45°，长、宽、高尺寸分别为12.55 m×7.55 m×3.70 m，南侧窗、墙为外窗、外墙，东、西侧墙为外墙，北侧窗、墙为内窗、内墙。多媒体教室相关信息见表1。多媒体教室为开展教学活动的场所，大部分时间室内人员静坐于书桌前，B311，B314，B319 多媒体教室位置和模型示意如图1～图2 所示。

图1 教学楼B311，B314，B319 多媒体教室位置示意图

图2 B311，B314，B319 多媒体教室模型示意图

表1 多媒体教室相关信息

1.2 研究方法

（1）现场测试法。在浙江同济科技职业学院内，选定不同类型或不同尺寸的多媒体教室在典型气象条件下一天内（秋分日）不同时段进行天然采光测试，计算静态采光系数，评价多媒体教室的光环境设计是否符合采光标准的要求。

（2）模拟测试法。应用Dynamic Daylighting 软件对相同多媒体教室在同等条件下的动态采光系数进行模拟，验证现场测试的真实性和软件的可靠性，使其相互印证。

（3）比较分析法。比较分析现场测试得到的静态采光系数与软件模拟得到的动态采光系数在结果上出现的差别及可能的原因，科学评价多媒体教室的天然采光设计情况。

2 实测计算静态采光系数

实测多媒体教室所在地杭州在光气候分区中属于IV 类，因此光气候系数K 值取1.10。根据《建筑采光设计标准》第4.0.4 条规定：教育建筑的普通教室的采光不应低于采光等级Ⅲ级的采光标准值，侧面采光的采光系数不应低于3.0%，室内天然光照度不应低于450 lx[10]。

实测时间为2020 年9 月22 日，阴，气温24～28 ℃，天空状况为全阴天，选择10:00—14:00 时间内的10:00 时刻进行测量。选择这个时间节点是因为《采光测量方法》（GB/T 5699—2017）第6.1.2 条规定：照度测量应选在一天内照度相对稳定的时间内进行，即选取当地时间上午10 时至下午2 时。按照民用建筑来选择参考平面，利用照度计测得参考平面上各测点的照度，同时测得在室外无遮挡水平面上由天空漫射光所产生的室外照度。而后对采集的照度数据进行统计，按照以下公式[11]计算采光系数平均值作为采光系数标准值。

式中：Cav为采光系数平均值，%；Ci为在第i 个测点上的采光系数，%；M 为纵向测点数；N 为横向测点数。

B311，B314，B319 多媒体教室采光测量布点如图3 所示。

图3 B311，B314，B319 多媒体教室采光测量布点图

经过统计计算得出：教学楼B311 多媒体教室侧面采光的采光系数值为6.28%，大于3.3%（所在地区的采光系数标准值应乘以相应地区的光气候系数K），满足采光要求；教学楼B314 多煤体教室侧面采光的采光系数值为3.62%，大于3.3%，满足采光要求；教学楼B319 多煤体教室侧面采光的采光系数值为5.38%，大于3.3%，满足采光要求。B311，B314，B319 多媒体教室各测点实测静态采光系数分布如图4 所示。

图4 B311，B314，B319 多媒体教室各测点实测静态采光系数分布图

在实测的时候，天空中云量多，未出现太阳直射光，天空中只有漫射光，判断天空状况为全阴天。这种对于天空状况的判断是一种主观评价，更加科学严谨的方法是利用天空亮度测量仪器（如EKO 天空扫描仪MS-321RL）对实时天空亮度分布进行测量。本文将测量得到的数据分别与《日光的空间分布CIE一般标准天空》（GB/T 20148—2006）中列举的15 种天空类型的天空亮度分布计算数据进行比较，分别求出它们的均方根值，取均方根值最小的那个天空类型为实际天空类型。然而，在实际测量中，由于设备成本高，测量点多，其应用范围受到了限制。苏航等[12]在《基于15 个天空测量点亮度值对CIE 标准下的实际天空类型实时分类方法》论文中提出了基于分类树程序实现CIE 天空种类的识别方法：提取15个与天空分布特征相关的特定位置天空的亮度点，通过亮度点间存在的相关变量建立分类树模型，最终获得可实时识别实际天空所属的CIE 天空种类的分类树程序，进而实现实时识别天空类型的目的。他们通过对哈尔滨地区的天空情况进行CIE 一般天空实时分类结果验证，证明该方法针对该地区具有很高的准确度，但是对于其他地区是否具有同样的适用性，目前缺乏有力的证据。

3 Dynamic Daylighting 软件模拟动态采光系数

Dynamic Daylighting 软件模拟动态采光系数时，在能够准确判断天空类型的前提下，提供了16 种CIE 天空模型和使用每小时的气象数据（use hourly weather data）等选择方式。如果对天空类型的判断还存在不确定性，使用每小时的气象数据进行模拟可能更为合适。目前，在我国用于采光模拟的典型气象年数据来源主要有CSWD（chinese standard weather data），CTYW（chinese typical year weather），IWEC（international weather for energy calculations）和SWERA（solar and wind energy resource assessment）4 种类型[13]，本次模拟分析采用CSWD 数据。

本文对2020 年9 月22 日10:00—14:00 时间段内的B311，B314，B319 多媒体教室的采光情况进行模拟，分析其动态采光系数。与实测情况不同的是模拟分析对象中未放置桌椅、柜子、多媒体讲台、黑板等家具和教学设备。围护结构的光学参数如表2所示。

表2 围护结构的光学参数

值得注意的是，在10:00—14:00 时间段内应用CSWD 气象数据模拟时，使用CIE 天空模型根据瞬时直接、漫射辐射和（或）照度生成了动态天空亮度分布，因此，多媒体教室的采光系数分布是实时动态变化的，是基于CBDM（climate-based daylight modelling）的动态采光系数。这就使得模拟更加接近于真实的天空状况，而不是主观判断的天空状况，因而得到的动态采光系数比实测计算得到的静态采光系数更加合理。

B311 多媒体教室10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 几个整点的动态采光系数分布情况如图5 所示。由图5 可知，B311 多媒体教室在10:00 采光系数值是6.19%，在11:00 采光系数值是7.44%，在12:00 采光系数值是7.57%，在13:00 采光系数值是6.32%，在14:00 采光系数值是5.58%。计算得出在10:00—14:00 时间段内教学楼B311 多煤体教室侧面采光的平均采光系数值为6.62%。这与实测计算的采光系数值（6.28%）存在一定差别。

图5 B311 多媒体教室在10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 的采光系数分布图

B314 多媒体教室10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 几个整点的动态采光系数分布情况如图6 所示。由图6 可知，B314 多媒体教室在10:00 采光系数值是3.75%，在11:00 采光系数值是3.48%，在12:00 采光系数值是3.29%，在13:00 采光系数值是3.74%，在14:00 采光系数值是4.76%。计算得出在10:00—14:00 时间段内教学楼B314 多媒体教室侧面采光的平均采光系数值为3.80%。这与实测计算的采光系数值（3.62%）存在一定差别。

图6 B314 多媒体教室在10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 的采光系数分布图

B319 多媒体教室10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 几个整点的动态采光系数分布情况如图7 所示。由图7 可知，B319 多媒体教室在10:00 采光系数值是6.70%，在11:00 采光系数值是6.96%，在12:00 采光系数值是5.59%，在13:00 采光系数值是4.50%，在14:00 采光系数值是4.66%。计算得出在10:00—14:00 时间段内教学楼B319 多媒体教室侧面采光的平均采光系数值为5.68%。这与实测计算的采光系数值（5.38%）存在一定差别。

图7 B319 多媒体教室在10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 的采光系数分布图

4 Dynamic Daylighting 软件计算精度验证及其与主流工具使用天空方程的区别

4.1 计算精度验证

Dynamic Daylighting 软件的开发者Dr.Andrew Marsh 通过使用完全相同的房间模型与Radiance的模拟结果进行直接比较和验证，测试的方法和结果可以参见题为Towards dynamic real-time daylight simulation 的详细报告[14]。对比分析表明：

（1）在同一个室内参考平面上，使用该工具计算的采光系数与使用Radiance 计算的采光系数有很高的相关性。并且对于大多数常见房间配置而言，相关性非常接近。

（2）分量光通法存在一定局限性，它不太适合具有很高的表面平均反射率和三维尺度中最小维度的尺寸小于另外两维尺寸平均值25%的房间。

（3）在更大范围的房间，在窗户和表面参数确定的情况下，当处理小的或分开的窗户情况时，使用该工具进行模拟比使用Radiance 稳定得多。

（4）由于该工具运行速度足够快，可以在用户动态操纵计算参数时实现采光分布的实时视觉反馈，这就使得它能够成为宝贵的教育资源，其用户可以使用交互的方式调查采光分布、房间尺寸、表面特性、窗户尺寸及其在围护结构中的位置这些因素之间的关系。

（5）当使用相对简单的矩形房间模型进行模拟时，计算空间采光分布的过程可以获得极大的优化，这为该工具的开发提供了巨大的潜力，使其可以基于CBDM 以及更复杂的遮光和玻璃系统，应用动态和累积的天空亮度条件进行分析。

4.2 Dynamic Daylighting 软件与主流工具使用天空方程的区别

Dynamic Daylighting 软件在模拟15 种CIE 天空模型（不包括传统阴天天空）中的任意一种时，使用的数学方程是ISO 在2004 年于ISO 15469：2004（E）/CIE S 011/E：2003 中发布的CIE 一般标准天空方程[15]，而不是R.Perez 等在1993 年于All-weather model for sky luminance distribution：Preliminary configuration and validation 一文中发布的Perez 全天候天空方程[16]。用于采光模拟的主流工具，如Radiance，DaySim，HoneyBee 使用的代码却是以Perez 全天候天空方程为基础编写的，Radiance：gendaylit.c 使用的代码如图8 所示[17]，Radiance：gendaymtx.c 使用的代码如图9 所示[18]，HoneyBee：gendaylit.py 使用的代码如图10所示[19]。似乎目前所有相关主流工具中使用的天空亮度分布代码都是来源于Jean-Jacques Delaunay 在1994 年为Radiance 编写的gendaylit.c 程序的早期版本，这些原始代码是Heart Consultants 从2001 年到2009 年开发的Helios 32 中日光计算的基础。2009 年这些代码又被添加到了Radiance 核心分布中。在这之后，Greg Ward 于2013 年以Helios 32 的代码为基础为Radiance 编写了gendaymtx.c 程序，随后DaySim 和HoneyBee 由编程人员继续以这些原始代码为基础编写而成。因为Jean-Jacques Delaunay 编写的原始代码是在ISO 15469：2004（E）/CIE S 011/E：2003 发布之前编写的，因此，这些工具使用的都是Perez 全天候天空方程，而没有更新为CIE 一般标准天空方程[20]。

图8 Radiance：gendaylit.c 使用的代码

图9 Radiance：gendaymtx.c 使用的代码

图10 HoneyBee：gendaylit.py 使用的代码

因为使用的天空方程不同使得用Dynamic Daylighting 和用Radiance，DaySim，HoneyBee 等主流工具进行采光模拟时获得的数据略有不同。

ISO 15469：2004（E）/CIE S 011/E：2003 中的CIE 一般标准天空方程，函数f 是能使某一天空面元的相对亮度与其距太阳的角距离产生关系的散射特性曲线：

其在天顶处的值为

其中c，e 是散射特征曲线参数；χ 是某一天空面元和太阳之间的最短角距离；Zs是太阳和天顶之间的角距离。

在Perez 全天候天空方程中，ζ 是某一天空面元和天顶之间的角距离，a 和b 是亮度的色调参数，γ即为χ，为某一天空面元和太阳之间的最短角距离。公式如下：

其中[1+c exp（dγ）+e cos2γ]相当于公式（2），区别在于相对于CIE 一般标准天空方程而言，Perez 全天候天空方程中没有出现-exp（dπ/2）。

5 结论与讨论

5.1 结论

（1）通过比较分析可知，对于教学楼B311，B314，B319 多媒体教室这类简单的房间配置，实测计算的静态采光系数和应用Dynamic Daylighting 软件模拟的动态采光系数，虽然在结果上非常接近，并且对各个参数的响应非常相似，均能够满足《建筑采光设计标准》中关于采光系数的要求，但是也存在一定差别。

（2）动态采光系数的模拟考虑了太阳光和非全阴天的天空光、房间的位置和朝向以及天空状况的实时变化，作为一种采光模拟的教育性工具，Dynamic Daylighting 软件应该能够广泛应用于建筑光环境的模拟分析。虽然Dynamic Daylighting 软件选择的天空方程与Radiance，DaySim，HoneyBee 等主流软件略有区别，但使用其计算的采光系数与使用主流软件计算的采光系数却有很高的相关性。

5.2 讨论

两种方式得出的采光系数存在差别的原因：可能是实测时教室里家具的反射率比地面反射率低，使得实测各测点的照度值比模拟的照度值低；也可能是在测量顶棚、墙体、地面等各部位构造的反射率时就存在误差；当然也可能是软件模拟应用的是典型气象年数据，与实际的气象参数可能存在差别。然而，不论是何种原因造成的差别，其结果均在可接受的阈值范围之内[21]。