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152基于动态光环境模拟下的绿色地下空间自然采光设计策略研究以上海地区天窗尺寸对地下空间自然采光系数的影响为例李秉璋上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200092摘 要：党的二十大报告提出，积极稳妥推进碳达峰和碳中和，而发展绿色建筑，减少建筑能耗，将为这一目标做出贡献。目前大量设计人员对于地下空间自然采光设计策略仍然停留在定性的角度，故文章对绿色建筑评价标准中天窗透光部分对地下空间采光效果的影响进行研究，模拟不同天窗透光面积下，地下空间采光系数的变化趋势和规律，尝试提出有效采光面积系数对不同情形下的采光效果进行评价，为设计人员在不同设计需求下采用的地下空间自然采光设计策略提供一定的理论支持。关键词：天然采光；数值模拟；设计策略DOI:10.19569/119313/tu.2023130511 绪论1.1 研究背景随着我国新型城镇化水平的提高，传统建筑建设标准已不适宜中国发展的需求，无论是从“碳中和”、“碳达峰”的角度，还是从人居环境的改善，新建建筑都需要考虑营造更加绿色、健康、适宜人居的生态环境。在地下空间绿色建筑设计中，自然采光可以在视觉和心理上削弱封闭地下空间所带来的单调、压抑等负面感受，增加空间的通透性和开敞感，改善地下空间人居环境质量。因此，对绿色地下空间自然采光设计策略进行研究，具有极大的实际意义和应用价值。1.2 研究目的对于国内大体量地下空间开发工程设计，对地下空间绿色建筑设计策略研究具有极大的实际意义和应用价值，本次研究拟对地下空间绿色建筑设计策略进行归纳、总结，并针对性地采用计算机模拟技术对地下空间光环境优化设计策略进行数值动态模拟，最终采用量化指标衡量不同天窗透光面积对地下空间光环境的影响1。1.3 研究内容、方法1.3.1 研究内容本论文中研究的主要内容集中在如下几个方面：采用计算机模拟技术模拟不同天窗透光面积下，地下空间采光系数的变化趋势和规律；提出有效采光面积系数的概念对不同情形下的采光效果进行评价。1.3.2 研究方法（1）文献阅读文献阅读是论文写作的重要环节，在研究的初始阶段查阅了与国内外天然采光环境研究的相关文献。（2）数值模拟采用数值模拟技术模拟不同天窗透光面积下，地下空间采光系数的变化趋势和规律。（3）对比分析对数值模拟结果进行分析，比较不同尺寸天窗与量化评价指标之间的关系。2 国内外研究现状首先，现有研究中大量的研究集中于定性分析，尤其倾向于理论研究，量化分析和微观分析的研究深度和广度还可以继续进行挖掘。其次，国内外对于建筑天然采光数值模拟研究给出的规律更加宏观，其研究和分析的方法使得模拟的结果更加偏向于普通公建或住宅的情况。最后，国内外对于天然采光的数值模拟研究更多是针对作者所在地建筑的研究，而非对规律的总结。综上，研究拟采用计算机模拟技术对地下空间光环境优化设计策略进行数值动态模拟，最终采用量化指标衡量不同天窗透光面积对地下空间光环境的影响2。3 研究工具3.1 软件介绍研究主要采用绿色建筑天然采光模拟分析软件PKPM-Daylight进行建模和室内采光计算。该软件获住建部建设行业科技成果评估、国家建筑工程质量监督检验中心双重认证；典型案例的软件计算值与实际工程测量值误差在7%以内。3.2 参数设置材料的材质、颜色、表面状况决定光的吸收、反射与投射性能，对建筑采光影响较大，模拟分析时需根据实际材料性状对参数进行选值。研究参照绿色建筑评价标准GB/T 50378-2019、节能环保153民用建筑绿色性能计算标准JGJ/T 449、建筑采光设计标准GB 50033-2013的表5.0.4及附录D及全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇-建筑中表6.3.1。对各种不同材料构造的光学性能参数提供的参考指导值进行赋值计算分析3，本项目玻璃及内饰面材料光学性能参数取值具体如表1所示。表1 目标建筑材料光学性能参数4 模拟方案对于地下空间天窗设计，具体的变量包含城市、天窗高度（本研究中特指天窗相对地下空间顶板底的高度，即地下空间覆土及天窗出地面高度之和）、地下空间净高、天窗尺寸、天窗可见光透射比等。综合考虑各项信息，本次研究拟对上海市、天窗高度2.5m、地下空间净高4.0m、可见光透射比为0.5的情况下，25种天窗尺寸的模拟。5 结果与分析对上海市、天窗高度2.5m、地下空间净高4.0m、可见光透射比为0.5的情况下，25种天窗尺寸的模拟，结果如表2所示。构造部位材料内饰面反射比可见光透射比墙面 1绿建新国标推荐值0.60-顶棚 1绿建新国标推荐值0.75-地板 1绿建新国标推荐值0.30-天窗尺寸长度（m）246810宽度（m）246810表2 天窗尺寸模拟表对数据进行处理，将不同天窗长度下，天窗宽度和平均采光系数峰值绘制在坐标轴上，并将同一天窗长度下的点连接，得到如下图所示天窗尺寸与平均采光系数峰值关系图。图1 天窗尺寸与平均采光系数峰值关系图可以看到，天窗尺寸越大，平均采光系数峰值越大，但如果以2m作为天窗最小尺寸，随着天窗尺寸的增加，平均采光系数峰值的增加趋于平缓4。同理，将不同天窗长度下，天窗宽度和平采光系数不小于0.5的面积绘制在坐标轴上，并将同一天窗长度下的点连接，得到如下图所示天窗尺寸与采光系数不小于0.5%的面积关系图。图2 天窗尺寸与采光系数不小于0.5%的面积关系图节能环保154可以看到，天窗尺寸越大，采光系数不小于0.5的面积越大，同时随着天窗尺寸的增加，采光系数不小于0.5的面积增加基本为线性分布。对数据进行二次处理，定义天窗面积系数C，其含义为采光系数不小于0.5的面积R与天窗面积A的比值。C=R/A，其中C=天窗面积系数，R=采光系数不小于0.5的面积，A=天窗面积。将天窗面积A和采光系数不小于0.5的天窗面积系数C（0.5%）绘制在坐标轴系中，经过拟合后可得如下曲线5-6。图3 采光系数不小于0.5%的天窗面积系数拟合图可以看到采光系数不小于0.5的天窗面积系数y与天窗面积x之间的关系可以采用如下公式：y=-0.035x+9.1384其中，y为天窗面积系数，即采光系数不小于0.5的面积与天窗面积之比，x为天窗面积。注：按照绿色建筑评价标准GB/T 50378-2019中要求，地下空间平均采光系数不小于0.5的面积与地下室首层面积的比例达到10以上，即可得分，故本次研究中认为地下空间平均采光系数不小于0.5即为有效天然采光。6 结论1）天窗尺寸越大，平均采光系数峰值越大，但如果以2m作为天窗最小尺寸，随着天窗尺寸的增加，平均采光系数峰值的增加趋于平缓。2）天窗尺寸越大，采光系数不小于0.5的面积越大，同时随着天窗尺寸的增加，采光系数不小于0.5的面积增加基本为线性分布7-8。3）在上海市、天窗高度2.5m、地下空间净高4.0m、可见光透射比为0.5的情况下，采光系数不小于0.5的天窗面积系数y与天窗面积x之间的关系式如下：y=-0.035x+9.1384其中，y为天窗面积系数，即采光系数不小于0.5的面积与天窗面积之比，x为天窗面积。7 未来研究计划接下来进一步对不同城市、不同天窗高度、不同地下空间净高、不同天窗尺寸、不同天窗可见光透射比的工况进行模拟，分别总结适合各个工况下的有效采光面积系数公式，并尝试探寻适配更多工况的通用公式（及将多个单变量公式整合为一个多变量公式）9。参考文献：1 Optimising Window Design on Residential Building Facades by Considering Heat Transfer and Natural Lighting in Nontropical Regions of AustraliaJ.BuildingsVolume 10,Issue 11.2020.PP 206.2 Design Analysis of Natural Lighting and Ventilation of Underground Garage with the Computer-aided TechnologyJ.Journal of Physics:Conference SeriesVolume 1744,Issue 2.2021.3 王会一，金晶，田真.绿色建筑动态采光模拟方法J.绿色建筑,2020,12(04)：14-16+24.4 常建国,陈先志,范立,等.某示范建筑中庭冬季光热环境的实测与分析J.建筑节能,2020,48(10)：46-50+62.5 韦峰,曹航.基于自然采光优化的绿色办公建筑表皮研究J.建筑与文化,2021,3：55-57.6 毛以沫,赵立华.广州地区小学教室光环境调研分析J.住宅科技,2021,41(03)：54-58.7 刘景山,刘松茯,张晶.尼古拉斯格雷姆肖建筑创作中的生态技术研究以天然采光设计为例J.建筑与文化,2021,5：176-177.8 胡佳佳.动态采光条件下侧窗参数对建筑室内采光时长的影响探究J.安徽建筑,2020,27(8)：139-142.9 侯薇,袁景玉,高源,谭柯.传统民居的天然光环境优化研究J.建筑节能,2020,48(07)：134-140+162.作者简介：李秉璋，硕士，上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，设计师，工程师，研究方向：绿色建筑研究。节能环保