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6 采光计算

6.0.1 为便于在方案设计阶段估算采光口面积,按建筑规定的计算条件,计算并规定了表6.0.1的窗地面积比。此窗地面积比值只适用于规定的计算条件。如不符合规定的条件,需按实际条件进行计算。
    建筑师在进行方案设计时,可用窗地面积比估算开窗面积,这是一种简便、有效的方法,但是窗地面积比是根据有代表性的典型条件下计算出来的,适合于一般情况。如果实际情况与典型条件相差较大,估算的开窗面积和实际值就会有较大的误差。因此,本标准规定以采光系数作为采光标准的数量评价指标,即按不同房间的功能特征及不同的采光形式确定各视觉等级的采光系数标准值。在进行采光设计时,宜按采光计算方法和提供的各项参数进行采光系数计算,而窗地面积比则作为采光方案设计时的估算。
    原《建筑采光设计标准》GB/T 50033-2001对各种采光形式和各采光等级的窗地面积比进行了计算。将计算结果与我国已颁布的各类建筑设计规范中推荐的窗地面积比进行比较,除Ⅱ级采光标准(Cmin=3%)的设计、绘图室需要较大的开窗面积外,Ⅲ~Ⅴ级采光标准两者推荐的窗地面积比比较接近(表46)。

表46 窗地面积比的比较


    本标准将民用建筑和工业建筑的窗地面积比规定为统一值,其理由是通过多年来采光标准的应用,从使用功能上并没有根本的区别,而且从心理和生理需求上也逐渐趋于一致,故没有必要规定两种值。
    本标准规定窗地面积比时保留了原《建筑采光设计标准》GB/T 50033-2001的侧窗和天窗(原标准中的平天窗)的规定,侧窗采光的窗地面积比基本上对应原《建筑采光设计标准》GB/T 50033-2001的民用建筑窗地面积比,只是Ⅰ、Ⅱ级略有减少,Ⅳ、Ⅴ级略有增加,此窗地面积比除了考虑使用功能外,还考虑Ⅰ、Ⅱ级开窗面积过大会引起室内过热,Ⅳ、Ⅴ级略有增加同时也考虑了健康、舒适的需求。天窗采光的窗地面积比基本上对应原标准的工业建筑窗地面积比,比民用建筑取值略高也是合理的,因为窗地面积比值相差均不大,而且通常还要考虑遮阳。
    本标准所规定的窗地面积比既要考虑到能满足天然采光的要求,同时也要考虑到对建筑围护结构能耗的限制。侧面采光时,在控制采光有效进深的情况下,对房间的窗地面积比和对应的窗墙比进行分析计算,结果窗墙比基本上在0.2~0.4之间,符合建筑节能标准的要求。顶部采光多为大跨度或大进深的建筑,如果开窗面积过大,包括大面积采用透明幕墙的场所,本标准对采光材料的光热性能提出了要求。
    对于侧面采光,根据模拟计算,统计出与各采光等级相对应的采光有效进深,如表47所示。

表47 采光有效进深统计结果


注:采光有效进深未考虑室外遮挡。

    表中采光有效进深是在常规开窗条件下,控制窗宽系数(不包括高侧窗)的计算统计结果。同时编制组还选取窗地面积比为1/5和1/10的典型房间进行实验,测量所得结果表明,当采光系数达到标准值时,采光有效进深分别在2.5~3.0和4.0~4.5之间,实验也验证了标准中给出的有效进深是合理的。本标准给出侧面采光的有效进深对方案设计阶段指导采光设计,控制房间采光进深和采光均匀度具有实际意义,同时可对大进深采光房间的照明设计和采光与照明控制提供参考依据。
    对于实际使用较少的矩形天窗和锯齿形天窗,比较原标准中的窗地面积比数据,可得锯齿形天窗和矩形天窗的窗地面积比分别为平天窗的1.47倍和2.04倍。

6.0.2 采光计算
    1 侧面采光
    采光系数平均值的计算方法是经过实际测量和模型实验确定的,早在20世纪70年代就有国外学者在大量经验数据的整理基础上提出了采光系数平均值的计算公式。1979年,Lynes针对矩形侧面采光空间的平均天然采光系数总结出了如下的计算表达式:

式中:
    ADF——采光系数平均值;
    Ag——窗的净表面面积;
    At——包括窗在内的室内表面总面积;
    τ0——采光材料(玻璃)的透射比;
    θ——天空遮挡角;
    ρ——室内表面平均反射比。
    但Lynes所表示的采光系数平均值是针对所有室内表面而言的,不同于我们现在所指的室内参考平面上的采光系数平均值。提出经过经验数据得出的衡量室外遮挡因素的天空遮挡角参数,也是该表达式的一个重要意义。在随后的研究过程中,有关采光系数平均值的公式出现了多个修正版本。
    1984年Crisp和Littlefair在他们的论文中对Lynes的公式进行了修正。通过人工天空下的模型实验,他们发现Lynes的公式低估了模型空间内的采光系数平均值的实际情况,而且公式计算值与实测值总是偏差10%左右。基于新的研究数据,Crisp和Littlefair将Lynes的公式修正为:

    这个公式的计算结合同模型实验中的测量值更加吻合,并最终在北美照明工程学会(IESNA)和其他很多版本的规范中得到肯定和应用。
    哈佛大学的CF Reinhart在他近期的研究论文中展示了利用计算机模拟工具Radiance对上述两种采光系数平均值表达式的验证评估。验证结果如图3所示。


图3 简化公式与软件计算结果对比

    图3为修正公式求值和Radiance模拟值的比较结果,右图为Lynes原始公式和模拟值的比较结果;前者的吻合度可以归纳为函数y=1.1323x,后者的吻合度可以用函数y=0.813x表示。综合早期的模型试验、实际测量和后期的计算机模拟可以发现,有关采光系数平均值的理论公式计算结果、实测值和模拟值三者数据之间基本吻合,该验证工作是我们在标准修订过程中得以将公式计算和模拟结果综合应用的重要根据。
    结果表明,模拟计算结果与简化公式计算的结果比较吻合。
    2 顶部采光
    本计算方法引自北美照明手册的采光部分,该方法的计算原理是“流明法”。
    计算假定天空为全漫射光分布,窗安装间距与高度之比为1.5:1。计算中除考虑了窗的总透射比以外,还考虑了房间的形状、室内各个表面的反射比以及窗的安装高度,此外,还考虑了窗安装后的光损失系数。
    本计算方法具有一定的精度,计算简便,易操作。为配合标准的实施可建立较完善的数据库,利用计算机软件可为设计人员提供方便,快捷的采光设计。
    3 导光管采光系统是一种新型的屋顶采光技术系统。由于在天然光采集,传输以及末端漫射部分,采用了光学元件和技术,从而显著提高了天然光的利用效率和建筑内部利用的可能。该技术在2003年被美国门窗幕墙分级协会NFRC增补为新的采光产品门类,并被定义为:通过利用导光管将天然光从屋顶传导至室内吊顶区域的采光装置。该装置包含耐候的外窗体,内壁为高反射材料的光学传输管道和室内闭合装置。2007年美国建筑标准协会CSI将其列为新增产品目录。目前该技术也已经在国内出现,并在一些建筑中得到了良好的应用。
    导光管采光系统的计算原理是“流明法”,与顶部采光类似。采用导光管采光系统时,相邻漫射器之间的距离不大于参考平面至漫射器下沿高度的1.5倍时可满足均匀度的要求。由于导光管采光系统采用了一系列光学措施,晴天条件下采光效率和光分布同阴天有所不同,因此在晴天条件计算时需要考虑系统的平均流明输出以及相应的利用系数。有些厂家可以提供光强分布IES文件,利用通用计算机软件,实现逐点的照度分析计算。
    对于因受结构和施工条件限制的地下室、无窗、大进深或不宜开窗的空间宜采用导光管系统进行采光,其采光不足部分可补充人工照明。
    本计算方法未对混合采光做出规定,对兼有侧面采光和顶部采光的房间,可将其简化为侧面采光区和顶部采光区,分别进行计算。

6.0.3 对于大型复杂的建筑和非规则的采光形式,或需要逐点分析计算采光时可采用具有强大功能的通用计算机软件进行计算,同时还可以作节能分析和计算光污染。