某超低能耗超高层建筑被动式自然采光策略研究_闫明.pdf

建筑行业节能节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 20238某超低能耗超高层建筑被动式自然采光策略研究闫明1 王东青2，3 康一亭2，3 张东杰4 吴剑林2，3 刘志娟5 邢英瑞2（1.中铁置业集团有限公司设计研发事业部，北京 100071；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.建科环能科技有限公司，北京 100013；4.哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江 哈尔滨 150001；5.四川省建筑设计研究院有限公司，四川 成都 610000）摘要：以某超低能耗超高层建筑模型为研究对象，采用Ecotect Analysis工具模拟分析该被动式超低能耗建筑的采光性能，评价其能否达到绿色建筑标准中的相关要求。结果显示：在4层、19层和77层典型楼层可见光透射比为0.6的情况下，建筑采光状况良好，内区采光可以满足绿色建筑标准的自然采光的需求，且满足至少50%的空间、50%的时间下采光系数达到3.3%（495 lux）的要求。计算结果为被动式超低能耗建筑的自然采光设计及节能评价提供参考。关键词：自然采光；超低能耗；采光系数；空间天然采光百分比中图分类号：TU113.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）05-0008-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003Research on passive natural lighting strategy of an ultra-low energy consumption ultra-high-rise buildingYAN Ming WANG Dong-qing KANG Yi-ting ZHANG Dong-jie WU Jian-lin LIU Zhi-juan XING Ying-ruiAbstract：Taking an ultra-low energy consumption ultra-high-rise building model as the research object,the Ecotect Analysis tool was used to simulate and analyze the daylighting performance of the passive ultra-low energy consumption building and evaluate whether it could meet the relevant requirements of green building standards.The results show that the lighting condition of building is good when the visible light transmission ratio of the 4th floor,19th floor and 77th floor is 0.6.The lighting in the inner area can meet the natural lighting requirements of the green building standard,and the lighting coefficient can reach 3.3%(495 lux)in at least 50%of the space and 50%of the time.The calculation results provide reference to natural lighting design and energy-saving evaluation of passive ultra-low energy buildings.Key words:natural lighting;ultra-low energy consumption;daylighting coefficient;percentage of natural lighting in the space引言截至2021年，中国建筑运行总商品能耗为11.1亿吨标准煤，碳排放总量为22.0亿t CO2，其中，北方城镇供暖能耗为2.12亿吨标准煤，碳排放总量为4.9亿t CO21。建筑照明能耗是运行能耗的重要组成部分，利用自然采光可以节约照明能耗，改善室内生态环境，是降低建筑能耗、减少碳排放的重要路径之一。Sharifah2等以良好的采光和减少照明能耗为目标，对不同透明围护结构下的室内采光和照明能耗进行模拟分析，确定合适的玻璃材质和透明围护结构选型，使照明能耗降低25%。Lee3等分析窗墙比、外窗传热系数、太阳能得热系数、可见光透射比等关键参数对室内采光和照明能耗的影响，利用回归分析进行优化设计，降低了照明能耗和室内采光性能。刘蕾4对哈尔滨公共建筑的照明能耗和采暖能耗进行调研分析，建立典型建筑模型，对影响能耗的参数进行敏感性分析，确定主要参数，建立室内照明能耗预测模型。刘涛5等依据天津地区的光气候特征，以典型住宅为对象，利用Ecotect软件模拟室内采光状况，分析不同外窗构造尺寸、窗墙比等参数对室内采光的影响。经过优化，使室内自然采光系数达到设计要求。陈庆周6采用被动式和风光互补设计策略，结合被动式设计与室内采光，实现建筑朝向、户型设计和窗墙比等因素的协同优化，在降低能耗的同时保证室内自然采光效果。李迪萌7通过优化被动式超低能耗办公建筑的透明围护结构，模拟外窗对室内自然采光、照明能耗和采暖能耗的影响。结果表明，窗墙比、可见光透射比作者简介：闫明（1980），男，本科，高级工程师，研究方向为建筑设计。收稿日期：2023-01-04引用本文：闫明，王东青，康一亭，等.某超低能耗超高层建筑被动式自然采光策略研究 J.节能，2023，42（5）：8-11.建筑行业节能9NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION是影响室内自然采光的关键因素。为了满足室内自然采光要求，应在减少建筑采暖能耗和制冷能耗的前提下选择外窗面积较大和可见光透射比较高的外窗玻璃材质。随着超低能耗、近零能耗建筑技术不断发展，提升建筑自然采光、降低照明能耗具有重要意义。以某超低能耗超高层建筑为模型，对室内自然采光进行模拟分析，计算典型楼层采光系数、空间天然采光百分比等，并对照绿色建筑评价标准和建筑采光设计标准的要求，对室内自然采光效果进行评价，以达到提升室内自然采光效果和降低照明能耗的目的。1研究方法1.1采光系数采光系数(DF)指在室内给定的某一平面上的点，直接或间接接收的已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度，与相同时刻下该天空半球在建筑室外无遮挡时，水平面上产生的天空漫射光照度的比值8。采光系数为室内某位置的自然光与室外太阳光之间的百分比。C=EnEw100%(1)式中：En室内照度，lux；Ew室外照度，lux。采光设计标准将我国划分为5个光气候区，建筑所在位置属于类光气候区。依据采光系数乘以光气候区对应的光气候系数K，可以得到各光气候区对应的采光系数。各个光气候区的光气候系数K值如表1所示。各采光等级参考平面上的采光标准值如表2所示。其中，民用建筑参考平面取地面上方0.75 m平面，公共场所取地面。1.2空间天然采光百分比空间天然采光百分比(sDA)为工作平面符合天然采光百分比要求的部分占所有空间面积的比值，为动态评价指标。美国绿色建筑评价体系(LEED)中的能源评级系统对室内空间的天然采光百分比进行规定，建筑内每个空间应满足sDA300/50%55%或sDA300/50%75%才能得到日光积分，为23积分。该动态指标为绿色建筑的室内自然采光提供依据。1.3采光分析工具目前常用的光环境模拟软件有Lightscape、Daysim、Ecotect、Radiance、Desktop Radiance等。（1）Lightscape主要适用于采光的渲染，模拟采光时缺少必要的天空模型，无法对相关参数进行计算分析。（2）Daysim可以计算建筑的全年照明能耗，对采光进行动态分析。但该软件缺少建模功能，需利用其他软件建模再导入，进行控制照明模式设置，完成采光分析。（3）Ecotect功能较为全面，建模操作方便，可视化能力强，可以针对围护结构不同位置进行采光分析，但其采用CIE全阴天空模型，模拟最不利的天气状况，局限性较大。（4）Radiance是较权威的采光和照明模拟软件，在建筑光环境模拟分析领域运用较多，计算结果较为精确。综合各软件的优缺点和适用范围，采用 Ecotect 和Radiance相结合的方式完成建筑的采光模拟分析。2案例分析2.1模型建立以某超低能耗超高层建筑为模型，进行室内自然采光分析。建筑共100层，高度459.75 m，低层为办公用房，中高层为公寓式住宅。根据设计图纸进行建模，某超低能耗超高层建筑模型如图1所示。表1各个光气候区的光气候系数K值项目K值室外天然光照度值/lux类0.8518 000类0.9016 500类1.0015 000类1.10135 000类1.2012 000表2各采光等级参考平面上的采光标准值采光等级12345侧面采光采光系数标准值/%54321室内自然采光照度标准值/lux750600450300150顶部采光采光系数标准值/%55555室内自然采光照度标准值/lux75045030015075建筑行业节能10节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023为了评价不同楼层的采光性能，分别选取第4层、19层和77层为典型楼层进行计算分析。由于建筑体量巨大，对部分参数进行简化设置，建筑室内自然采光模拟过程中，考虑周围建筑对其的遮挡作用，也考虑自身遮挡作用，忽略室内家具等设施的影响。2.2天空模型选择在采光模拟计算中，将天空分布模型分为4个类型，分别是晴天模型、全阴天模型、多云天模型和均匀天空模型：（1）晴天模型指在天空无云或云量很少的情况下，模型室内自然采光由太阳直射光和太阳漫反射光两部分组成，适用于晴天数量较多、太阳辐射较为充足的地区，如位于我国第类光气候分区的西藏自治区拉萨市等地区。（2）全阴天模型指太阳光大部分被云层遮住，室内的自然采光主要由天空漫反射光组成。天空亮度处于较为稳定的状态，天空亮度分布较为均匀。该模型适用于晴天数量较少、太阳辐射较为不足的地区，如位于我国第类光气候分区的四川省成都市等地区。（3）多云天空模型指介于晴天模型和全阴天模型之间的情况，更符合现实状态下的天空情况。多云天空模型下，太阳经常被云层遮挡，使太阳照度和天空亮度处于不断变化过程中。（4）均匀天空模型是指均匀一致的天空模型，在实际情况中很难出现，通常用于部分多雾的天气情况下。按照我国国家采光标准规范，结合天气情况，选择CIE全阴天模型作为采光模拟天空模型。2.3参数设置参照建筑采光设计标准中对建筑室内不同部位反射比限定参考值的要求，对室内构造材料表面反射比进行设置。建筑室内不同部位反射比如表3所示。依据项目所处光气候分区，天然光年平均总照度设定为30103 lux，室外临界照度值为13 500 lux，内墙面为白色涂料饰面粉刷，材料反射比取0.75；室内顶棚反射比取0.78；底板反射比取0.35，其余参数按照软件默认值进行设置。3结果与分析3.1内区自然采光计算结果在Ecotect中执行Lighting Analysis命令，获取4层内区空间采光效果。4层内区采光系数计算结果如图2所示。不同颜色填充区域代表不同采光等级。由图2可知，由外至内采光系数不断减小，最大采光系数超过10.40%，最小采光系数为1.4%。采光系数大于3.3%的区域占总区域面积的70.41%。19层内区采光系数计算结果如图3所示。由图3可知，19层内区的采光系数最低值为4.8%，满足采光系数3.3%要求的比例为100%，该楼层自然采光效果全部满足标准规范中的规定。77层内区采光系数计算结果如图4所示。由图4可知，77层内区的采光系数最