自然采光模拟技术在绿色建筑设计与评估方面的应用
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Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Hourly Exterior Diffuse Horizontal llluminance
图 4 深圳地区天气状况全年逐时室外散射光照度统计图
式下采用采光系数为结果进行分析， 晴天模式下 以照度(单位：Lux)为结果进行分析。
120 000
Shenzhen, China-Global llluminance
100 000
llluminance / lux
80 000
60 000
40 000
20 000
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Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Hourly Exterior Global llluminance - Daylight Hours Hourly Exterior Global llluminance - Night Hours
2 外部光环境与天光可用性分析
建筑外部的光环境即所处区域的光气候和局 部场景所形成的光有关的环境特性。
由于我国幅员辽阔， 各地的光气候有很大差 别， 为此在 GB/T 50033—2001 《建筑采光设计标 准》 根据室外天然光平均总照度值大小将全国划 分为Ⅰ至Ⅴ类光气候区，深圳属于 III 区，是自然 光资源较为充沛的地区。
llluminance / lux
100 000 90 000 80 000 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000
0 Jan
图 3 深圳地区天气状况全年逐时室外天光总照度统计图
Shenzhen, China-Diffuse llluminance
估标准 ，按阴天模式和晴天模式进行 了应用分析 ，分析表明，中广 核大厦当前的北 楼 设 计 方 案 具 有 较 好 的 自 然 采 光 潜 力 ；
南楼的设计方案有利于避免自然光对办公活动的影响。
关键词：自 然 采 光 ；Radiance；绿 色 建 筑 设 计 ；绿 色 建 筑 评 估
中图分类号：TU-023
关于自然采光的设计的方法学也日臻系统 化、 成熟化， 如美国 Lawrence Berkeley National Labs LBNL 发 布 了 《Tips for Daylighting with Windows》 对 窗 体 设 计 进 行 指 导 ；CIBS 发 行 了 Lighting Guide LG10:1999 专门介绍自然采光与窗 体设计(Daylighting and windows design)。 在以节能 著称的世界范围广泛采用的绿色建筑评估体系 LEED(NC，CI，CS)中就提出可以通过计算机模拟 的方法来进行建筑典型光环境的照度水平和视野 范围的评估。 我国制定的 GB50033—2001《建筑采 光设计标准》 中对各类建筑在最不利天气状况下 的自然采光水平以采光系数作为指标进行计算， 计算方法相对比较简单。
本文以位于深圳市福田中心区的中广核大厦 为例，分析了建筑所处区域的天光可用性，并参考 我国绿色建筑和 LEED 中对自然采光的要求，利 用 Radiance 软件对建筑所处内外光环境进行模 拟，指导建筑自然采光设计。
53 2013 年 第 2 期
1 光环境计算模拟与绿色建筑体系自然采 光要求简介
Radiance 是美国劳伦斯伯克利国家实验 室 (Lawrence Berkeley National Labotratory，LBNL)开 发的基于反向光线跟踪模型的静态光环境模拟软 件， 其使用的辐照度缓存技术的混合式光线跟踪 算法能以相对较小的计算成本取得精确的计算结 果， 因此非常适合于在建筑光环境模拟领域中应 用。 Radiance 提供丰富的天空模型，包括了 CIE 标 准一般参考天空模型(分为晴天空、阴天空和多云 天空(中间天空)三大类)和接近真实情况的 perez 天空模型，也可以由用户定义天空亮度分布。
由逐时室外总照度数据计算深圳地区室外开 敞空间的逐时自然光总照度水平如图 3 所示。
按照约翰·玛达尔杰维思的“有用日光照度” 定 义 ， 每 年 指 定 空 间 位 置 的 照 度 水 平 在 100 ～ 2 000 lux 之间的时间都可以考虑利用自然采光策
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2013 年 第 2 期
Monthy average occurence of sky condition/%
环境，提高生活品质与工作的劳动生产率，减轻空调负荷需求等的优点。 以位于深圳福田中心区的中广核大厦为例，通过
分析深圳地区气象数据说明了该地区的外部自然光水平的可用性， 分析说明了在该地区的绿色建筑设计中采用自然光
照明具有良好的外部光环境基础； 结合自然采光模拟技术对中广核大厦底楼的室内光环境参照我国和美国绿色建筑评
▲
建筑技术研究
doi：10.3969/j.issn.1673-1093.2013.02.018
2013 年第 2 期 总第 192 期
自然采光模拟技术在绿色建筑设计 与评估方面的应用
韩杰
(广东大亚湾核电服务(集团)有限公司，广东 深圳 518000)
摘要：在绿色建筑设计中，充分利用自然采光具有可提高视觉舒适性，降低建筑照明能耗，进而可以达到改善居住 环境与工作
Radiance 提供的多种天空模型分布适用于不 同的绿色建筑评价体系。 在我国参照的 GB50033— 2001《建筑采光设计标准》中主要考虑建筑在最不 利天气状况下的自然采光水平， 采用了全阴天模 式和以采光系数作为指标进行计算。 而在绿色建 筑 LEED 评估体系中兼顾天光可用性与地区太阳 方位的影响， 采用晴天模式下的秋分日 9：00 和 15：00 两个典型时间点的建筑室内典型光环境的 照度水平进行评估。
早期的光环境设计，由于技术手段的限制，是 非定量的感性设计部分的重要内容。 建筑师通过 已有的经验来设计建筑形体和内外部布局， 以获 得良好的自然采光水平。 随着计算机辅助设计技 术的发展，特别是以 Radiance 软件的出现为契机， 建筑光环境模拟于 20 世纪 90 年代初开始在工程 上应用， 并逐步成为建筑光环境设计重要的辅助 设计手段[2-3]。 自然光环境模拟在很大程度上可以 做到定量化的分析指导照明分区设计和发现光环 境的不足与改进之处，避免不良的光现象，提高视 觉舒适性。 通过光环境模拟可以指导设计特定类
收稿日期：2012-11-12； 修回日期：2012-11-27
别的建筑，如学校、医院和教堂，利用光和视野环 境对人心理的影响来达到或加强预期的场景效 果。 而通过结合能耗模拟手段，可以定量化采用自 然采光技术对建筑能耗需求降低的贡献，据统计， 居住建筑中人工照明的电力能耗占总能耗的 10% 左右， 夏季通过采用自然采光可减少人工照明所 需电力的 40%～50%[4-5]。
略[7]。 可见，在深圳地区的白天室外的总天光照度 值非常高，具备自然采光的基础。
Shenzhen, China-Sky conditions 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
以深圳地区为例，根据美国能源部气象数据[6] 提供的深圳地区气象数据， 可以深圳地区自然光 环境对建筑自然采光策略的可用性。 2.1 天空状态
深圳地区天空出现晴天、 多云和阴天的逐月 与全年的统计信息如图 1 所示。
从图 1 可以看出，深圳全年阴天比例都较高。 各月份相比而言，11 月、12 月和 1 月晴天比例较 高，夏季的多云天气比率较高。 2.2 室外照度水平
可见， 在深圳地区的白天的散射光照度值也 非常高， 不仅说明该地区具备良好的自然采光基 础，而且由于散射光具有无方向性，在没有近距离 的遮挡建筑时， 采用自然采光策略对建筑及其外 门窗的朝向等设计没有特别要求；因此，建筑的各 侧立面采光和顶部采光均适用于该地区；另外，与 具有投射方向的直射太阳光相比， 散射自然光是 比较均匀柔和的天然光源， 这些优点也都有利于 建筑自然采光方案的灵活设计。
55 2013 年 第 2 期
到的 2%的采光系数的室内影响进深较大，达约 6 m。 北楼的主要功能为商业加办公，因此，根据采 光分析结果，若取 2%分界人工照明与自然光照明 区域， 即便不采取其他进一步有利于自然采光策 略， 在北塔一楼就有 60%以上区域可以使用自然 采光来进行工作照明。 对于南塔一楼，其主要功能 是大堂和临时展厅等对光有特殊要求的空间，因 此， 较为密集宽大的结构柱有利于屏蔽外界自然 光渗入。 图 6 的结果还显示当前设计下南塔一楼 室内空间受自然光影响区域较小， 有利于大堂及 展厅的活动不受外界光的影响， 大堂和展厅的灯 光的设计可以灵活进行布置。 3.2 晴天情况
3 内部光环境结果与分析
内部光环境采用具体案例即对中广核大厦进 行简要分析，采用场景模型如图 5 所示。
图 5 中金色几何为结构柱体金属外包面，红 色为核心筒，青色为玻璃幕墙。 考虑到采光最不利 的情况，对底层一楼的自然采光情况进行分析。 模 型中玻璃透光系数(VLT)为 0.6。 采光计算工作平 面高度为离地 0.8 m 高。 分析采用的天空模式参考 中国绿色建筑评估和美国绿色建筑 LEED 评估的 相关内容， 对全阴天模式及晴天模式下秋分日的 9：00 和 15：00 两个典型时间进行分析， 全阴天模
Lux 1 080
810 540 270
0
对于南塔而言，从图 7 中可以看出，深圳 9：00 的太阳高度角较低， 室内东部太阳直射光在工作 平面上的光影进深达约 7 m，加上可用散射光的范 围， 北塔东面的整个工作区域基本上都可以采用 自然光照明。 从图 8 还可以看出，15：00 的西面太 阳直射光的光影深度约 2 m，较小的光影深度意味 着室内太阳直射得热较少， 可以结合水平遮阳和 过渡季自然通风来实现较好的舒适性。 对南塔而 言，受自然光影响的范围很小，因此，建筑内部的 太阳直射得热小，有利于减少系统热负荷。 可见， 南塔和北塔的建筑设计细节上充分体现了其功能 实用性，北塔有利于办公空间自然采光，南塔有利 于大堂和展厅空间不受外界影响。
在 LEED 评估体系中， 对自然采光要求的模 型设置条件为晴天模式下， 计算时间点为秋分日 9：00 和 15：00。 参考此评价标准，对此场景的两个 时间点采用晴天模式进行模拟的结果如图 7、图 8 所示。
Lux 1 080
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0
图 7 北塔和南塔底层自然光室内工作平面照度云图 (红色代表照度在 1 080 Lux 及以上，晴天模式，秋分日 9：00)
3.1 全阴天情况 全阴天模式下计算得到的结果如图 6 所示。
DF
北塔
5
Hale Waihona Puke Baidu
4
南塔
3 2
1
0
图 5 深圳中广核大厦自然采光分析场景模型图
图 6 北塔和南塔底层工作平面自然采光系数云图 (红色代表 DF 在 5%及以上)
由图 6 可见， 北塔外周主要结构柱体距离较 大，柱体直径相对较小，因此，自然光在北塔内达
Clear Sky Partly Cloudy Overcast
图 1 深圳地区天气状况逐月统计图
Clear Sky 19%
Overcast 62%
Partly Cloudy 19%
图 2 深圳地区天气状况全年统计图
由逐时室外散射辐照数据推算深圳地区室外 开敞空间的逐时自然光散射照度水平如图 4 所示。
文献标志码：A
文章编号：1673-1093(2013)02-0053-04
0 引言
建筑光环境设计是建筑方案设计的重要内 容。 良好的光环境能改善人员的视觉舒适性，提高 人员的精神状态， 在居住区有利于人们生活品质 的提高，创造良好的家居环境；在工作场所有利于 提高人员的劳动生产率。 另外，通过在室内引入自 然光照明， 可以有效地减少建筑对人工照明的灯 光电力需求，并且对于热负荷明显的地区，减少由 人工照明所产生的热负荷， 进而降低由此带来的 空调系统负荷。 因此，在大型公建中，自然采光的 利用是低能耗可持续设计的基本内容之一， 也出 现了一批高水平的运用自然采光的建筑， 如纽约 报业总部大楼等。 [1]
图 4 深圳地区天气状况全年逐时室外散射光照度统计图
式下采用采光系数为结果进行分析， 晴天模式下 以照度(单位：Lux)为结果进行分析。
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Hourly Exterior Global llluminance - Daylight Hours Hourly Exterior Global llluminance - Night Hours
2 外部光环境与天光可用性分析
建筑外部的光环境即所处区域的光气候和局 部场景所形成的光有关的环境特性。
由于我国幅员辽阔， 各地的光气候有很大差 别， 为此在 GB/T 50033—2001 《建筑采光设计标 准》 根据室外天然光平均总照度值大小将全国划 分为Ⅰ至Ⅴ类光气候区，深圳属于 III 区，是自然 光资源较为充沛的地区。
llluminance / lux
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图 3 深圳地区天气状况全年逐时室外天光总照度统计图
Shenzhen, China-Diffuse llluminance
估标准 ，按阴天模式和晴天模式进行 了应用分析 ，分析表明，中广 核大厦当前的北 楼 设 计 方 案 具 有 较 好 的 自 然 采 光 潜 力 ；
南楼的设计方案有利于避免自然光对办公活动的影响。
关键词：自 然 采 光 ；Radiance；绿 色 建 筑 设 计 ；绿 色 建 筑 评 估
中图分类号：TU-023
关于自然采光的设计的方法学也日臻系统 化、 成熟化， 如美国 Lawrence Berkeley National Labs LBNL 发 布 了 《Tips for Daylighting with Windows》 对 窗 体 设 计 进 行 指 导 ；CIBS 发 行 了 Lighting Guide LG10:1999 专门介绍自然采光与窗 体设计(Daylighting and windows design)。 在以节能 著称的世界范围广泛采用的绿色建筑评估体系 LEED(NC，CI，CS)中就提出可以通过计算机模拟 的方法来进行建筑典型光环境的照度水平和视野 范围的评估。 我国制定的 GB50033—2001《建筑采 光设计标准》 中对各类建筑在最不利天气状况下 的自然采光水平以采光系数作为指标进行计算， 计算方法相对比较简单。
本文以位于深圳市福田中心区的中广核大厦 为例，分析了建筑所处区域的天光可用性，并参考 我国绿色建筑和 LEED 中对自然采光的要求，利 用 Radiance 软件对建筑所处内外光环境进行模 拟，指导建筑自然采光设计。
53 2013 年 第 2 期
1 光环境计算模拟与绿色建筑体系自然采 光要求简介
Radiance 是美国劳伦斯伯克利国家实验 室 (Lawrence Berkeley National Labotratory，LBNL)开 发的基于反向光线跟踪模型的静态光环境模拟软 件， 其使用的辐照度缓存技术的混合式光线跟踪 算法能以相对较小的计算成本取得精确的计算结 果， 因此非常适合于在建筑光环境模拟领域中应 用。 Radiance 提供丰富的天空模型，包括了 CIE 标 准一般参考天空模型(分为晴天空、阴天空和多云 天空(中间天空)三大类)和接近真实情况的 perez 天空模型，也可以由用户定义天空亮度分布。
由逐时室外总照度数据计算深圳地区室外开 敞空间的逐时自然光总照度水平如图 3 所示。
按照约翰·玛达尔杰维思的“有用日光照度” 定 义 ， 每 年 指 定 空 间 位 置 的 照 度 水 平 在 100 ～ 2 000 lux 之间的时间都可以考虑利用自然采光策
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Monthy average occurence of sky condition/%
环境，提高生活品质与工作的劳动生产率，减轻空调负荷需求等的优点。 以位于深圳福田中心区的中广核大厦为例，通过
分析深圳地区气象数据说明了该地区的外部自然光水平的可用性， 分析说明了在该地区的绿色建筑设计中采用自然光
照明具有良好的外部光环境基础； 结合自然采光模拟技术对中广核大厦底楼的室内光环境参照我国和美国绿色建筑评
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建筑技术研究
doi：10.3969/j.issn.1673-1093.2013.02.018
2013 年第 2 期 总第 192 期
自然采光模拟技术在绿色建筑设计 与评估方面的应用
韩杰
(广东大亚湾核电服务(集团)有限公司，广东 深圳 518000)
摘要：在绿色建筑设计中，充分利用自然采光具有可提高视觉舒适性，降低建筑照明能耗，进而可以达到改善居住 环境与工作
Radiance 提供的多种天空模型分布适用于不 同的绿色建筑评价体系。 在我国参照的 GB50033— 2001《建筑采光设计标准》中主要考虑建筑在最不 利天气状况下的自然采光水平， 采用了全阴天模 式和以采光系数作为指标进行计算。 而在绿色建 筑 LEED 评估体系中兼顾天光可用性与地区太阳 方位的影响， 采用晴天模式下的秋分日 9：00 和 15：00 两个典型时间点的建筑室内典型光环境的 照度水平进行评估。
早期的光环境设计，由于技术手段的限制，是 非定量的感性设计部分的重要内容。 建筑师通过 已有的经验来设计建筑形体和内外部布局， 以获 得良好的自然采光水平。 随着计算机辅助设计技 术的发展，特别是以 Radiance 软件的出现为契机， 建筑光环境模拟于 20 世纪 90 年代初开始在工程 上应用， 并逐步成为建筑光环境设计重要的辅助 设计手段[2-3]。 自然光环境模拟在很大程度上可以 做到定量化的分析指导照明分区设计和发现光环 境的不足与改进之处，避免不良的光现象，提高视 觉舒适性。 通过光环境模拟可以指导设计特定类
收稿日期：2012-11-12； 修回日期：2012-11-27
别的建筑，如学校、医院和教堂，利用光和视野环 境对人心理的影响来达到或加强预期的场景效 果。 而通过结合能耗模拟手段，可以定量化采用自 然采光技术对建筑能耗需求降低的贡献，据统计， 居住建筑中人工照明的电力能耗占总能耗的 10% 左右， 夏季通过采用自然采光可减少人工照明所 需电力的 40%～50%[4-5]。
略[7]。 可见，在深圳地区的白天室外的总天光照度 值非常高，具备自然采光的基础。
Shenzhen, China-Sky conditions 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
以深圳地区为例，根据美国能源部气象数据[6] 提供的深圳地区气象数据， 可以深圳地区自然光 环境对建筑自然采光策略的可用性。 2.1 天空状态
深圳地区天空出现晴天、 多云和阴天的逐月 与全年的统计信息如图 1 所示。
从图 1 可以看出，深圳全年阴天比例都较高。 各月份相比而言，11 月、12 月和 1 月晴天比例较 高，夏季的多云天气比率较高。 2.2 室外照度水平
可见， 在深圳地区的白天的散射光照度值也 非常高， 不仅说明该地区具备良好的自然采光基 础，而且由于散射光具有无方向性，在没有近距离 的遮挡建筑时， 采用自然采光策略对建筑及其外 门窗的朝向等设计没有特别要求；因此，建筑的各 侧立面采光和顶部采光均适用于该地区；另外，与 具有投射方向的直射太阳光相比， 散射自然光是 比较均匀柔和的天然光源， 这些优点也都有利于 建筑自然采光方案的灵活设计。
55 2013 年 第 2 期
到的 2%的采光系数的室内影响进深较大，达约 6 m。 北楼的主要功能为商业加办公，因此，根据采 光分析结果，若取 2%分界人工照明与自然光照明 区域， 即便不采取其他进一步有利于自然采光策 略， 在北塔一楼就有 60%以上区域可以使用自然 采光来进行工作照明。 对于南塔一楼，其主要功能 是大堂和临时展厅等对光有特殊要求的空间，因 此， 较为密集宽大的结构柱有利于屏蔽外界自然 光渗入。 图 6 的结果还显示当前设计下南塔一楼 室内空间受自然光影响区域较小， 有利于大堂及 展厅的活动不受外界光的影响， 大堂和展厅的灯 光的设计可以灵活进行布置。 3.2 晴天情况
3 内部光环境结果与分析
内部光环境采用具体案例即对中广核大厦进 行简要分析，采用场景模型如图 5 所示。
图 5 中金色几何为结构柱体金属外包面，红 色为核心筒，青色为玻璃幕墙。 考虑到采光最不利 的情况，对底层一楼的自然采光情况进行分析。 模 型中玻璃透光系数(VLT)为 0.6。 采光计算工作平 面高度为离地 0.8 m 高。 分析采用的天空模式参考 中国绿色建筑评估和美国绿色建筑 LEED 评估的 相关内容， 对全阴天模式及晴天模式下秋分日的 9：00 和 15：00 两个典型时间进行分析， 全阴天模
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对于南塔而言，从图 7 中可以看出，深圳 9：00 的太阳高度角较低， 室内东部太阳直射光在工作 平面上的光影进深达约 7 m，加上可用散射光的范 围， 北塔东面的整个工作区域基本上都可以采用 自然光照明。 从图 8 还可以看出，15：00 的西面太 阳直射光的光影深度约 2 m，较小的光影深度意味 着室内太阳直射得热较少， 可以结合水平遮阳和 过渡季自然通风来实现较好的舒适性。 对南塔而 言，受自然光影响的范围很小，因此，建筑内部的 太阳直射得热小，有利于减少系统热负荷。 可见， 南塔和北塔的建筑设计细节上充分体现了其功能 实用性，北塔有利于办公空间自然采光，南塔有利 于大堂和展厅空间不受外界影响。
在 LEED 评估体系中， 对自然采光要求的模 型设置条件为晴天模式下， 计算时间点为秋分日 9：00 和 15：00。 参考此评价标准，对此场景的两个 时间点采用晴天模式进行模拟的结果如图 7、图 8 所示。
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图 7 北塔和南塔底层自然光室内工作平面照度云图 (红色代表照度在 1 080 Lux 及以上，晴天模式，秋分日 9：00)
3.1 全阴天情况 全阴天模式下计算得到的结果如图 6 所示。
DF
北塔
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Hale Waihona Puke Baidu
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南塔
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图 5 深圳中广核大厦自然采光分析场景模型图
图 6 北塔和南塔底层工作平面自然采光系数云图 (红色代表 DF 在 5%及以上)
由图 6 可见， 北塔外周主要结构柱体距离较 大，柱体直径相对较小，因此，自然光在北塔内达
Clear Sky Partly Cloudy Overcast
图 1 深圳地区天气状况逐月统计图
Clear Sky 19%
Overcast 62%
Partly Cloudy 19%
图 2 深圳地区天气状况全年统计图
由逐时室外散射辐照数据推算深圳地区室外 开敞空间的逐时自然光散射照度水平如图 4 所示。
文献标志码：A
文章编号：1673-1093(2013)02-0053-04
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建筑光环境设计是建筑方案设计的重要内 容。 良好的光环境能改善人员的视觉舒适性，提高 人员的精神状态， 在居住区有利于人们生活品质 的提高，创造良好的家居环境；在工作场所有利于 提高人员的劳动生产率。 另外，通过在室内引入自 然光照明， 可以有效地减少建筑对人工照明的灯 光电力需求，并且对于热负荷明显的地区，减少由 人工照明所产生的热负荷， 进而降低由此带来的 空调系统负荷。 因此，在大型公建中，自然采光的 利用是低能耗可持续设计的基本内容之一， 也出 现了一批高水平的运用自然采光的建筑， 如纽约 报业总部大楼等。 [1]