办公建筑光环境及能耗评价方法研究

光环境是建筑环境中的重要组成部分，也是影响人员视觉工作 效率的直接因素。合理地利用天然光在提高室内视觉舒适度的同 时，降低了能源消耗水平。对建筑光环境和能耗需求情况进行分析 评价，是进行高质量照明设计的前提。目前，国内外建筑光环境评 价方法大体上可以分为两类，主观投票评价和客观测试分析。
主观投票的方法旨在寻求影响室内办公人员光舒适感的指标， 确定影响因素的权重系数，建立集视觉、工作效率和心理舒适的综 合评价体系[1, 2]。此外，基于环境行为学的一些成熟理论也被应用到 建筑光环境的研究中[3]。由于人们具有复杂的心理活动，评价结果 主观作用比较明显，受专家经验及受试者心理、行为习惯等影响较 大。
速地反映负荷及能耗变化趋势，不需要考察 绝对值是否在标准规定范围内，可以满足方 案间优劣对比的要求，因此未建立缩尺模型 对其进行校对。
其中围护结构体系如外墙、地板和屋面 等参数设置如表2所示。
人工照明设备输入功率设定为10W/m2， 其中30%的部分以对流换热的形式散失，转 变成为夏季空调冷负荷的一部分。空调设计 温度为夏季26 C，冬季20 C。 2.3 工况设置
实验中25in×15in×10in的木制长方 体盒子用于模拟软件的亮度水平标定， 6in×6in开口，南向放置(图1)。通过在两个 方向旋转盒子圆盘底座，调整盒子与太阳的 相对位置。测点布置在东面墙壁的中间点。
选择完全无云的晴朗一天，条件基本 符合CIE clear sky(国际照明委员会规定的晴 空)，将带有模型的实验台设置在相对开阔 的平地，避免周围建筑或植物的反射、遮挡 作用，调整模型下方的旋转装置，来模拟春 分、夏至、冬至，3个典型日内太阳从9:00到 17:00的相对位置。测试点设定在A点，如图 1所示。测试工具选用光照测试仪器Sekonic L-758C，测得该点照度和亮度水平。模拟过 程中，模型南向放置，天空条件同样设置为 晴天，只需改变日期时间输入，即可得到相 对应的太阳位置角。
ARCHITECTURAL JOURNAL 087
表1 围护结构反射率
表面名称
顶棚 墙面 地面 桌面、工作台面、设备表面
标准要求 0.7ċ0.8 0.5ċ0.7 0.2ċ源自文库.4 0.25ċ0.45
反射率
表2 围护结构参数设置详表
名称
材料组成
外墙
钢筋混凝土+泡沫绝缘+木板层
地板
混凝土+保温层
屋面
钢筋混凝土屋面板+水泥砂浆
花费最少，发生错误的代价最小，易于控制和重复，并可模拟任何地 点、时间、天气状况下的天然光光环境，因而得到了广泛的应用[4]。 国内模拟设计还处于起步阶段，只有经济发达城市的一些大型建筑 项目会采用光环境模拟设计[5]。并且对光环境的模拟研究主要采用 静态的研究方法[6]，即建立虚拟的办公建筑模型，计算出最不利时 刻或典型日(夏至日或冬至日)中某几个时刻点工作平面的照度、亮 度和采光系数等指标值，再依据标准或设计准则中对办公室光环境 指标值的规定，来评价该建筑内部光环境的质量。大多采用的软件 是Ecotect，Desktop Radiance。但天然光是高度动态变化的，随时 间、地点和天气条件差异很大，应用于建筑内部，对光环境的影响 需要考虑到窗户结构，室内环境布置以及能源消耗等因素，是个动 态耦合的过程，需要一套新的建立在动态环境模拟基础上的评价方 法来对办公建筑光环境进行评价。
2 模型建立及工况设置 2.1 光环境模型 Daysim软件只用来进行光环境分析而 不支持建模功能，需要专业建模工具来提供 3D模型输入，本文选用SketchUp软件建立办 公建筑模型。选取典型办公楼中的一个标准 单元(长×宽×高：5m×4m×2.8m)作为分析 对象，如图4所示，取0.8m高度为工作平面， 光环境研究部分的气象数据采用EnergyPlus
为所有热传输系统均由若干个细小的系统
(即模块)组成，一个模块实现一种特定的功
2.80m
工作面
测点
0.80m
4 办公室建筑模型
能。只要调用实现这些特定功能的模块，给 定输入条件，这些模块程序就可以对某种特 定热传输现象进行模拟，最后汇总就可对整 个系统进行瞬时模拟分析。
通过在TRNSYS内部加入时间控制器的 手段，实现对建筑照明进行全年8760h的实 时控制，并可以高效准确地输出建筑逐时的 照明和空调能耗。
天然光利用率 % 照明能耗 (kWh/m2) 采暖、空调 负荷 (kJ)
负荷节能率
Weather Data格式的数据，其作为输入条件， 只对光环境参数输出绝对值有一定影响，但 不影响相同气候条件下不同围护结构对室内 光环境造成影响的对比分析结果。
办公室朝向：开窗面朝南，根据《建筑 采光设计标准》[8]中的规定，建筑内部各面 反射率设置如表1所示。 2.2 热工模型
办公建筑光环境及 能耗评价方法研究
Study on Evaluation Method for Illumination Environment and Energy Consumption in Office Building
[ 孙婵娟 ] Sun Chanjuan 1 [ 连之伟 ] Lian Zhiwei 1 [ Harry Giles ] 2
客观测试分为物理模型测试和计算机模拟测试两类。物理模型 实验的特点是制作建筑的缩尺模型，其制作费用高、制作精度对测 量结果影响大，实验周期长成为限制其广泛应用的主要原因[4]。但由 于其直观、精准，该方法在进行软件标定的过程中得到广泛应用。
计算机模拟是通过在计算机中建立虚拟的模型，可快速计算照 度、亮度和眩光等参数，并可生成具有真实感的渲染图形。由于其
ABSTRACT Based on computer simulation technology, this paper advocates an evaluation method on luminous environment and energy consumption for office building. Firstly, using the DAYSIM program to calculate and analyze dynamic natural light environment of typical office building in whole year; investigating the utilization ratio of natural light with different windows to ascertain the need of indoor artificial light by lighting design standard. Secondly, using TRNSYS program and integrated evaluation on luminous environment and energy consumption to obtain hourly energy consumption of building for artificial lighting heating and air conditioning. Finally, by comprehensive weigh of the identities of luminous environment and energy consumption to evaluate and select optimal proposal. This method will be expected to be guidelines for indoor lighting design. KEY WORDS office building, evaluation on luminous environment, energy consumption simulation, lighting design
厚度(mm)
170 80 141
模型设置 0.8 0.6 0.3 0.4
传热系数U-value (W/m2·K) 0.511 0.04 0.316
25 利用率 %
20
15 22.1%
10
20.7%
5 25.59
26.03
0 单层透明
双层白色 外窗类型
5 天然光利用率及照明能耗比较
300 照明能耗
290 28.86
在TRNSYS内部建立建筑系统，包括建 筑结构，照明系统，采暖空调系统及控制系 统。对外围护热工性能、照明、设备及人员 工作时间等进行设置，本文考察3个工况之 间的差异只存在于外窗热工性能和照明运行 控制两方面。由于本文热工分析内容集中在 外窗对能源使用的影响，包括照明和热工方 面的特性，采用模拟计算的方法既简洁又快
按照《公共建筑节能设计标准》中照明 设置时间的规定，典型办公建筑的工作时间 定为9:00-17:00。节假日安排取软件内部 默认值。本文选取3个不同的工况作为对比 工况，通过调整外窗玻璃的热工及光学特
性，综合考虑其对室内光环境和建筑能耗的 影响，分析比较方案的优劣。外窗性能参 数：传热系数、太阳得热系数(SHGC)及可 见光透射率(VT)如表3所示[9]。
3 模拟软件回归曲线
从图2中可以看出，Daysim软件输出的
3个典型日内被测点上的照度和亮度水平与
测试过程得到结果具有相似的趋势。在冬至
日工况下，照度和亮度均出现一组突出的
点，这是由于冬季太阳高度角相对较低，在
模型内部产生了直射情况。将得到的数据进
行线性回归分析，不难得出模拟数据和实测
数据之间的关系(图3)，其拟合方程式为：
y =1.008x -156.96，R 2=0.93
(1)
由此看出，Daysim软件模拟得到的数
据与实测数据很好吻合，准确度比较高。
1.3 TRNSYS
瞬时系统模拟程序TRNSYS最早是由美
国威斯康辛大学太阳能实验室开发的，后在
欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善。其
最大的特色在于其模块化的分析方式，认
280
270
12.1% 260
250 双层 Low-e
350 万 300 万 250 万 200 万
制冷负荷
采暖负荷 制冷节能率
0.20 采暖节能率
0.16
0.12
150 万
0.08
100 万
0.04 50 万
0 单层透明
双层白色 外窗类型
0.00 双层 Low-e
7 不同工况下采暖制冷负荷及节省率分布
作者单位 1 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院建筑学系
(上海，200240) 2 美国密西根大学建筑与城市规划学院
收稿日期 2013/01/04
上海交通大学-密西根大学联合基金 (U029504)
摘要 基于计算机模拟技术，提出一套适用于办公建 筑光环境及能耗评价的方法 ：首先采用光环境测 评软件 Daysim，从全年动态的角度对典型办公建 筑的天然光光环境进行计算分析，依据办公建筑 照明设计标准中对光环境指标的要求，考察不同 外窗系统下天然光的利用率 ；并在此基础上，得 到室内人工照明的需求度，选用动态环境能耗模 拟软件 TRNSYS，进一步得到建筑逐时的人工照明 及采暖空调能耗 ；通过综合权衡光环境及能耗 方面的性能，评选最优化方案，有效地指导建筑 室内照明设计。 关键词 办公建筑 光环境评价 能耗模拟 照明设计
1 软件选取和标定 1.1 Daysim Daysim是由加拿大国家研究中心和德国太阳能系统Fraunhofer研
086 建筑学报 2013 \ 02 技术与理论 Technology and Theory
1 模型标定示意
2 测试和计算的典型日测点照度和亮度分布
究所基于Radiance软件联合开发的天然光分 析软件[7]。Daysim采用Radiance模拟算法有 效地计算全年各种天气条件下的照度分布。 通常为了计算全年照度水平，原则上可以 采用标准的Radiance程序模拟，同时进行全 年所有天空条件下上千次独立的光线追踪 模拟。该方法不如Radiance模拟实用，因 为单一天空条件下的模拟就需要花费几个 小时，全年逐时的模拟过程需要花费几年 的计算时间。为了缩短模拟时间，Daysim 采用Radiance算法和日光系数(daylight coefficient)法相结合的计算方法。 1.2 实验测试标定