吴 蔚 刘坤鹏

(南京大学建筑与城市规划学院，江苏南京 210093)

1 引言

好的天然采光不仅可以节省能源，还可以满足人们的生理和心理的需求。然而好的天然采光不仅仅是简单的多开几个窗户就能解决，反观现在办公建筑中流行的开多而大的窗口，常常会引起的眩光、直射阳光和室内过热等一系列问题。我国目前天然采光规范中主要使用的评估参数是天然采光系数(Daylight factor)，其定义是“室内给定水平面上某一点的由全阴天天空漫射光所产生的光照度和同一时间同一地点，在室外无遮挡水平面上由全阴天天空漫射光所产生的照度的比值”。采光系数虽然有简单易用的优点，但我们从其定义可以看出，它本身存在着许多问题［1，2］，包括:1) 无法描述晴天和多云天空情况下的天然采光情况;2)天然采光系数无法表征建筑的朝向性;3)即使在全阴天的情况下，当云量变化大时，天然采光系数变化也会比较大;4)当天然采光和人工照明混合时，天然采光系数无法描述室内光环境;5)天然采光系数只能量化水平面的天然光分布，然而对人们感知很重要的室内垂直面的天然光分布，却无法评估。近些年来，一些研究人员发现即使在北欧地区，以多云天为主的天气状况下，天然采光系数评估方法也有较大误差［3］。对于描述天然光的气候性与多变性，天然采光系数明显有很多不足之处［4］。

近些年来，国际上发展起来一些新的天然采光评价标准，其中以Daylight autonomy(DA)和Useful daylight illuminance(UDI)得到较为广泛的认可和应用［5，26］。Daylight autonomy(DA) 和 Useful daylight illuminance(UDI)在我国目前都无标准翻译，笔者将Useful daylight illuminance翻译为“有效天然采光照度”，以下简称UDI，Daylight autonomy翻译为“天然光自主参数”，以下简称DA。DA是测量一年中工作面上的最小照度值超过500勒克斯的时间有多少 (百分比值)。而UDI是指一年中在工作面上的天然光在一定范围内有效照度的数据。从DA的定义可以看出，DA只是考虑到一个临界值，却没有考虑室内天然光过高的情况。然而，近些年相当多的研究表明，过高的天然光是与办公室工作者的视觉不舒适有很多关联。因此，相较于DA，UDI考虑到了在过高天然光的情况下，工作人员的视觉舒适性问题。

本文主要是介绍UDI的由来，并以我国常见的内廊板式和中间核心筒式建筑为例，来比较DA、UDI与天然采光系数之间的优劣性。

2 有效天然采光照度 (Useful daylight illuminance)

我们都知道室内天然光分布无论是在空间上还是在时间上变化都相当剧烈，在被照面上的照度会随着天空云量变化而迅速改变，同时室内天然光也会随着离窗口的距离增大而迅速减小，因此全阴天天空模型很难代表真实的天空，尤其是当有直射阳光的情况下。因此目前欧美采光规范中出现的单一值，如办公室内被照面上不得低于500勒克斯的规定，并不适用于变化多端的天然光。因此Nabil和Mardaljevic两位研究人员认为应取代规范标准中单一值方法，提出一个“有效天然采光照度”的概念。他们认为应根据天然光变化快而剧烈的特点，以一定范围的值来评估天然光。即当室内天然光在这个范围之内，可以满足工作者的正常视觉工作，可以称之为有效。而当在这个范围之外，无论是太低或太高，都有可能影响工作者的正常视觉工作，或引起视觉不舒适，都称之为无效。

然而，现在的问题是如何确定这个范围。人眼可接受的视觉范围很大，但满足视觉舒适性的范围就因人而异了。到目前为止，还没有一个研究能够提出一个确切值或范围。但有大量研究表明，好的天然光不仅可以增加工作者的视觉舒适性，还可以提高工作效率［6，7］。

英国皇家建筑设备工程师协会(The UK Chartered Institution of Building Services Engineers，CIBSE)室内采光规范推荐室内采光设计应为500勒克斯，而500勒克斯是目前西方发达国家采用的普遍标准，当超过500勒克斯时，CIBSE建议应减少甚至是不提供人工照明。然而，加拿大国家土木工程研究院 (Institute for Research Construction，National Research Council Canada)对一系列大空间办公室做的现场调研发现，在办公室的很多工作人员对150勒克斯的照度就表示满意了［8］。北美照明工程学会(The Illuminating Engineering Society of North America，IESNA)建议在有阴极射线管显示屏 (CRT Screens)的实验室里，被照面上只要提供50～100勒克斯照明即可［9］。事实上，在一个计算机公司的实地调研中发现，当一个办公室里有两台计算机时，大部分员工认为100勒克斯的照明就够了［10］。而目前无论是我国的还是国外的采光照明规范，一般会规定在工作面的照度至少要满足300～500勒克斯。与此同时，有研究也发现，相较于人工照明，人们对较低的天然光容忍度较高，有的工作人员甚至在室内只有50勒克斯时还在坚持阅读［11］。

在美国伯克利国家实验室 (Lawrence Berkeley National Laboratory，USA)开展的一项实地试验中，工作人员被允许调节人工照明的亮点和百叶窗的角度，为自己提供一个较佳的光环境，研究人员通过多天的跟踪记录，发现早上人们倾向于较高的照度(840～2146勒克斯)，到下午时照度一般是较低，约在782～1278勒克斯，相较于原来办公室自动设定的510～700勒克斯，大多数工作人员都不约而同的采用较高的照度值［3］。

很多研究都注意到大部分办公人员都希望有一定形式的天然光。然而当在有大面积玻璃幕墙或有较大窗口的办公室时，很多工作人员表示出他们的视觉不舒适，特别是不满意室内由较高天然光所引起的眩光等问题［12］。当然，与天然光相关的视觉舒适性问题相当复杂，通常与很多因素有关，包括朝向、遮挡物、是否有遮阳设备，甚至与不同地区的不同气候特点有关联［12］。其实早在上世纪90年代，Selkowwitzd等几位研究人员在其问卷调查中就已经发现，传统的天然采光设计规范里有很多弊病，并建议扩展办公室天然采光环境的概念［13］。如他们发现很多工作人员期望工作面上的照度要高于设计的500勒克斯，且在工作面上的照度要适当高出背景光。当工作人员在有天然光的办公室里，他们不仅不介意、反而会希望看见天然光的变化。而且除非当室内有直射阳光或者明显的眩光时，工作人员一般都会不介意较高的亮度［13］。此外，这些研究人员还注意到，在有显示屏的办公室里 (显示屏的摆放位置和角度不会产生眩光的情况下)，工作人员能接受还算舒适 (或可以忍受)的最高照度值是在1800勒克斯。在同一个实验中也发现，无论是使用计算机还是传统的纸张工作，人们对自然光的接受程度在700～1800勒克斯之间。

根据上述的文献回顾，Nabil和Mardajevic将有效采光照度值的范围确认在100～2000勒克斯之间:

(1)当室内天然光低于100勒克斯时，可以认为无法满足最基本的视觉工作需要，这时需要有一定的人工照明进行补充。

(2)当室内天然光在100～500勒克斯时，可以作为单独光源来满足人们的视觉工作。

(3)当室内天然光范围在500～2000勒克斯时，是一种较好的 (或者是可以忍受的)天然光源。

(4)当天然光超过2000勒克斯时，就会对视觉工作有影响，或者是产生视觉不舒适感。

采光照明与“量”相关的研究已经有了超过百年的历史，然而与“质”相关的研究还刚刚展开。这些年来，人们逐渐认识到采光照明不仅仅是解决视觉舒适性问题，还关系到人们的健康、行为、觉醒甚至是睡眠质量等［14］。Partonen和Lonnqvist发现在高纬度地区，提高采光照度可以改善人们的情绪，减缓忧郁［15］。越来越多的研究显示，对于天然采光而言，目前单一数值的采光规范很难满足人们生理和心理的需求。因此，Useful daylight illuminance定义中，以一定范围的值来评估天然光明显更符合“质”需求。

随着先进的计算机模拟技术的发展，UDI可以根据当地气候数据，计算在全年天然采光情况下，以小时为单位的年天然采光预测结果。可以说，UDI是根据现实的随时间变化的天然光照条件，预测绝对天然采光情况下的室内采光情况。

3 建筑模型与计算机模拟

为检验DA、UDI与天然采光系数这三种参数的优劣性，本文选择我国常见的两种办公建筑为例——内廊板式和中间核心筒式建筑，以这三种参数对其室内天然光环境进行评估。

3.1 建筑模型

内廊板式办公建筑的尺寸设定为64米×20米×21.6米 (长×宽×高)，层数为6层，层高为3.6米，主朝向是南北向。根据《办公建筑设计规范》的规定，窗所占面设为30%，设定窗户为窗台高1米，窗高为1米的带型窗。模拟分为无遮阳和有遮阳两种情况。遮阳是在东侧，西侧，南侧增加遮阳板，遮阳板厚度为0.3米，距离地板2.1米，遮阳板的外檐距离墙面1米，北侧没有出挑 (本文只考虑北半球的情况)。

核心筒式办公楼设定为正方形，核心筒大小为14米×14米，层高为3.6米，核心筒式办公楼多用于高层和超高层建筑中，由于本模拟仅对某一层平面作分析即可，因此本模型只模拟了三层以及上下相邻的几层。模拟也是分为无遮阳和有遮阳两种情况，有遮阳是在东侧，西侧，南侧增加遮阳板，遮阳板厚度为0.3米，距离地板2.1米，遮阳板的外檐距离墙面1米，北侧没有出挑。图1为板式及核心筒式办公楼的平面图。图内两个矩形假定为设备及楼梯间，做不透光处理。

图1 板式及核心筒式办公楼平面图

3.2 计算机软件及参数设定

本文采用的计算机模拟软件是 DAYSIM。DAYSIM是由加拿大国家实验室和德国弗劳恩霍夫研究所太阳能研究中心共同研发的一款年动态天然采光分析模拟软件，该软件是基于RADIANCE的蒙特卡罗反向光线跟踪算法，并根据当地的气候数据来动态模拟年采光情况。近几年来，该软件多次通过验证并被天然采光研究界广泛采用［16，17，18］。DAYSIM一款免费软件，可以在Windows和linux两种操作系统下都可以运行，并可与许多CAD软件相连接，包括 Rhinoceros，Autodesk-Ecotect和 Google Sketch up［19］。DAYSIM 采用的是Perez天空模型，能够综合计算全年阴天、晴天和多云天空等各种天空条件下直射光、漫射光及地面反射光对室内天然采光的影响［20］。并根据Tregenza提出的日光参数法(Daylight Coefficient method) 来计算室内照度［21］。相较于只能在全阴天空情况评估室内采光的天然采光系数 (Daylight factor)，日光参数法 (Daylight Coefficient method)可以计算任意天空状态下室内照度。

模拟中办公建筑模型的材料，是根据我国《建筑照明设计标准》中推荐的室内反射比，模型中天花为0.8，墙面为0.6，地面为0.4，玻璃的透光系数是0.8。气候参数的选择是全年动态天然采光模拟软件在计算过程所必须的基本数据，本文以南京地区作为研究对象，采用的从美国能源部网站下载EPR格式的南京地区典型气候年的逐时气象数据［22］。DAYSIM内的参数是按其所推荐的设置，最主要的几个参数设置如下:ambient bounces设为5，ambient divisions设为 1000，ambient accurary设为0.1，direct sampling设为0.2，direct relays设为2。

4 模拟结果

本文的主要目的是比较天然采光系数 (Daylight Factor，以下简称DF)、DA(Daylight autonomy，天然光自主参数)、UDI(Useful daylight illuminance有效天然采光照度)这三个天然采光评价标准，来描述室内天然采光的优劣性。

4.1 板式办公楼

图2、图3分别为板式办公建筑DF、DA、UDI的伪色彩和照度 (南北)比较值。其中左边为无遮阳方案，右边为有遮阳方案。图2、图3中，DF的伪色彩和照度值在最上面一行，UDI在最下面一行，DA在中间一行。

图2 板式办公楼DF、DA与UDI之间的伪色彩比较图

图3 板式办公楼DF、DA与UDI之间的南北向照度比较

DF的模拟是根据CIE标准全阴天空，从图2、3板式办公楼的DF模拟图，可以看出四边的照度值几乎一样，没有方向的分别，距离窗户两米以内的采光系数为10%或者更高，随着与窗户的距离越来越远，采光系数迅速减少，在距离窗户两米的时候采光系数减少到4%。

DA模拟采用的是南京全年典型气象数据，按照一年之中每天09∶00～18∶00的采光情况来进行测算的，从模拟结果可以看出四个立面2米以内的全年DA平均值超过了80%(500lx或者更高)，特别是在无遮阳中的转角部分，和DF图中的转角部分很相似，但是和DF不同的是在有遮阳方案中，中南向和北向、东向和西向都是不对称的，东北侧随着距窗户的距离逐渐增大DA值降低的最快，遮阳板的出挑则导致了DA值的明显减小。

UDI模拟采用的是南京全年典型气象数据，在无遮阳的板式办公楼中，UDI模拟结果显示建筑外围区域的全年有效照度是很低的，通过图3可以观察出这是由于UDI数据大大超过标准而导致的，在建筑外围大约有60%的时间没有处在有效照度的范围内。这是因为靠近窗周边的照度值过高造成的。当在东、南、西三个方向增加了悬挑遮阳，从模拟结果中可以看出遮阳设施有效的减少了建筑周边的照度，特别是建筑的东侧和西侧，因此UDI超出标准区域范围的量明显下降，全年达到标准的时间超过了50%，和DF与DA相比在建筑的四个角部也有较为明显的变化，全年有效天然光照度大约在35～40%之间。

4.2 核心筒式办公楼

图4、图5分别为核心筒式办公建筑DF、DA、UDI的伪色彩和照度比较值。其中左边为无遮阳方案，右边为有遮阳方案。图4、5中，DF的伪色彩和照度值在最上面第一行，中间一行是DA，UDI在最下面一行。

图4 核心筒式办公楼DF、DA与UDI之间的伪色彩比较图

核心筒式办公建筑的DF模拟也是根据CIE标准全阴天空，从图4、图5可以看出核心筒式办公楼采光系数的变化与板式办公楼类似，即采光系数对方向不敏感，采光系数在距离窗户的较近的地区变化较大，不同的是核心筒式办公楼南北向的进深要更大，靠近中心筒部分的区域采光系数较低。同样的，将核心筒式办公楼的DF模拟结果和DA模拟结果相比较也会发现惊人的相似性，尤其是在转角部分。然而在无遮阳方案时，DA就不是向DF相对称，在东南向，室内照度值明显高于其他方向。

核心筒式办公楼的UDI模拟结果的变化和板式办公楼UDI模拟结果的变化相似，即在窗口周边，因为天然光照度高于2000勒克斯，所以有效值反而降低。当在增加了遮阳措施后，超出UDI有效照度值的区域大大减少，尤其是建筑的东西两侧，表现尤为明显，建筑的四个角部亦有明显变化。

4.3 DF、DA、UDI之间的比较

从图3～图5分析可以看出最突出的特点就是DF分布的相似性和DA、UDI分布的不相似性，特别DF对朝向的不敏感性。DF和DA在分布模式上是相似的，最高的部分位于建筑周边区域，但是UDI却有一个和DF和DA相比不同的分布模式:UDI在建筑周边区域一侧是比较小的，即采用UDI评价标准后，一些满足采光规范的区域，用UDI标准来评价却是不满足的。

图5 核心筒式办公楼DF、DA与UDI之间的南北向照度比较

在有遮阳方案中 (东、南、西三面有遮阳):靠近窗口区域的部分，符合标准的DF值和DA值都有一定的减少，但达到UDI标准的区域却迅速扩大，在图4、图5中可以明显看到同样的增长，这正是由于遮阳板降低了这一区域的天然采光量，使这一部分由原来超过UDI标准的区域转换为符合UDI标准的区域。

总之，这两种办公建筑类型中在没有遮阳的情况下，DA值和DF值的最高部分很明显的被表现出来。UDI的模拟结果则显示在窗口周边区域超过2000勒克斯的时间占全年工作时间的40%～60%。这一模拟结果，与我们经验感知和许多研究相类似，对于身在有大面积采光口的办公人员来说，室内过高的天然光会直射阳光、眩光等诸多问题，对视觉工作造成影响。

5 结语

自从上世纪40年代天然采光系数被提出来之后，由于其简单易用，被广泛接受使用，各国的采光设计标准都主要以天然采光系数而制定。但天然采光系数的因其本身的弊病，很难真实的反映室内天然光的分布。随着先进的计算机模拟技术的发展，精确的模拟室内天然光已经唾手可得，因此有必要开发出能更能满足人们需要的采光设计标准。

从上述的模拟结果可以看出，UDI标准不仅能反映室内工作者的真实感受，具有一定有效性。虽比DA标准复杂一点，但也可以称之为简单易用，并且可以较准确地描述天然光在时间和空间上的变化，特别的是UDI将过高照度值所引起的视觉不舒适性考虑进来，相较于以往单一值的采光设计标准，在一定范围照度值的评价标准显然更能够准确描述室内采光质量。相较于天然采光系数，UDI无疑提供了更加有效和适应性强的，能够基于全年气象数据的动态天然采光评价标准。

UDI是一个尝试评估天然光“质“的天然采光设计标准，在UDI较高时，意味室内天然光满足工作人员的视觉工作的需求，因此就减少了人工照明的需求。当然，UDI是近几年来国际光学界刚刚研发的一个概念，还存许多问题，需要进一步的研究，尤其UDI是否能够降低建筑能耗、及与室内热环境之间的关系已经引起很多研究人员的兴趣。

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