张会福

摘要：通过计算机模拟计算，从定性和定量的角度分析了时于深圳地区办公建筑自然采光对建筑能耗的影响，得到了窗琦比、遮阳、玻璃可见光透射比对建筑综合能耗的影响，结果表明：深圳地区充分利用自然采光使办公建筑综合能耗降低幅度可达27%，此时窗墙比要大（达到0.7）、有一定的遮阳（百叶遮阳）、玻璃可见光透射比要大（达到0.6）。以上结论对类似项目的设计有一定的借鉴意义。

关键词：自然采光;窗墙比;遮阳系数;玻璃可见光透射比;能耗

中图分类号：TU24 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）22-0141-04

1 引言

自然光除了促进视觉之外，还会以非视觉的方式影响人体，充足的自然光使人体的昼夜节律与太阳日保持一致，以维持生物钟的正常运转，有利于身体健康。同时采用自然光进行照明，也有利于贯彻节能减排、可持续发展思想。

外窗作为建筑的重要组成部分，据有关研究表明，夏季因太阳辐射热透过单层玻璃窗射入室内而消耗的冷量约占空调负荷的20%～30%[1]。外窗不仅会影响建筑的空调能耗，也会给室内带来舒适的光环境、降低建筑照明能耗，据有关研究表明，采用自然光照明可以使照明能耗减少27%，总能耗降低11%[2]。国内也有类似关于自然光对能耗的影响的研究[3～7]。

根据国家标准《建筑采光设计标准》GB 50033的规定，深圳属于Ⅳ类光气候区，太阳光资源非常丰富。当室内照度达到或超过设计值时，通过调低或者关闭照明灯具，利用自然光照明可以降低照明耗能，同时由于减少照明发热量，使得空调冷负荷也相应的减少，对于建筑综合能耗的降低有积极的作用。

本文将通过计算机模拟计算的手段，从定性和定量的角度分析深圳地区办公建筑自然采光对建筑能耗的影响。

2 基础模型与分析方法

2.1 基础模型

本文建立如图1所示的办公建筑模型，建筑层高3m，建筑面积为10m×10m，窗台高度设置为0.9m（仅南向有窗），维护结构热工性能设置如表1所示，室内负荷设置如表2所示，建筑的室内设计温度以及运行时间表均按照《公共建筑节能设计标准》进行设置，建筑空调系统采用理想空调系统（COP=1）。

2.2 分析方法

本文采用Grasshopper中的ladybug，honeybee和TT Toolbox插件进行分析计算，以上插件是用Python编写的环境设计和教育用的开源免费计算机应用程序的集合，建立在几个经过验证的仿真引擎之上：Radi-ance，EnergyPlus/OpenStudio，Therm/Window和OpenFOAM。本文中采光计算应用的计算引擎为Ra-diance，能耗计算应用的计算引擎为Energyplus。

在Grasshopper中搭建本文所用的计算程序如图2所示。

本文分析的自然采光影响因素有：窗墙比、遮阳系数、玻璃可见光透射比，各因素的取值与措施如表3所示。

本文的计算方法为，根据变量的设定值首先利用Radiance计算室内全年逐时照度值，再将照度值与采光标准值（根据《建筑采光设计标准》GB50033—2013，办公建筑照明标准为300Lux）进行对比，从而控制室内灯光的开启与关闭。

3 计算结果与分析

3.1 窗墙比

本部分将研究窗墙比的大小对空调负荷和灯光负荷的影响。计算条件为：无遮阳、窗户的可见光透射比为0.6。计算结果如图3。

分析图3可知，充分利用自然采光能明显降低采光负荷和空调负荷：①当窗墙比由0.4增加至0.7时，照明负荷降低幅度由69%增加至89%，即随着窗墙比的增加，利用自然采光来降低照明负荷的作用越来越大;②当窗墙比由0.4增加至0.7时，空调负荷降低幅度维持在13%～14%之间，但整体空调负荷逐渐增大，即从降低空调负荷角度出发，窗墙比越小越好。

3.2 遮阳措施

本部分将研究遮阳（此处遮阳为百叶遮阳，百叶宽度和间距均为5cm）对空调负荷和灯光负荷的影响。计算条件为：窗墙比为0.6、窗户的可见光透射比为0.6。计算结果如图4。

分析图4可知，遮阳措施对自然光的利用有一定的抑制作用，但还是可以明显降低采光负荷和空调负荷：①当遮阳百叶从无到有（60°）时，照明负荷降低幅度由84%降低至36%，即随着遮阳系数的增加，利用自然采光来降低照明负荷的作用越来越小。②当遮阳百叶从无到有（60°）时，空调负荷越来越低，同时空调负荷降低幅度由15%降低至7%，即随着遮阳系数的增加，空调负荷趋于稳定，利用自然采光来降低空调负荷的作用越来越小。

3.3 玻璃可见光透射比

本部分将研究玻璃可见光透射比对空调负荷和灯光负荷的影响。计算条件为：无遮阳、窗墙比为0.6。计算结果如图5。

分析图5可知，玻璃可见光透射比的大小对采光负荷和空调负荷影响较小：①当玻璃可见光透射比由0.4增加至0.6时，照明负荷降低幅度维持在76%～84%之间，即可见光透射比对照明负荷的影响较小。②当玻璃可见光透射比由0.4增加至0.6时，空调负荷有一定的增加，但空调负荷降低幅度维持在14%～15%之间，即可见光透射比对空调负荷的影响较小。

3.4 综合能耗分析

本部分将研究各条件综合起来对建筑综合能耗（包含空调、灯光、设备的总能耗）的影响，共4个变量96个工况，取空调COP为3.6（一级能效的分体空调），计算结果如图6。

分析图6可知，为充分利用自然采光达到综合能耗最低时，对应边界条件为（如图7）：窗墙比为0.7、有遮阳百叶（0°），玻璃可見光透射比为0.6，此时的综合能耗为99.5kW·h/m²，此时综合能耗节能率为27%（此工况下不考虑自然采光控制时的综合能耗为137.7kW·h/m²）。即为充分利用自然采光来降低办公建筑综合能耗，窗墙比要大（达到0.7）、有一定的遮阳（0°的百叶遮阳）、玻璃可见光透射比要大（达到0.6）。