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      雙層玻璃幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境影響的模擬研究

      2015-07-18 12:05:45周穎金鳳云楊華劉聯(lián)勝王靜
      關(guān)鍵詞:窗墻朝向透光率

      周穎,金鳳云,楊華,劉聯(lián)勝,王靜

      (河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,天津 300401)

      雙層玻璃幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境影響的模擬研究

      周穎,金鳳云,楊華,劉聯(lián)勝,王靜

      (河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,天津 300401)

      雙層玻璃幕墻在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用廣泛,其設(shè)計(jì)不僅要滿足于富有表現(xiàn)力的建筑外觀,更要充分利用自然采光為室內(nèi)提供良好的光環(huán)境氛圍.本研究針對(duì)天津某雙層玻璃幕墻辦公建筑,利用Radiance靜態(tài)光環(huán)境模擬軟件,模擬計(jì)算了幕墻設(shè)計(jì)的一些特性參數(shù)(如幕墻朝向、內(nèi)幕墻窗墻比、玻璃透光比、內(nèi)幕墻窗戶外形、內(nèi)幕墻窗臺(tái)高度和空氣夾層寬度等)對(duì)建筑室內(nèi)光環(huán)境的影響,通過(guò)分析建筑室內(nèi)照度及照度均勻度的變化規(guī)律得到了合理的幕墻設(shè)計(jì)參數(shù),以利于建筑充分利用自然采光,提高室內(nèi)照度水平,降低人工照明能耗.

      光環(huán)境;雙層玻璃幕墻;辦公建筑;設(shè)計(jì)參數(shù);靜態(tài)模擬

      0 引言

      自然光是潔凈能源,充足的自然光能夠改善室內(nèi)空間的光環(huán)境,提高人員的工作效率,降低照明與空調(diào)能耗.建筑物天然采光的影響因素很多,其中窗作為建筑自然采光的唯一途徑,其設(shè)計(jì)參數(shù)的重要性不言而喻.隨著建筑技術(shù)的發(fā)展,雙層玻璃幕墻[1]在國(guó)內(nèi)外建筑上得到大面積應(yīng)用,為室內(nèi)自然采光創(chuàng)造了先天的優(yōu)勢(shì)條件.前人對(duì)于玻璃幕墻建筑室內(nèi)光環(huán)境的研究重點(diǎn)多放在照明能耗分析與幕墻材料帶來(lái)的室內(nèi)外光環(huán)境污染等問(wèn)題上[2-4],而幕墻設(shè)計(jì)的特性參數(shù)(諸如幕墻朝向、內(nèi)幕墻窗墻比、玻璃透光比、內(nèi)幕墻窗戶外形、內(nèi)幕墻窗臺(tái)高度和空氣夾層寬度等)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響尚缺乏深入的研究.同時(shí),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,Radiance等[5-7]一系列光環(huán)境模擬軟件因其成本低、周期短和準(zhǔn)確性高,而日益受到人們的重視.鑒于以上背景,本文試圖針對(duì)上述幕墻設(shè)計(jì)特性參數(shù)對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響進(jìn)行模擬分析,以期得到合理的幕墻設(shè)計(jì)參數(shù),為之后幕墻的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)和參考.

      1 物理模型的建立

      本研究以天津市某雙層玻璃幕墻辦公建筑為例,應(yīng)用Radiance靜態(tài)光環(huán)境模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算分析.該建筑共4層,南側(cè)大部分房間的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用整體式雙層玻璃幕墻,其建筑外觀圖如圖1所示.雙層玻璃幕墻空氣夾層寬度為800mm,具體物性參數(shù)見(jiàn)表1所示.

      表1 雙層玻璃幕墻物性參數(shù)Tab.1 The physical parameters of double-skin facade

      選取南向1層有雙層玻璃幕墻的房間為模擬房間.該房間尺寸為7.9m×7.6m×4.2m(長(zhǎng)×寬×高),只有一面外墻即雙層玻璃幕墻,房間結(jié)構(gòu)如圖2所示.該房間內(nèi)幕墻窗墻比為0.48,窗下沿距地面為800mm.根據(jù)辦公建筑的特點(diǎn),室內(nèi)假定工作面高度為800mm.

      圖1 雙層玻璃幕墻辦公建筑外觀圖Fig.1 Theappearanceofdouble-skinfacadeofficebuilding

      圖2 模擬房間室內(nèi)平面圖Fig.2 Theplanviewofsimulatedroom

      雙層玻璃幕墻建筑室內(nèi)光環(huán)境受到內(nèi)、外幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)的影響,本文將模擬當(dāng)改變這些參數(shù)時(shí),建筑室內(nèi)照度及照度均勻度的變化,從光環(huán)境角度對(duì)室內(nèi)平均照度和照度均勻度2個(gè)方面進(jìn)行分析,提出合理的幕墻設(shè)計(jì)參數(shù).進(jìn)行模擬時(shí)選取全年中的典型日,典型日工作時(shí)間為8:00~17:00,每1h模擬1次.

      2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

      2.1 幕墻朝向?qū)κ覂?nèi)照度的影響

      計(jì)算模型內(nèi)幕墻窗墻比為0.48,內(nèi)幕墻外形(寬×高×窗個(gè)數(shù)):3.65m×2.2m×2.選取全年中的夏至日、春分日和冬至日3個(gè)典型日進(jìn)行模擬,天空模型選擇晴天CIE標(biāo)準(zhǔn)模型(陰天工況由于沒(méi)有太陽(yáng)直射光的影響,不同朝向室內(nèi)照度均相同,在此不做贅述).夏至日、春分日和冬至日晴天工況不同幕墻朝向室內(nèi)平均照度對(duì)比,如圖3、圖4和圖5所示.

      從圖3、圖4與圖5中可知晴天工況幕墻朝向不同,室內(nèi)照度有很大的差別,即晴天工況幕墻朝向是影響室內(nèi)照度的主要因素.根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》辦公室室內(nèi)采光標(biāo)準(zhǔn)值為450 lux,低于此值時(shí)需開(kāi)啟人工照明設(shè)備.夏至日晴天工況,由圖3可知,全天工作時(shí)間8: 00~17:00內(nèi)幕墻朝向?yàn)槟舷驎r(shí)有20%的時(shí)間室內(nèi)照度高于450lux,幕墻朝向?yàn)楸毕颉|向、西向分別有0%、40%、40%的時(shí)間室內(nèi)照度高于450lux;春分日晴天工況,由圖4可知,幕墻朝向?yàn)槟舷?、北向、東向、西向時(shí)分別有70%、0%、40%、40%的時(shí)間室內(nèi)照度高于450lux;冬至日晴天工況,由圖5可知,幕墻朝向?yàn)槟舷?、北向、東向、西向時(shí)分別有70%、0%、20%、20%的時(shí)間室內(nèi)照度高于450 lux.綜上所述,以南向幕墻自然采光為最優(yōu),能夠有效節(jié)約照明能耗,同時(shí)為室內(nèi)提供良好的光環(huán)境.

      圖3 夏至日不同幕墻朝向室內(nèi)平均照度圖Fig.3 Theaverageindoorilluminationofdifferent curtainwallorientationinsummersolstice

      2.2 內(nèi)幕墻窗墻比對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響

      圖4 春分日不同幕墻朝向室內(nèi)平均照度圖Fig.4 Theaverageindoorilluminationofdifferent curtainwallorientationinvernalequinox

      圖5 冬至日不同幕墻朝向室內(nèi)平均照度圖Fig.5 Theaverageindoorilluminationofdifferentcurtainwallorientationinwinter solstice

      窗口的大小直接影響室內(nèi)自然采光,選取5種不同窗墻比進(jìn)行比較,具體窗墻比和窗戶外形(寬×高)見(jiàn)表2(窗戶寬高比均設(shè)為2).計(jì)算模型窗臺(tái)高度為800mm,幕墻朝向?yàn)槟舷颍谙闹寥涨缣旃r這一典型日典型工況進(jìn)行模擬.

      表2 不同內(nèi)幕墻窗墻比Tab.2 The different w indow-wall ratio of inner curtain w all

      通過(guò)模擬得到不同窗墻比室內(nèi)平均照度及照度均勻度,如圖6、圖7所示.選取時(shí)刻9:00不同窗墻比時(shí)室內(nèi)照度分布圖,如圖8所示.

      由圖6可知,內(nèi)幕墻窗墻比不同,室內(nèi)照度變化規(guī)律基本相同,但照度值差別較大.隨著窗墻比的增大,室內(nèi)平均照度在不斷增大,但增大幅度隨著窗墻比的增大逐漸降低.由圖7可知,隨著窗墻比的增大,室內(nèi)照度均勻度在不斷的增大,但是增大幅度也在不斷減?。蓤D8容易看出,相同時(shí)刻,隨著窗墻比的增大,室內(nèi)照度及照度均勻度均在不斷增大.隨著距幕墻距離的增加,不同窗墻比的室內(nèi)照度均逐漸減小,但窗墻比越大,近窗處的照度越大,室內(nèi)照度減小速度及幅度越大,室內(nèi)照度相差懸殊,容易引起人員視覺(jué)疲勞.綜合以上因素分析,窗墻比為0.54時(shí),室內(nèi)照度及照度均勻度最為適宜.

      圖6 不同窗墻比平均照度對(duì)比圖Fig.6 Theaverageilluminationof differentwindow-wallratio

      圖7 不同窗墻比照度均勻度對(duì)比圖Fig.7 Theilluminationuniformityof differentwindow-wallratio

      圖8 時(shí)刻9:00不同窗墻比室內(nèi)照度分布圖Fig.8 Theindoorilluminationdistributionofdifferentwindow-wallratioat9:00o'clock

      2.3 幕墻玻璃透光率對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響

      對(duì)于雙層玻璃幕墻建筑,內(nèi)、外幕墻玻璃透光率均影響室內(nèi)光環(huán)境,以內(nèi)幕墻為例,分析玻璃透光率對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響.計(jì)算模型窗墻比為0.48,內(nèi)幕墻外形(寬×高×窗個(gè)數(shù)):3.65m×2.2m×2,窗臺(tái)高度為800m,幕墻朝向?yàn)槟舷颍饽粔ν腹饴时3植蛔?,在夏至日晴天工況這一典型日典型工況對(duì)內(nèi)幕墻玻璃透光率分別為43%、53%、63%、73%時(shí)進(jìn)行模擬.經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,得到不同玻璃透光率室內(nèi)平均照度及照度均勻度對(duì)比圖,如圖9、圖10所示.選取時(shí)刻9:00不同玻璃透光率時(shí)室內(nèi)照度分布圖,如圖11所示.

      由圖9可知,玻璃透光率不同,室內(nèi)照度變化規(guī)律相同,但照度值差別較大.隨著玻璃透光率的增大,室內(nèi)平均照度在不斷增大,且增大幅度幾乎相同.內(nèi)幕墻玻璃透光率每增大10%,室內(nèi)平均照度約增大50lux.由圖10可知,內(nèi)幕墻玻璃透光率不同,室內(nèi)照度均勻度存在差別.隨著玻璃透光率的增大,室內(nèi)照度均勻度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)透光率為53%時(shí),室內(nèi)照度均勻度最大.由圖11可知,同一時(shí)刻,室內(nèi)照度分布存在較大差別.隨著玻璃透光率的增大,室內(nèi)近窗處的照度值明顯增強(qiáng),但室內(nèi)照度均勻度卻有所降低,玻璃透光率53%時(shí),室內(nèi)照度均勻度最好.綜合2種因素,同時(shí)考慮到過(guò)高的玻璃透光率會(huì)增加室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷,不利于建筑節(jié)能,因此,針對(duì)本研究對(duì)象,選取透光率63%的玻璃最相宜.

      圖9 不同玻璃透光率平均照度對(duì)比圖Fig.9 Theaverageilluminationof differentlighttransmittanceofglass

      圖10 不同玻璃透光率照度均勻度對(duì)比圖Fig.10 Theilluminationuniformityof differentlighttransmittanceofglass

      2.4 內(nèi)幕墻窗口形狀對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響

      圖11 時(shí)刻9:00不同玻璃透光率室內(nèi)照度分布圖Fig.11 Theindoorilluminationdistributionofdifferentlighttransmittanceofglassat9:00o'clock

      對(duì)于僅有側(cè)面采光的建筑物,不同的窗口形狀(扁長(zhǎng)或細(xì)高)對(duì)室內(nèi)照度的分布必然存在影響.計(jì)算模型內(nèi)幕墻窗墻比為0.51,窗面積為16.8 m2,窗臺(tái)高度為800 mm,幕墻朝向?yàn)槟舷颍x擇夏至日CIE晴天模型進(jìn)行模擬.選取4種內(nèi)幕墻窗戶形狀進(jìn)行分析,窗戶均處于內(nèi)幕墻中間位置,具體窗戶形狀(寬×高)見(jiàn)表3.得到不同內(nèi)幕墻窗戶外形室內(nèi)平均照度及照度均勻度對(duì)比圖,如圖12、圖13所示.選取時(shí)刻9:00不同窗戶外形室內(nèi)照度分布圖,如圖14所示.

      表3 內(nèi)幕墻窗戶外形(寬×高)Tab.3 The w indow shape of inner curtain w all(w idth×height)

      由圖12可知,內(nèi)幕墻外形不同,室內(nèi)照度不同,尤其是正午12:00左右更加明顯.11:00之前和14:00之后,內(nèi)幕墻寬高比為2.1時(shí)室內(nèi)平均照度最大.11:00~14:00之間由于太陽(yáng)高度角較大,入射到室內(nèi)的照度集中在近窗處,因此窗戶寬度加大時(shí)室內(nèi)照度較高,即隨著窗戶寬高比的減小,室內(nèi)照度降低較明顯.由圖13可知,隨著寬高比的降低,照度均勻度逐漸增大,當(dāng)寬高比低于2.1時(shí),照度均勻度降低.由圖14可知,上午9時(shí)同一時(shí)刻,內(nèi)幕墻外形不同,室內(nèi)平均照度相差無(wú)多,但是寬高比過(guò)小,直接影響室內(nèi)照度分布,尤其是近窗墻角處照度值明顯降低,易使人產(chǎn)生視覺(jué)上的不適.綜上,內(nèi)幕墻窗戶外形為6 m×2.8 m即寬高比為2.1時(shí),室內(nèi)照度及照度均勻度為最適宜.

      2.5 其他幕墻特性參數(shù)對(duì)室內(nèi)照度及照度均勻度的影響

      圖12 不同窗戶外形平均照度對(duì)比圖Fig.12 Theaverageilluminationof differentwindowshape

      圖13 不同窗戶外形照度均勻度對(duì)比圖Fig.13 Theilluminationuniformityof differentwindowshape

      圖14 時(shí)刻9:00不同窗戶外形室內(nèi)照度分布圖Fig.14 Theindoorilluminationdistributionofdifferentwindowshapeat9:00o'clock

      對(duì)于雙層玻璃幕墻建筑,內(nèi)幕墻窗戶窗臺(tái)位置的高低及內(nèi)外幕墻之間空氣夾層的寬度對(duì)室內(nèi)光環(huán)境必然存在一定的影響,筆者對(duì)其也做了模擬分析,但相較于前4個(gè)特性參數(shù)影響程度而言比較微弱,在此只做結(jié)果表述:隨著窗臺(tái)高度的增加,室內(nèi)平均照度及照度均勻度變化差值都較小,室內(nèi)照度先提高后降低,室內(nèi)照度均勻度在不斷提高;幕墻空氣夾層寬度對(duì)建筑室內(nèi)照度幾乎無(wú)影響,但對(duì)室內(nèi)照度均勻度存在一定的影響.隨著幕墻夾層寬度的增大,室內(nèi)照度均勻度先增大后降低.

      3 結(jié)論

      本研究中,通過(guò)對(duì)天津市某雙層玻璃幕墻辦公建筑幕墻相關(guān)特性參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算,得出以下結(jié)論:

      1)幕墻朝向在晴天時(shí)對(duì)室內(nèi)照度影響較大,尤其是冬季,工作時(shí)間段內(nèi)幕墻朝向?yàn)槟蠒r(shí)室內(nèi)平均照度最大,其中高于450lux的時(shí)間較北向多出70%,較東、西向多出50%.

      2)隨著內(nèi)幕墻窗墻比的增大,室內(nèi)平均照度及照度均勻度均有明顯的提高,但綜合室內(nèi)照度分布及能耗影響,針對(duì)本研究對(duì)象,0.54的窗墻比為最佳選擇.

      3)玻璃透光率不同,室內(nèi)照度值差別較大,照度均勻度也存在差別.針對(duì)本研究對(duì)象,透光率63%的玻璃最相宜.

      4)隨著窗戶寬高比的減小,室內(nèi)照度及照度均勻度均增大后減小.針對(duì)本研究對(duì)象,窗戶寬高比為2.1左右時(shí)室內(nèi)照度及照度均勻度均在適宜范圍.

      [1]李保峰.“雙層皮”幕墻類(lèi)型分析及應(yīng)用展望[J].建筑學(xué)報(bào),2001,48(11):28-31.

      [2]羅濤.玻璃幕墻建筑的室內(nèi)外天然光環(huán)境研究[D].北京:清華大學(xué),2005.

      [3]陳紅兵.辦公建筑的天然采光與能耗分析[D].天津:天津大學(xué),2004.

      [4]杜峰,孟慶林.玻璃幕墻建筑的室內(nèi)光污染和熱環(huán)境研究[J].建筑科學(xué),2011,27(2):61-65.

      [5]尤偉,吳蔚.淺探運(yùn)用Radiance模擬天然采光[J].照明工程學(xué)報(bào),2008,19(1):25-32.

      [6]云朋.建筑光環(huán)境模擬[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010:74-75.

      [7]羅濤,燕達(dá).天然光光環(huán)境模擬軟件的對(duì)比研究[J].建筑科學(xué),2011,27(10):1-6.

      [責(zé)任編輯 田豐]

      Studyontheimpactofdouble-skinfacade'sdesignparameters onindoordaylightenvironment

      ZHOUYing,JINFengyun,YANGHua,LIULiansheng,WANGJing

      (SchoolofEnergyandEnvironmentEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin 300401,China)

      Double-skinfacadeiswidelyappliedinmodernarchitecture,anditsdesignshouldnotonlymaketheexteriorofthebuildingexpressivelybeautiful,butalsodevote toprovidinggoodnaturallighting fortheambianceofinteriorlightbyfulluseofnaturallighting.AimingatanofficebuildinginTianjin,thisstudysimulated theeffectsofsome characteristicparameters of double-skinfacade(suchas thecurtainwallorientation,window-wallratio ofinnerwalls,lighttransmittanceof glass,windowappearanceofinner wall,sillheightofinnerwallandwidthofair-inter-layer)onindoorlightenvironment,usingRadiancestaticlightenvironmentsimulationsoftware.Somereasonablycurtainwall designparametershavebeenobtainedthroughtheanalysisofthevariationofindoorilluminationandilluminationuniformityinordertofacilitatethebuildingfulluseofnaturallighting, toimprovetheindoorilluminationlevelsandtoreduceartificiallightingenergyconsumption.

      lightenvironment;double-skinfacade;officebuilding;designparameters;staticsimulation

      TU 228;TU113

      A

      1007-2373(2015)06-0052-06

      10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.010

      2015-05-11

      河北省自然科學(xué)基金(E2015202243);河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(13226604D-4);天津市科技支撐計(jì)劃(14ZCDZGX00821)

      周穎(1992-),女(漢族),碩士生.通訊作者:楊華(1970-),女(漢族),教授,y8h8@163.com.

      數(shù)字出版日期:2015-11-18數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151118.1051.008.html

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