綠色建筑動態(tài)采光模擬方法

王會一，金 晶，田 真（.北京綠建軟件股份有限公司， 北京 00098；. 湖南大學(xué)建筑學(xué)院， 湖南 長沙4008）

天然光環(huán)境是人們長期習(xí)慣和喜愛的工作環(huán)境。各種光源的視覺試驗結(jié)果表明，在同樣照度條件下，天然光的辨認(rèn)能力優(yōu)于人工光，有利于工作、生活、保護視力和提高勞動生產(chǎn)率。充分利用天然光，對于創(chuàng)造良好光環(huán)境、節(jié)約能源、保護環(huán)境和構(gòu)建綠色建筑具有重要的意義。

目前大部分建筑采光相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都是以采光系數(shù)作為評價指標(biāo)，采光系數(shù)因其簡單易用的特點被廣泛應(yīng)用，采光系數(shù)是室內(nèi)目標(biāo)點上的照度與全陰天下室外無遮擋水平面上照度的比值，表征全年中較不利的全陰天空條件下的采光情況。但這種評價方法的缺點也顯而易見，既未考慮建筑的朝向，也未考慮采光隨天空狀況改變的變化性，無法預(yù)測建筑各朝向的遮陽措施以及無法預(yù)測眩光問題等。

隨著天然光采光應(yīng)用研究的不斷發(fā)展，區(qū)別于計算采光系數(shù)的靜態(tài)模擬方法，近年來國際上發(fā)展起來基于全年光氣候的動態(tài)模擬計算方法，計算全年中不同天空狀況下隨時間步長變化的逐時照度。在動態(tài)采光計算基礎(chǔ)上提出一些新的天然采光評價標(biāo)準(zhǔn)，其中采光閾占比 Spatial Daylight Autonomy（sDA）、年日照時數(shù) Annual Light Exposure（ASE）[1]等動態(tài)采光指標(biāo)得到廣泛應(yīng)用。

1 動態(tài)采光評價體系

1.1 國外認(rèn)證

美國綠色建筑委員會 LEED 認(rèn)證是最知名的綠色建筑評價體系之一。LEED 由美國綠色建筑協(xié)會建立，并于 2003年開始推行，在美國部分州和一些國家已被列為法定強制標(biāo)準(zhǔn)。截至目前，國內(nèi)申請 LEED 認(rèn)證的項目近 4 500 個，總建筑面積達 1.6 億 m2，已得到認(rèn)證的項目超過 2 000 個。2015 年，綠色建筑認(rèn)證協(xié)會（GBCI）和美國 WELL 建筑研究所（IWBI）將 WELL 建筑標(biāo)準(zhǔn)引入中國，將建筑的健康性能作為衡量基礎(chǔ)，在 LEED 要求的基礎(chǔ)上進一步提升建筑環(huán)境指標(biāo)。

LEED v 4 和 WELL v 1 的認(rèn)證都對動態(tài)采光提出了明確的指標(biāo)要求。將采光閾占比（sDA300，50%）和年日照時數(shù)（ASE1000，250）作為光環(huán)境的評價指標(biāo)。在全年運營時間內(nèi)，對常用空間中適宜照度的面積比例提出要求。

以 WELL 為例，健康陽光照射一節(jié)要求如下所示。①至少 55% 的空間每年至少 50% 的運營時間至少能獲得 300 lx 的陽光照射。② 每年有 250 h 可獲得 1 000 lx 以上陽光照射的區(qū)域不超過 10%。

LEED 標(biāo)準(zhǔn)的要求與 WELL 大致相同，區(qū)別在于 LEED針對不同建筑類型要求的達標(biāo)面積比例略有不同。國外認(rèn)證中對動態(tài)采光的計算要求相對來說發(fā)展比較成熟，北美照明學(xué)會發(fā)布的 LES LM-83-12 文件詳細說明了計算 sDA、ASE的建模要求和計算模擬參數(shù)等條件。

1.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

我國對動態(tài)采光的研究相對較晚，但是近年來國內(nèi)一些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)明確提出了動態(tài)采光的模擬計算要求。動態(tài)采光指標(biāo)更真實全面地反映了室內(nèi)天然采光狀況，其已逐漸成為國內(nèi)天然采光評價的發(fā)展趨勢。

2016 年，中國建筑學(xué)會標(biāo)準(zhǔn) T/ASC 02—2016 《健康建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》對公共建筑的動態(tài)采光評價提出要求，即：“公共建筑室內(nèi)主要功能房間至少 75% 面積比例區(qū)域的天然光照度值不低于 300 lx 的時數(shù)平均不少于 4 h/d，得 5分”。

2019 年，GB/ T 50378—2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》進行修訂，對公共建筑和住宅建筑均提出了明確要求，即：“住宅建筑室內(nèi)主要功能空間至少 60% 的面積比例區(qū)域，其采光照度值不低于 300 lx 的小時數(shù)平均不少于 8 h/d；公共建筑室內(nèi)主要功能空間至少 60% 的面積比例區(qū)域，其采光照度值不低于采光要求的小時數(shù)平均不少于 4 h/d” 。

值得注意的是，GB/ T 50378—2019 條文中給出的照度值指的是平均照度，與國際標(biāo)準(zhǔn)通常采用的逐點照度有所不同。

2 動態(tài)采光模擬工具

2.1 國外采光軟件

動態(tài)采光指標(biāo)在國際上提出較早，國外很多采光軟件已基本實現(xiàn)動態(tài)采光分析功能，如 DAYSIM、DIVA-for-Rhino、IES-VE、Ladybug+Honeybee、SPOT 等。目前國外商業(yè)采光軟件的動態(tài)采光計算普遍采用 DASYIM 內(nèi)核，類似于 Radiance 軟件在靜態(tài)采光計算中的地位，DAYSIM 是目前國際公認(rèn)的動態(tài)采光計算引擎。DAYSIM 采用 Perez 天空模型，可以根據(jù)太陽直射輻射、水平散射輻射和其他相關(guān)數(shù)據(jù)計算天空亮度信息，這樣就能取得全年動態(tài)光環(huán)境模擬所需的天空亮度分布數(shù)據(jù)[2]。

與 Radiance 類似，DAYSIM 軟件本身有多個計算子程序組成，調(diào)用關(guān)系比較復(fù)雜，雖然提供了簡單的用戶界面，但實際使用體驗并不友好。DAYSIM 軟件本身未提供建模功能，一次只能進行一個空間的計算，計算結(jié)果僅能輸出簡單的網(wǎng)頁報告。目前 DAYSIM 主要被科研院所的研究人員使用，很難直接在普通建筑設(shè)計人員中普及應(yīng)用。

DIVA-for-Rhino 在犀牛軟件平臺上開發(fā)，解決了建模問題、操作簡單，但自定義材料參數(shù)較難。其他的國外采光軟件也表現(xiàn)出建模支持不夠、計算精度不足、交互界面不友好等問題。最關(guān)鍵的是國外軟件對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)支持不足，無法自動匹配國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的參數(shù)要求，成果報告形式無法達到國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的需求[3-4]。

2.2 國內(nèi)采光軟件

綠建斯維爾采光軟件 DALI（下文簡稱 DALI）支持 GB 50033—2016 《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和 GB/T 50378—2019的采光模擬計算，并已通過國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的鑒定。DALI 動態(tài)采光計算核心為 DAYSIM 軟件，以蒙特卡羅反向光線跟蹤算法為基礎(chǔ)進行天然采光分析。在保證了計算精度的同時，DALI 基于國內(nèi)建筑設(shè)計師廣泛應(yīng)用的AutoCAD 平臺而開發(fā)，提供了友好的 Window 用戶操作界面，只需要簡單設(shè)置各項采光計算參數(shù)（如材料的反射比）后，即可進行動態(tài)采光計算。如果用戶同時在工程中應(yīng)用其他綠建斯維爾系列軟件（如建筑節(jié)能設(shè)計軟件 BECS），則可以實現(xiàn)一模多算，避免重復(fù)建模過程。

DALI 動態(tài)采光功能可實現(xiàn)多項標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的驗證計算，如全自然采光時間百分比（DA）、有效天然采光照度（UDI）的計算，支持 LEED、WELL、GB/T 50378—2019和 T/ASC 02—2016 的采光指標(biāo)驗算。

動態(tài)采光對每一個采樣點進行動態(tài)全年 8 760 h 的逐時計算，完成計算后，可在 DWG 圖上直接標(biāo)注對應(yīng)類型的計算結(jié)果，DALI 使用數(shù)值和符號代表每個計算點的結(jié)果和達標(biāo)情況。并且在動態(tài)采光計算完成之后可以對多區(qū)域的結(jié)果進行統(tǒng)計，以便對該建筑全年采光情況進行評價和判斷標(biāo)準(zhǔn)得分情況。DALI 提供多種計算結(jié)果的呈現(xiàn)方式，如達標(biāo)率統(tǒng)計表、分析結(jié)果區(qū)間色、過渡色彩圖和逐日、逐月達標(biāo)統(tǒng)計圖等，全方位多角度反應(yīng)項目全年動態(tài)采光效果。動態(tài)采光效果圖如圖 1 所示。

圖 1 動態(tài)采光效果圖

DALI 可作為綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)的對標(biāo)驗算軟件，提供了直接輸出綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)動態(tài)采光條文的計算報告書功能。報告書的主要內(nèi)容包括每個計算房間的統(tǒng)計表格、全部房間的匯總統(tǒng)計表格、逐日逐月統(tǒng)計圖以及項目整體達標(biāo)結(jié)論和得分情況等內(nèi)容。

2.3 計算結(jié)果對比

對于一款計算軟件，計算結(jié)果的準(zhǔn)確性是最重要的。選擇 DALI 軟件和國外采光模擬軟件 DIVA for Riho 進行對比，該軟件具有建模方便、計算精度較高和操作相對簡單等特點。鑒于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國外標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)采光指標(biāo)不一樣，因此選用 LEED 動態(tài)采光指標(biāo)進行結(jié)果對比。

為驗證計算結(jié)果精度，通過多個采光計算模型在相同氣象數(shù)據(jù)和計算參數(shù)條件下進行結(jié)果比對，如模型 1 的簡單房間、模型 2 的典型辦公室、模型 3 的廠房等，具體如圖 2 所示，計算結(jié)果對比如表 1 所示。

圖 2 模型情況

表 1 計算結(jié)果對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，兩款軟件的計算結(jié)果基本保持一致，ASE 和 sDA 兩項指標(biāo)計算結(jié)果的差異控制在合理范圍以內(nèi)。造成差異的原因可能是兩款軟件取點方法不同，采樣點位置不能完全一致，從而影響了統(tǒng)計結(jié)果。

3 DALI 軟件的創(chuàng)新點

作為國內(nèi)一款商業(yè)化采光軟件，DALI 填補了國內(nèi)動態(tài)采光方面的空白。DALI 采用 DAYSIM 作為計算引擎，保證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，基于友好的交互界面提高了軟件的易用性。

3.1 支持國內(nèi)動態(tài)采光指標(biāo)計算

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)給出了動態(tài)采光指標(biāo)的計算要求，而國外采光軟件目前尚未有針對性的支持國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。DALI 率先支持了國內(nèi)健康建筑和綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)中與采光相關(guān)的條文，解決了國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的對標(biāo)驗算問題。

3.2 支持國內(nèi)氣象數(shù)據(jù)

DALI 軟件還可以自行選擇不同數(shù)據(jù)源的計算氣象文件，支持清華大學(xué)的 CSWD 氣象數(shù)據(jù)文件進行動態(tài)采光計算，為國內(nèi)的用戶提供了本地化服務(wù)。

3.3 計算速度優(yōu)化

基于動態(tài)采光的內(nèi)部計算原理，動態(tài)采光要完成全年8 760 h 的逐時照度計算，以sDA的計算為例，需要考慮計算多種工況下的照度（包括太陽直射照度、遮陽條件下的照度和不考慮遮陽的照度），逐時多工況計算大幅增加了軟件的計算復(fù)雜度。在 DAYSIM 原生的單線程計算模式下，一棟多層的住宅樓的動態(tài)采光計算動輒需要數(shù)個小時的時間。

DALI 在 DAYSIM 軟件的基礎(chǔ)上，為提高計算速度，做了以下方面的嘗試和改進。

（1）支持并行計算。DAYSIM 本身不支持并行計算，DALI 在此基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，可以一次支持多個房間并行計算。如對 16 核的電腦可以一次同時進行 16 個房間的模擬計算。

（2）對計算參數(shù)進行優(yōu)化，提供粗算和精算兩種精度模式。精算采用 DAYSIM 的默認(rèn)計算參數(shù)，反射次數(shù)多相對精度高，對計算結(jié)果也較為有利。但是計算速度很慢，十幾個房間的精算可能需要幾個小時才能完成。粗算模式使用優(yōu)化后的計算參數(shù)，在略微損失計算精度的前提下，可在十幾分鐘內(nèi)完成十幾個房間的計算，大幅提高了計算效率。相對于精算模式而言，只是計算結(jié)果值略為偏低，非常適合于建筑設(shè)計師在前期進行方案調(diào)整階段使用，可以大幅節(jié)省計算時間成本。

（3）支持云計算，充分利用云端計算資源進行并行計算。云計算是一種可伸縮、彈性、共享的計算模式，根據(jù)云端資源核數(shù)，可以充分利用云端優(yōu)勢并行計算。此外，可同時進行多個房間地計算，房間數(shù)可達 40 個以上，突破了本地計算機的計算瓶頸。同時提交到云端的計算不影響客戶的本地工作，計算更穩(wěn)定，管理更容易。DALI 云計算框圖如圖 3 所示。

圖 3 DAL I云計算框圖

4 結(jié) 語

綠建斯維爾 DALI 采光軟件率先在國內(nèi)基于 DAYSIM 計算引擎開發(fā)了動態(tài)采光計算功能，并在對標(biāo)驗算和計算速度等多個方面做了很多大膽的嘗試和改進。但不可忽略的是，國內(nèi)動態(tài)采光起步較國外相對晚一些，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條文對于計算細節(jié)缺乏具體的規(guī)定和解釋。如何結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和軟件，使得動態(tài)采光指標(biāo)能夠更好地促進國內(nèi)建筑采光設(shè)計的發(fā)展，未來還有很多工作要做。