張 艷，冉茂宇
（1.浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231；
2.華僑大學 建筑學院，福建 廈門 361021）
作為學生學習的主要場所，教室的光環境直接影響學生的生理和心理健康，充足的天然采光更有利于提高學生的學習積極性和效率[1]。近年來，一些新建或擴建教學樓的設計多注重外觀形象，設計的教室很少能做到充分利用天然光，從而導致人們過度依賴人工照明現象的產生。良好的天然采光可以最大限度地利用天然光代替人工照明，減少相應的照明能耗。因此，無論是從減少建筑能耗還是考慮學生生理和心理健康方面，天然采光對于營造良好的教室光環境都是十分重要的。
目前，國內對多媒體教室天然采光的研究，一部分是通過對多媒體教室天然采光的狀況進行調研展開的，另一部分是通過實測與軟件模擬分析相結合來評價多媒體教室天然采光情況的。彭小云[2]對多媒體教室的光環境進行了分析研究，通過分析多媒體教室的光環境所要達到的要求，對多媒體教室采光提出一些設計方法。李振霞等[3]通過實地調研和測試對多媒體教室的光環境問題進行總結和分析，并提出了改進意見。趙華[4]對天津大學和南開大學進行了實地調研和大量問卷調查，總結了多媒體教室在天然采光方面存在的問題。王莉莉[5]通過分析實際案例，了解教學建筑設計中空間光環境的設計方法，利用Ecotect、Radiance 等光環境模擬軟件進行了建筑光環境的模擬分析。關高慶[6]對高校多媒體教室的天然采光進行了研究，利用Radiance 軟件模擬得出多媒體教室在最不利采光條件和最不利時段下的具體采光方案。陸帆[7]針對多種光環境模擬軟件，如Ecotect、IES、DesignBuilder 和綠建斯維爾，分析了各種模擬軟件之間的計算誤差和影響因素。白佳喜等[8]針對多媒體教室在光環境與暗環境之間存在的矛盾，通過問卷調查和實地測量對寧夏大學投入使用的多媒體教室的采光環境進行了研究。上述研究結果表明，多媒體教室使用天然采光有利于營造良好的學習環境，提升教學質量。目前，我國以現行的《建筑采光設計標準》（GB 50033—2013）中的采光系數標準值作為天然采光設計的評價指標，根據不同建筑類型和光氣候分區給出了對應的采光系數標準值[9]，試圖通過限定評價指標來規范建筑采光設計。由此，為了評價浙江同濟科技職業學院多媒體教室的天然采光設計情況，本文對實測計算的靜態采光系數和應用Dynamic Daylighting 軟件模擬的動態采光系數進行比較分析，以便在今后能夠為改善多媒體教室的光環境和優化采光設計提供理論依據。
1.1 研究對象
本文以浙江同濟科技職業學院教學樓B311，B314，B319 多媒體教室為研究對象。B311 多媒體教室正南向，長、寬、高尺寸分別為8.70 m×7.40 m×3.70 m，南側窗、墻為外窗、外墻，東、北、西三側均為內窗、內墻；
B314 多媒體教室的長、寬、高尺寸分別為8.80 m×7.45 m×3.70 m，北側窗、墻為外窗、外墻，東、南、西三側均為內窗、內墻；
B319 多媒體教室南偏東45°，長、寬、高尺寸分別為12.55 m×7.55 m×3.70 m，南側窗、墻為外窗、外墻，東、西側墻為外墻，北側窗、墻為內窗、內墻。多媒體教室相關信息見表1。多媒體教室為開展教學活動的場所，大部分時間室內人員靜坐于書桌前，B311，B314，B319 多媒體教室位置和模型示意如圖1～圖2 所示。
圖1 教學樓B311，B314，B319 多媒體教室位置示意圖
圖2 B311，B314，B319 多媒體教室模型示意圖
表1 多媒體教室相關信息
1.2 研究方法
（1）現場測試法。在浙江同濟科技職業學院內，選定不同類型或不同尺寸的多媒體教室在典型氣象條件下一天內（秋分日）不同時段進行天然采光測試，計算靜態采光系數，評價多媒體教室的光環境設計是否符合采光標準的要求。
（2）模擬測試法。應用Dynamic Daylighting 軟件對相同多媒體教室在同等條件下的動態采光系數進行模擬，驗證現場測試的真實性和軟件的可靠性，使其相互印證。
（3）比較分析法。比較分析現場測試得到的靜態采光系數與軟件模擬得到的動態采光系數在結果上出現的差別及可能的原因，科學評價多媒體教室的天然采光設計情況。
實測多媒體教室所在地杭州在光氣候分區中屬于IV 類，因此光氣候系數K 值取1.10。根據《建筑采光設計標準》第4.0.4 條規定：教育建筑的普通教室的采光不應低于采光等級Ⅲ級的采光標準值，側面采光的采光系數不應低于3.0%，室內天然光照度不應低于450 lx[10]。
實測時間為2020 年9 月22 日，陰，氣溫24～28 ℃，天空狀況為全陰天，選擇10:00—14:00 時間內的10:00 時刻進行測量。選擇這個時間節點是因為《采光測量方法》（GB/T 5699—2017）第6.1.2 條規定：照度測量應選在一天內照度相對穩定的時間內進行，即選取當地時間上午10 時至下午2 時。按照民用建筑來選擇參考平面，利用照度計測得參考平面上各測點的照度，同時測得在室外無遮擋水平面上由天空漫射光所產生的室外照度。而后對采集的照度數據進行統計，按照以下公式[11]計算采光系數平均值作為采光系數標準值。
式中：Cav為采光系數平均值，%；
Ci為在第i 個測點上的采光系數，%；
M 為縱向測點數；
N 為橫向測點數。
B311，B314，B319 多媒體教室采光測量布點如圖3 所示。
圖3 B311，B314，B319 多媒體教室采光測量布點圖
經過統計計算得出：教學樓B311 多媒體教室側面采光的采光系數值為6.28%，大于3.3%（所在地區的采光系數標準值應乘以相應地區的光氣候系數K），滿足采光要求；
教學樓B314 多煤體教室側面采光的采光系數值為3.62%，大于3.3%，滿足采光要求；
教學樓B319 多煤體教室側面采光的采光系數值為5.38%，大于3.3%，滿足采光要求。B311，B314，B319 多媒體教室各測點實測靜態采光系數分布如圖4 所示。
圖4 B311，B314，B319 多媒體教室各測點實測靜態采光系數分布圖
在實測的時候，天空中云量多，未出現太陽直射光，天空中只有漫射光，判斷天空狀況為全陰天。這種對于天空狀況的判斷是一種主觀評價，更加科學嚴謹的方法是利用天空亮度測量儀器（如EKO 天空掃描儀MS-321RL）對實時天空亮度分布進行測量。本文將測量得到的數據分別與《日光的空間分布CIE一般標準天空》（GB/T 20148—2006）中列舉的15 種天空類型的天空亮度分布計算數據進行比較，分別求出它們的均方根值，取均方根值最小的那個天空類型為實際天空類型。然而，在實際測量中，由于設備成本高，測量點多，其應用范圍受到了限制。蘇航等[12]在《基于15 個天空測量點亮度值對CIE 標準下的實際天空類型實時分類方法》論文中提出了基于分類樹程序實現CIE 天空種類的識別方法：提取15個與天空分布特征相關的特定位置天空的亮度點，通過亮度點間存在的相關變量建立分類樹模型，最終獲得可實時識別實際天空所屬的CIE 天空種類的分類樹程序，進而實現實時識別天空類型的目的。他們通過對哈爾濱地區的天空情況進行CIE 一般天空實時分類結果驗證，證明該方法針對該地區具有很高的準確度，但是對于其他地區是否具有同樣的適用性，目前缺乏有力的證據。
Dynamic Daylighting 軟件模擬動態采光系數時，在能夠準確判斷天空類型的前提下，提供了16 種CIE 天空模型和使用每小時的氣象數據（use hourly weather data）等選擇方式。如果對天空類型的判斷還存在不確定性，使用每小時的氣象數據進行模擬可能更為合適。目前，在我國用于采光模擬的典型氣象年數據來源主要有CSWD（chinese standard weather data），CTYW（chinese typical year weather），IWEC（international weather for energy calculations）和SWERA（solar and wind energy resource assessment）4 種類型[13]，本次模擬分析采用CSWD 數據。
本文對2020 年9 月22 日10:00—14:00 時間段內的B311，B314，B319 多媒體教室的采光情況進行模擬，分析其動態采光系數。與實測情況不同的是模擬分析對象中未放置桌椅、柜子、多媒體講臺、黑板等家具和教學設備。圍護結構的光學參數如表2所示。
表2 圍護結構的光學參數
值得注意的是，在10:00—14:00 時間段內應用CSWD 氣象數據模擬時，使用CIE 天空模型根據瞬時直接、漫射輻射和（或）照度生成了動態天空亮度分布，因此，多媒體教室的采光系數分布是實時動態變化的，是基于CBDM（climate-based daylight modelling）的動態采光系數。這就使得模擬更加接近于真實的天空狀況，而不是主觀判斷的天空狀況，因而得到的動態采光系數比實測計算得到的靜態采光系數更加合理。
B311 多媒體教室10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 幾個整點的動態采光系數分布情況如圖5 所示。由圖5 可知，B311 多媒體教室在10:00 采光系數值是6.19%，在11:00 采光系數值是7.44%，在12:00 采光系數值是7.57%，在13:00 采光系數值是6.32%，在14:00 采光系數值是5.58%。計算得出在10:00—14:00 時間段內教學樓B311 多煤體教室側面采光的平均采光系數值為6.62%。這與實測計算的采光系數值（6.28%）存在一定差別。
圖5 B311 多媒體教室在10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 的采光系數分布圖
B314 多媒體教室10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 幾個整點的動態采光系數分布情況如圖6 所示。由圖6 可知，B314 多媒體教室在10:00 采光系數值是3.75%，在11:00 采光系數值是3.48%，在12:00 采光系數值是3.29%，在13:00 采光系數值是3.74%，在14:00 采光系數值是4.76%。計算得出在10:00—14:00 時間段內教學樓B314 多媒體教室側面采光的平均采光系數值為3.80%。這與實測計算的采光系數值（3.62%）存在一定差別。
圖6 B314 多媒體教室在10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 的采光系數分布圖
B319 多媒體教室10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 幾個整點的動態采光系數分布情況如圖7 所示。由圖7 可知，B319 多媒體教室在10:00 采光系數值是6.70%，在11:00 采光系數值是6.96%，在12:00 采光系數值是5.59%，在13:00 采光系數值是4.50%，在14:00 采光系數值是4.66%。計算得出在10:00—14:00 時間段內教學樓B319 多媒體教室側面采光的平均采光系數值為5.68%。這與實測計算的采光系數值（5.38%）存在一定差別。
圖7 B319 多媒體教室在10:00，11:00，12:00，13:00，14:00 的采光系數分布圖
4.1 計算精度驗證
Dynamic Daylighting 軟件的開發者Dr.Andrew Marsh 通過使用完全相同的房間模型與Radiance的模擬結果進行直接比較和驗證，測試的方法和結果可以參見題為Towards dynamic real-time daylight simulation 的詳細報告[14]。對比分析表明：
（1）在同一個室內參考平面上，使用該工具計算的采光系數與使用Radiance 計算的采光系數有很高的相關性。并且對于大多數常見房間配置而言，相關性非常接近。
（2）分量光通法存在一定局限性，它不太適合具有很高的表面平均反射率和三維尺度中最小維度的尺寸小于另外兩維尺寸平均值25%的房間。
（3）在更大范圍的房間，在窗戶和表面參數確定的情況下，當處理小的或分開的窗戶情況時，使用該工具進行模擬比使用Radiance 穩定得多。
（4）由于該工具運行速度足夠快，可以在用戶動態操縱計算參數時實現采光分布的實時視覺反饋，這就使得它能夠成為寶貴的教育資源，其用戶可以使用交互的方式調查采光分布、房間尺寸、表面特性、窗戶尺寸及其在圍護結構中的位置這些因素之間的關系。
（5）當使用相對簡單的矩形房間模型進行模擬時，計算空間采光分布的過程可以獲得極大的優化，這為該工具的開發提供了巨大的潛力，使其可以基于CBDM 以及更復雜的遮光和玻璃系統，應用動態和累積的天空亮度條件進行分析。
4.2 Dynamic Daylighting 軟件與主流工具使用天空方程的區別
Dynamic Daylighting 軟件在模擬15 種CIE 天空模型（不包括傳統陰天天空）中的任意一種時，使用的數學方程是ISO 在2004 年于ISO 15469：2004（E）/CIE S 011/E：2003 中發布的CIE 一般標準天空方程[15]，而不是R.Perez 等在1993 年于All-weather model for sky luminance distribution：Preliminary configuration and validation 一文中發布的Perez 全天候天空方程[16]。用于采光模擬的主流工具，如Radiance，DaySim，HoneyBee 使用的代碼卻是以Perez 全天候天空方程為基礎編寫的，Radiance：gendaylit.c 使用的代碼如圖8 所示[17]，Radiance：gendaymtx.c 使用的代碼如圖9 所示[18]，HoneyBee：gendaylit.py 使用的代碼如圖10所示[19]。似乎目前所有相關主流工具中使用的天空亮度分布代碼都是來源于Jean-Jacques Delaunay 在1994 年為Radiance 編寫的gendaylit.c 程序的早期版本，這些原始代碼是Heart Consultants 從2001 年到2009 年開發的Helios 32 中日光計算的基礎。2009 年這些代碼又被添加到了Radiance 核心分布中。在這之后，Greg Ward 于2013 年以Helios 32 的代碼為基礎為Radiance 編寫了gendaymtx.c 程序，隨后DaySim 和HoneyBee 由編程人員繼續以這些原始代碼為基礎編寫而成。因為Jean-Jacques Delaunay 編寫的原始代碼是在ISO 15469：2004（E）/CIE S 011/E：2003 發布之前編寫的，因此，這些工具使用的都是Perez 全天候天空方程，而沒有更新為CIE 一般標準天空方程[20]。
圖8 Radiance：gendaylit.c 使用的代碼
圖9 Radiance：gendaymtx.c 使用的代碼
圖10 HoneyBee：gendaylit.py 使用的代碼
因為使用的天空方程不同使得用Dynamic Daylighting 和用Radiance，DaySim，HoneyBee 等主流工具進行采光模擬時獲得的數據略有不同。
ISO 15469：2004（E）/CIE S 011/E：2003 中的CIE 一般標準天空方程，函數f 是能使某一天空面元的相對亮度與其距太陽的角距離產生關系的散射特性曲線：
其在天頂處的值為
其中c，e 是散射特征曲線參數；
χ 是某一天空面元和太陽之間的最短角距離；
Zs是太陽和天頂之間的角距離。
在Perez 全天候天空方程中，ζ 是某一天空面元和天頂之間的角距離，a 和b 是亮度的色調參數，γ即為χ，為某一天空面元和太陽之間的最短角距離。公式如下：
其中[1+c exp（dγ）+e cos2γ]相當于公式（2），區別在于相對于CIE 一般標準天空方程而言，Perez 全天候天空方程中沒有出現-exp（dπ/2）。
5.1 結論
（1）通過比較分析可知，對于教學樓B311，B314，B319 多媒體教室這類簡單的房間配置，實測計算的靜態采光系數和應用Dynamic Daylighting 軟件模擬的動態采光系數，雖然在結果上非常接近，并且對各個參數的響應非常相似，均能夠滿足《建筑采光設計標準》中關于采光系數的要求，但是也存在一定差別。
（2）動態采光系數的模擬考慮了太陽光和非全陰天的天空光、房間的位置和朝向以及天空狀況的實時變化，作為一種采光模擬的教育性工具，Dynamic Daylighting 軟件應該能夠廣泛應用于建筑光環境的模擬分析。雖然Dynamic Daylighting 軟件選擇的天空方程與Radiance，DaySim，HoneyBee 等主流軟件略有區別，但使用其計算的采光系數與使用主流軟件計算的采光系數卻有很高的相關性。
5.2 討論
兩種方式得出的采光系數存在差別的原因：可能是實測時教室里家具的反射率比地面反射率低，使得實測各測點的照度值比模擬的照度值低；
也可能是在測量頂棚、墻體、地面等各部位構造的反射率時就存在誤差；
當然也可能是軟件模擬應用的是典型氣象年數據，與實際的氣象參數可能存在差別。然而，不論是何種原因造成的差別，其結果均在可接受的閾值范圍之內[21]。