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学术研究

【论文】国外采光分析软件使用中的常见误区

时间:2018/11/29 15:40:09   作者:本站编辑   来源:绿建斯维尔   阅读:0   评论:0

【论文】国外采光分析软件使用中的常见误区

国外采光分析软件使用中的常见误区


金晶1,张金乾 1 ,袁宝兴1,王会一1

(1.北京绿建软件有限公司,北京,100098)

摘  要: 国外采光软件具有较好的通用性,但其应用于国内采光标准验标计算时,往往会因使用者对计算参数的设置把握不准,使计算结果产生较大的偏差。本文通过对光线反射次数、污染折减系数、可见光透射比这三个参数的合理取值进行分析和介绍。利用国内采光软件DALI和国外采光软件进行对比,分析上述参数差异对计算结果的影响。本文旨在推进采光计算参数设置标准化,以保证计算结果的准确性,供建筑师、绿色建筑从业人员进行参考,避免软件使用中进入误区。

关键词:采光参数;软件对比;使用误区; DALI

【论文】国外采光分析软件使用中的常见误区


引言

自然采光对建筑内部光环境有着重要意义。天然光不仅是工作生活中必不可少的条件,同时也能提供人体对工作环境舒适度的要求。建筑采光作为建筑品质的一个重要指标,也是近年来绿色建筑评价和设计规范一直以强制性标准条文来要求的指标之一。绿色建筑作为世界的热点问题和国家的战略发展产业,越来越被社会所重视。采光分析作为绿色建筑的一项重要手段,不仅涉及到建筑节能,同时又是建筑舒适度的体现,已经出台的《绿色建筑设计标准》、《绿色建筑评价标准》都涉及到建筑采光的量化要求。

采光计算较为复杂,它不仅和建筑的室内空间布局有关,而且和室外周边的建筑物密切相关,很难依靠人工实现采光的计算,多采用采光软件的进行专业分析。国外采光软件产品常常被用来计算采光系数,并以此与国内标准进行达标判定。然而在使用过程中往往由于使用者对参数设置不当,导致计算结果出现偏差,本文将分析国外软件与国内标准中的参数要求差异,并通过模拟对比体现参数设置差异对采光系数的影响。


常见误区

常见的国外采光软件有Radiance、Ecotect、Daysim、IES、DesignBuilder等,每款软件均为成熟的采光分析软件。Radiance软件成为了采光计算的首选,被光学研究学者广泛应用,是公认的精确度较高的软件,其他采光软件多以Radiance计算核心进行采光计算。国内绿色建筑根据《建筑采光设计标准》GB50033-2013的要求来评判采光是否达标,但是国外软件的参数设置与国内标准中涉及参数存在差异,使用者极易在使用中进入误区。使用者容易在使用中对计算参数设置有误,导致计算结果不正确。


2.1 反射次数

在采光模拟分析时需要考虑天空光的直射光、漫射光和房间内表面的间接反射,在利用软件计算时,多采用光线追踪法计算,光线的反射次数与采光结果就有着密切的联系。

间接反射光对室内采光的影响很大。通过表1可知反射次数与光照残值之间的关系。当反射次数为3时,光照残值较大,说明还有部分反射光还未被充分利用,此时计算出的采光系数就会偏小;当反射次数为5时,光照残值极小,说明光线经过5次反射之后,剩余的反射光对于采光点的贡献已经微乎其微,此时采光计算结果较为合理。由此可知,反射次数设置太小就会导致计算精度无法得到保障,反射次数过大,就会导致计算时间过长,对采光结果也并无明显提升。对于开窗面积较小或者进深较大的房间,间接采光的影响更为显著,那么反射次数对结果的影响很大。

表1 光照残值

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合理设置反射次数对于采光模拟来说极为重要。《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2014、《建筑采光设计标准》GB50033-2013中均为明确指出对反射次数的要求。近年来反射次数的要求已经得到重视,2015年9月1日发布的上海市《建筑环境数值模拟技术规程》DB31/T 922-2015中明确要求:计算程序宜采用光线追踪法计算,光线反射的折返次数不宜低于5次。  

对比不同采光软件,可知反射次数设置方法各有不同:

1. Radiance中用户对反射次数进行自定义,这就要求使用者对反射次数有正确的理解和选择;

2. Daysim中可参数设置界面中默认反射次数为5,同时支持用户自定义;

3. DesignBuilder中可以在计算设置界面中提供6中计算模式,每种计算模式确定计算所需的计算参数取值,其中包含反射次数,例如:当计算选择标准计算参数,反射次数默认为2次;当选择精确计算模式时,反射次数默认为5次。用户也可以对反射次数进行自定义。

不同软件对于反射次数的默认值不同,设置方式也不同,用户盲目使用默认值进行计算即使是同一模型计算结果都会产生偏差。所以在使用国外采光软件时,要注意对反射次数这一参数进行正确设置,选取合适数值,以保证计算精度。


2.2 可见光透射比

可见光透射比是采光的重要影响因素之一。在采光计算时,窗总透射比决定了窗的透光性能。窗的总透射比是由采光材料透射比、窗结构的挡光折减系数和污染折减系数共同决定的。

τ=τ0·τc·τw              (1)

式中:   τ —窗的总透射比;

τ0 —采光材料的透射比;

τc —窗结构的挡光折减系数;

τw —窗玻璃的污染折减系数;

国内标准用透射比(transmittance)来体现透光性,DesignBuilder与国内标准吻合,设置时玻璃材质使用透射比这一参数,而Radiance、Daysim中则使用透过率(transmissivity)进行设置。透过率是在材料的一次穿透中未被吸收的光量,考虑了多次反射。透射率通常是测量的值代表透过窗格的总光线,未考虑多次反射,两个参数之间需要进行转换:


【论文】国外采光分析软件使用中的常见误区(2)

式中:tn——透过率;

        Tn——透射比。

    透射比为0.88的玻璃,经过上式可知其透过率为0.96。使用者若是在Radiance、Daysim中将透射比数据错误地定义为透过率,就会使得结果出现偏差。


2.3 污染折减系数

国内标准在计算窗透射性能时考虑污染折减系数,根据玻璃的位置角度、污染情况对窗户的透光性进行一定比例的折算。污染折减系数是国内标准中独有的参数,在国外软件中并没有考虑此系数带来的影响。

结合2.2节一起分析,对比污染折减系数对窗透光性能的影响,由表2可知,考虑污染折减系数与否存在10%左右的误差。同时发现考虑污染折减系数后,透射比和透过率数值相近,差距在0.01~0.02。

表2污染折减系数对窗透光性能的影响

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在使用国外采光软件时,不仅要注意软件定义窗构件的参数是透射比还是透过率,还需要注意部分国外软件(例如Radiance、Daysim)不考虑污染折减系数所带来的影响。


分析对比

本章通过一个简单测试模型对不同采光软件的结果进行对比,软件分别选用Ecotect+Radiance、DesignBuilder和国内采光分析软件DALI。绿建斯维尔采光分析软件DALI为建立在国内标准基础上并以Radiance为计算核心的采光软件,选择DALI与国外软件对比分析反射次数、透射比、污染折减系数对结果的影响。模型为一5m×5m×3m的房间,南向墙面有一2m宽、1.5m高的窗户,窗台高度为0.9m。

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图1 模型房间

3.1 反射次数的影响

不同软件中默认的反射次数不同:Ecotect+Radiance中默认为2次; DB中提供多种选择;DALI分别有粗算(2次)和精算(6次)模式,支持自定义。上文提及,反射次数不宜低于5次,在此将设定反射次数设定为2次、5次。计算模型其他参数如表3所示,计算结果见表4。

表3  材料参数设定

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表4  反射次数对平均采光系数的影响

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反射次数增加, DB和DALI采光结果显著增长,分别增加了22%和17%,说明计算充分利用天然光。本次模拟采用北京地区气候数据进行计算,若以采光系数2%为达标要求,增加反射次数可使得原本不达标的房间接近、超过达标线。但是Ecotect增长幅度不大,采光系数几乎是其他软件的2倍。反射次数对结果的影响是不可忽视的,正确设定反射次数在采光模拟分析中非常必要。

3.2 可见光透射比的影响

可见光透射比和透射率的区别往往被忽视。通过表2,可知透射比为0.734时,透射率应为0.8。模拟时反射次数均为5次,将0.734、0.8分别代入计算,计算结果见表5。 同一软件内,误用透射比和透过率将对平均采光系数带来较大波动,约在 10%左右。由此可见,用户在不了解软件参数含义时,误用参数对结果的影响是不可忽视的。


表5 可见光透射比对平均采光系数的影响

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3.3 污染折减系数的影响

一般民用建筑污染折减系数取值常取0.9(清洁)、0.75(一般),若透射比为0.734,窗总透射比应为0.66。模拟时反射次数均设为为5次,分别代入两款国外软件中进行计算,结果见表6:

表6 污染折减系数比对平均采光系数的影响

【论文】国外采光分析软件使用中的常见误区注:DALI为国内采光软件,支持污染折减系数的设置。

τw 取0.9时,平均采光系数下降10%以上;τw 取0.75时,平均采光系数与不考虑污染折减系数相比下降30%以上。考虑污染折减系数后,DB与DALI的结果,相差0.2%~0.3%;Ecotect的结果仍偏高。

3.4 综合对比

保证反射次数相同、透射比参数正确设置,对比三款软件的计算结果,测点布置见图2。结果如表7所示,结果表明DALI和DB的平均采光系数、最大值、最小值存在较小差异, Ecotect结果仍表现较大差异。

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图2 测点布置情况

表7  不同软件对比结果(5次反射)

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通过上文对比可知正确设置参数对采光计算的重要性。上述对比中DALI和DB结果相近,但是Ecotect结果明显差距过大。在采光计算时,DALI和DB都考虑了窗框对透过率的遮挡,即窗结构的挡光折减系数,而Ecotect中计算并未对窗框结构进行考虑,并且Ecotect在采光分析时考虑了环境光,这导致Ecotect计算结果几乎是其他软件的2倍。


结论

国外软件因其自身的优越性在国内有着较多使用者,但在与国内采光标准进行对标计算时,国外软件与国内标准要求存在一定的差异,使用者往往忽视这些问题,进入参数的理解和设置的误区。

本文首先对反射次数、透射比、污染折减系数这3个参数分别进行分析,可知:

(1) 不同软件对反射次数的默认设置不同,反射次数对采光结果影响明显,需要用户注意反射次数的调整,同时建议反射次数设置不宜小于5次;

(2) 不同软件对窗透射性能的参数设置不同,用户需了解透射比和透过率之间的区别,在使用中要明确软件所需何种参数;

(3) 国外采光软件并未考虑窗的污染折减系数这一概念,所以在计算时用户需考虑此系数对窗透射性能的影响。

(4) 国内采光软件DALI紧贴国内采光标准要求、计算精度和准确度良好,在对比分析中表现出良好的性能。

国内绿色建筑发展使得采光质量越来越得到重视,采光计算参数设置标准化亦要得到重视,以保证计算结果的准确性,从而推动绿色建筑可持续发展。


参考文献

[1] 云朋.建筑光环境模拟[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.203

[2] GB50033-2013建筑采光设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.



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