第五章 建筑光环境分析

可持续性设计

AutodeskEcotectAnalysis培训教程HongxianQinChinaEducationPrograms

光环境分析

简介EcotectAnalysis可以针对各种自然采光、人工照明提供精确地模拟结果（包括采光系数、照度、亮度等），也可对建筑照明节能提供一定的分析。结合Radiance可以模拟更加丰富的内容，比如采光权、具体地点具体时间的光环境模拟。而EcotectAnalysis与Revit、Radiance的结合，更加可以方便的参与LEED的相关评价。1.1基本光度单位光通量（Luminousflux）指人眼所能感觉到的辐射能量，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。光通量通常用Φ来表示，其单位为“流明”（lm）。发光效能（LuminousEfficacy）指灯的光通量与灯消耗电功率的商。可以理解为每瓦功率产生可见光的总量，单位是lm/W。发光效能越高，就意味着可以用更少的能源产生同样多的光通量。发光效率（LuminousEfficiency）是一个与发光效能有关的概念，发光效率是指光源发出的可见光占总发射辐射的比值。理论上，理想的绿色单色光源（波长555nm）具有最高的发光效能，683lm/W，发光效率是100%，即该光源发出的所有辐射都为可见光。1.1基本光度单位发光强度（Luminousintensity）简称光强，通常用I来表示，单位是candela（坎德拉）简写cd（国际单位制的七个基本单位之一）。1cd是指单色光源（频率540X1012HZ，波长555nm）的光，在给定方向上（该方向上的辐射强度为1/683W/sr）的单位立体角内发出的发光强度。它表明了发光体在空间发射的汇聚能力，可以说，发光强度就是描述了光源到底有多亮。发光强度针对点光源而言，或者发光体的大小与照射距离相比较小的场合。照度（Illuminance）：从同一方向看，在给定方向上的任何表面的每单位投影面积上的光照强度即为照度，常用符号为E。它表示被照面上的光通量密度，单位是lx或lux（勒克斯）。在英制单位中，为fc（英尺烛光），1fc=0.76lx。亮度（Luminance）指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度的单位是cd/m2（坎德拉/平方米）或者sb（熙提），1sb=104cd/m2；有时亮度的单位也写作nit，1nit=1cd/m2。1.2光气候光气候是指有太阳直射光、天空漫射光和地面反射光形成的天然光平均状况。太阳辐射透过大气层入射到地面，一部分为定向透射光，成为太阳直射光，其具有方向性，能形成明显的阴影；另一部分太阳辐射遇到大气层中的空气分子、灰尘、水蒸气等微粒，产生多次反射，形成天空扩散光，其没有一定的方向，不能形成明显的阴影。影响室外地面照度的因素包括了：太阳高度、云状、云量、日照率（太阳出现时数和可能出现时数之比）。1.3天空分布模型晴天模型：晴天是指天空无云或很少云（运量为0～3级）。该情况地面照度是由太阳直射光和天空漫反射光两部分组成。由于太阳在天空中的位置是变化的，所以天空亮度分布也是变化不定的，这导致室内采光很不稳定。为了在采光设计中应用标准化得光气候数据，国际照明委员会（CIE）根据世界各地对天空亮度观测的结果，提出了CIE标准全晴天空亮度分布数学模型，其大致的被描述为：天空中亮度随太阳高度角和方位角变化，太阳附件位置最亮，其镜像位置亮度最低，地平线的亮度位于两者之间。1.3天空分布模型全阴天模型全阴天是指天空全部被云层遮盖的天气。全阴天中室外天然光全部为天空扩散光，其天空亮度分布相对稳定。CIE标准全阴天天顶亮度为地平线附件天空亮度的三倍，天空中的亮度只随太阳高度角变化。1.3天空分布模型多云天（中间天）模型除了晴天和全阴天这两种极端状况外，还有多云天。在多云天时，云的数量和在天空中的位置瞬时变化，太阳时隐时现，因此照度值和天空亮度分布都极不稳定，需要从长期的观测中找出其规律。目前较多采用CIE标准全阴天作为设计的依据，这显然不适合于晴天多的地区，所以有人提出按所在地区占优势的天空状况或者按“CIE标准一般天空”（ISO15369:2004/CIES011:2003:Spaticaldistributionofdaylight-CIEstandardgeneralsky）来进行采购设计合计算。CIE标准一般参考天空模型分为晴天空、阴天空和多云天空（中间天空）三大类，其中每大类包含5小类不同的天空类型，它们涵盖了大多数实际天空。其中的多云天（中间天）模型的天空亮度分布与晴天模型类似，但亮度较低且变化较为舒缓。1.4采光系数室外照度是经常变化的，这必然是室内照度随之而变，不可能是一个固定值，因此对采光数量的要求，我国和其他许多国家都用相对值。这一相对值称为采光系数，它是在全阴天空漫反射光照射下，室内给定平面上的某一点由天空漫反射光所产生的照度与室内某一点照度同一时间、同一地点，在室外无遮挡水平面上有天空漫反射所产生的照度的比值。在2001年开始实施的《建筑采光设计标准》GB/T50033-2001中规定了视觉作业场所工作面上的采光系数标准值，也给出了侧窗采光与天窗采光的采光系数的计算方法。其方法主要是：按侧窗和天窗分别利用两个不同的图表，根据有关数据查出相应的采光系数值。这里的窗，是指未装上窗扇的无限长带性空洞，即是窗洞口。然后按实际情况考虑各种因素，加以修正而得到采光系数最低值（侧面采光）或平均值（顶部采光）。1.4采光系数在EcotectAnalysis中，使用了英国建筑研究中心（BRE）的分项法(SplitFlux)来计算采光系数。分项法假设到达房间内任一点上的天然光由三个独立的部分组成，如图4-4：（1）天空组分SkyComponent(SC)：用过窗户直接从天空射入房间内的部分。（2）外部反射组分ExternallyReflectedComponent(ERC)：被大地、树及其他建筑物反射入房间的部分。（3）反射组分ReflectedComponent(IRC)：前两部分在室内表面上的内部反射。在分项法中，房间采光系数是以上三部分的总和：

DF=SC+ERC+IRC1.4采光系数注意：分项法使用权重表面反射系数计算室内反射光线，相对来说这种处理较为简单，所以并不适于分析反光板之类的二次反射采光构件，这一方面的分析应该同Radiance结合起来。1.5设计天空照度和室外临界照度在EcotectAnalysis中，室外照度采用的是设计天空照度。设计天空照度根据室外照度的统计分析取得，其表示了全年（工作日）从早晨9点到下午5点超过85%的时间的水平照度，也就是说，它提供了一种可用于设计的并至少有85%的时间能满足所需照度的最不利的场景。在确定纬度的情况下（确定了气象数据）EcotectAnalysis提供了两周简便的计算方法：一是程序由Tregenza散射天空照度公式计算；另一种是程序依据实测数据由三次拟合而成（结果如图），相对来说后者更接近实际情况。1.5设计天空照度和室外临界照度我国《建筑采光设计标准》GB/T50033-2001中采用的是室外临界照度的概念，它是全年每天平均有10小时能达到或超过的照度，这一数据按5类光气候分区而有所不同。室外临界照度和设计天空照度本质上都是室外照度，但是不完全相同，设计天空照度更接近实际情况，而室外临界照度则是一个最低限度。在实际设计过程中，如果要根据我国的采光标准进行评估，建议大家使用室外临界照度计算室内照度；如果评估实际使用条件下的采光情况，则建议根据设计天空照度计算室内照度。2.EcotectAnalysis临界照度的模拟分析步骤：检查法线检查材质的光学物理参数开启分析网格设定网格数量适配网格到物体设定采光分析的计算平面高度选择天空条件与临界照度值计算数据处理2.1检查模型法线方向打开“Office_ESGB.eco”文件。点击键盘“Ctrl”+“F9”，进入法线显示模式，检查模型表面法线的方向。仔细检查模型的外围护结构的表面法线是否都向外；如果发现有表面法线向里的，选择该面，点击键盘“Ctrl”+“R”或者在Modify(修改)下拉菜单下选择ReverseNormals(反转法线)命令。【提示】EcotectAnalysis的采光分析要求模型的表面法线必须朝外，否则在计算采光分析时会出现误差。2.2光学物理参数的设置点击键盘“F9”恢复到模型显示模式。点击主工具栏上的按钮，开启ElementsinCurrentModel(材质管理器)对话框，检查材质的光学物理参数。2.2光学物理参数的设置在材质管理器中材料的光学物理参数主要包括可见光透射率(VisibleTransmittance)色彩与反射率(ColourReflect)发射率(Emissivity)玻璃折射率(RefractiveIndexofGlass)高光度(Specularity)粗糙度(Roughness)前五个参数与EcotectAnalysis采光分析关系密切，而影响Radiance采光分析的只有除发射率外的其它五个方面。2.2光学物理参数的设置可见光透射率的设定可以参照附表3.色彩与反射率可以在色彩编辑器(ColoreEditor)中根据实际颜色选择，但是要注意对于办公、图书馆、学校等建筑的房间，其室内各表面的反射率宜符合下表：表面名称反射率顶棚0.70-0.80墙面0.50-0.70地面0.20-0.40桌面、工作台面、设备表面0.25-0.452.3设置分析网格点击

按钮，进入分析网格面板(AnalysisGrid)，点击

按钮，打开分析网格管理器(AnalysisGridManagent)。2.3设置分析网格单元数量(NumberofCells)表示了网格的疏密，但是在《建筑采光设计标准》中并没有规定网格疏密的程度（在《体育场馆照明设计及检测标准》JCJ153-2007J684-2007规定了分析网格的大小，因此在模拟分析体育场馆照明时需要按照该标准执行），可根据实际情况设置不同的数值。比照体育馆的体量，我们这个办公建筑小了很多，因此可以设定0.5mX0.5m一个网格，即X方向约29个微元，Y方向20个微元。点击

按钮，显示分析网格。点击 (适配网格到物体)，弹出适配网格对话框，使用默认设置即可，点击“OK”完成设置。再次点击

按钮恢复到分析网格模式，完成网格的手动调整。2.3设置分析网格设定采光分析的参考平面：根据《建筑采光设计标准》规定民用建筑参考平面（假定工作面）取距地面0.8m。设定采光分析的参考平面：根据《建筑采光设计标准》规定民用建筑参考平面（假定工作面）取距地面0.8m。在二维切片位置栏(2DSLIVEPOSITION)的偏移(Offset)选项里输入800，点击回车键。2.4采光计算在计算栏(CALCULATIONS)中选择“LightingLevels”，点击“PerformCalculation”按钮。在弹出的对话框中点击

按钮，跳过向导过程，直接进入设置界面。2.4采光计算【提示】在做自然采光分析时：1、计算类型(CalculationType)可以选择下拉菜单中的任意选项；2、一般设置(GeneralSettings)选择较高精度(HighPrecision)即可，如果选择更好级别则运算时间长，但精度提高很小；3、天空条件(SkyConditions)的第一个下拉菜单一般选择CIE全阴天(CIEOvercastSky)，第二个下拉菜单的照度值根据《建筑采光设计标准》规定的临界照度值选定，本例的位置在北京，属于Ⅲ气候区，临界照度值为5000Lux；4、应该钩选增强模式(Increasedaccuracymode),这是因为钩选了此模式，软件将考虑窗户的透明度和折射系数，同时使用室外障碍物的真实表面反射系数；如若不然，软件将根据“BRE建筑自然采光估算”研究论文中所描述的原始计算方法相一致。2.4采光计算点击“OK”开始计算。2.5数据处理与结果分析由于《建筑采光设计标准》规定侧窗采光的办公室采光系数不低于2%，因此我们就在数据与比例栏(DATA&SCALE)的最小值(Minimum)输入2，在阶段(Contours)中输入2，最后点击回车键。【提示】Minimum与Maximum影响的是分析网格颜色的变化，Contours影响的是数据列表中的数据划分阶段。2.5数据处理与结果分析在参与绿色建筑评价时，需要确定75％以上的主要功能空间室内采光系数满足现行国家标准《建筑采光设计标准》GB／T50033的要求。具体的方法如下：进入报告页面，点击报告生成器(REPOR