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绿色建筑采光模拟软件的适用性分析与计算精度

发布时间:2016-12-18      文章来源:未知

摘要:建筑采光模拟软件对绿色建筑设计有不可或缺的作用。本文首先阐述了建筑采光模拟软件的种类及特性,然后对4款采光软件的适用性进行分析,最后选取3款适用性较强的软件,通过实测与模拟对比的方法验证了软件的计算精度。
关键词:绿色建筑;建筑采光;模拟软件;适用性; 计算精度
Applicability Analysis and Calculation Accuracy Verification of Daylighting Simulation Software for Green Building
Abstract:  Architecture daylighting simulation software have an important role for green building design. This paper describes the types and characteristics of the architecture daylighting simulation software. Then analyzes the applicability of 4 software, and verifies the calculation accuracy of 3 software by comparison of measured and simulation.
Keywords:  Green Building; architecture daylighting; simulation software; applicability; calculation accuracy
 
1 引言
        建筑自然采光对节约照明用电,提高人的视觉舒适性和改善室内物理环境质量有着积极的影响,因此,世界各国的绿色建筑评价标准都将采光质量作为绿色建筑评价的一项重要指标。然而,满足这一指标并非易事,因为建筑采光受诸多因素影响,加之自然光的多变性,这些都对采光设计提出了较高要求。当前,常用的采光设计方法有缩尺模型法、人工计算法和计算机模拟法3种。相对于前两种方法,计算机模拟法具有速度快、可重复、易控制等优势,因而,这种方法在建筑采光设计与研究领域应用的越来越广泛。计算机模拟法是通过各种采光软件,在计算机里搭建仿真模型,输入相关参数,然后进行模拟计算、渲染。这种方法不仅能够快速获取建筑采光的照度、亮度、采光系数、眩光值等量化数据,而且还能将量化结果转换为可视化的分析图和渲染图。相关研究表明,迄今为止,市场上已有超过50余种商业采光软件[1]。然而,在众多软件中,究竟哪些软件更适于辅助绿色建筑设计,计算结果更精确,有待进一步探讨和验证。因此,本文主要从辅助绿色建筑设计的角度出发,对常用采光软件的适用性进行分析,并通过实测值与模拟值对比的方法验证软件的计算精度。
2 建筑采光模拟软件概述
        建筑采光模拟软件的数量较多,功能各有侧重,本文难以全面探讨,因此,有必要对这些软件进行归类,然后分类选取具有代表性的软件进行深入研究。按照模拟对象及状态的不同,建筑采光模拟软件大致可分为静态、动态和综合能耗模拟三类[2]。静态模拟软件主要有Radiance、Desktop radiance、Ecotect、Dialux、Agi32等,它们可以模拟某一时间点建筑采光的静态图像和光学数据,其中,Radiance、Desktop radiance和Ecotect在天然采光模拟方面的性能被广泛认可;动态模拟软件可以依据项目所属区域的全年气象数据逐时计算工作面的天然光照度,以此为基础,可以得出全年人工照明产生的能耗,为照明节能控制策略的制定提供数据支持。相对于静态模拟软件,动态软件的选择余地较小。C.F.Reinhart在《Nature Light in Design》一文中介绍了4款动态采光模拟软件,分别是Adeline、Lightswitch Wizard、Spot和Daysim,他认为前3款软件都存在计算精度不足的缺陷,仅有Daysim的计算精度较高;综合能耗软件并不是真正意义上的采光模拟软件,采光模拟是这类软件的功能之一,综合能耗软件的主要功能在于能耗模拟及设备系统仿真,相比专业采光软件,其在计算精确度方面较弱。由美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的Doe2和EnergyPlus是综合能耗模拟软件的代表,它们可依据全年的采光状况计算照明得热,并将数据输入到全年能耗模拟中计算建筑综合能耗。可以说,这类软件的优势在于综合能耗计算,而非采光模拟,因此,本文对此类软件不做深入研究。
3 建筑采光模拟软件的适用性分析
        综上所述,在三类采光软件中,静态模拟软件Radiance、Desktop radiance、 Ecotect和动态模拟软件Daysim的采光模拟性能比较突出。但从辅助建筑设计的角度而言,还需对4款软件的适用性进行分析、比较。
3.1  Radiance
        Radiance软件由美国劳伦斯伯克利国家实验室和瑞士洛桑联邦理工学院同步开发的。这款软件基于Unix系统,其核心算法采用了蒙特卡洛随机采样与光源、镜面对象的确定性计算相结合的混合式光线跟踪算法,能在可接受的时间内获取令人满意的计算精度[3]。该软件的特点是计算精度非常高,分析能力十分强大,但对当今大多使用Windows的用户而言,这款软件的易用性较差,要求学习者需具备一定的编程能力,这是阻碍建筑师学习、应用这款优秀软件的主要障碍。但是,鉴于Radiance在光环境模拟领域出色的表现力和无可辩驳的主导地位,许多第三方公司都以其为核心进行了再次开发,如Ecotect、Desktop radiance、Daysim、Rayfront等众多软件都是在Radiance基础上研发的。
3.2  Desktop radiance
        Desktop radiance是由美国劳伦斯伯克利国家实验室、美国太平洋能源中心及美国Marinsoft公司合作开发的一款以Radiance为计算核心,并内嵌于AutoCad2000或R14的建筑采光模拟软件,可以模拟任意时间、任意天气条件下的建筑采光状况。与Radiance相比,Desktop radiance在保持计算精确度的同时,其易用性有较大提高,通过图形界面,使用者可以轻松驾驭Radiance。Desktop radiance自身没有建模能力,不过,它全面支持AutoCad的所有建模命令,对SketchUp模型也有较好的兼容性。但是,该软件在2001年就停止了研发,因此,它无法内嵌于大多数建筑师习惯使用的Cad平台(如AutoCad2006)。幸运的是,这款软件有一个可选组件Radiance for Windows,将其安装后可与Ecotect结合分析照度、亮度、采光系数等采光数据,而且能生成采光场景的渲染图和伪色图。
3.3  Ecotect
        Ecotect是Squar one公司研发的一款综合建筑性能模拟生态设计软件,可完成对建筑声环境、光环境、热环境、日照、可视度、经济性及环境影响六个方面的建筑性能模拟和分析。该软件采用了Windows图形界面,易用性较好,而且Ecotect具有一定的建模能力,建模过程直观、简单。另外,软件自身有丰富的数据接口,可将Ecotect模型导入Radiance、Daysim等软件进行更精准的计算,也可以将Radiance和Daysim的计算数据导入Ecotect进行可视化分析。需要指出的是,与Desktop radiance可以任意设定模拟时间和天气环境不同,Ecotect仅能模拟全云天的自然采光状况。
3.4  Daysim
         Daysim是由加拿大国家实验室和德国弗劳恩霍夫研究所太阳能研究中心共同开发的一款以Radiance为计算核心的天然采光分软件,其采用了Jaca跨平台技术,主要用于分析建筑全年自然采光性能和照明能耗。与Radiance不同,Daysim分别提供了针对Windows和Unix平台的两种版本。Daysim不仅能计算采光系数(DF),而且还能计算Daylight Autonomy(DA)和Useful Daylight Illuminances(UDI) ,并且能够通过设定人员的行为模式及人工照明的控制方式计算全年的照明能耗。Daysim不具备建模能力,一般与Ecotect、SketchUp等软件协同模拟,模拟结果以网页形式展现,无法生成静态的可视化图像文件。
表1  采光软件的各项性能比较
软件名称 易用性 建模能力 图形生成
Radianc 很低 可以
Desktop radiance 中等 没有 可以
Ecotect 很高 可以
Daysim 中等 没有 不可以
 
         通过对上述软件的简要分析与比较(表1),发现每款软件都有自身的优势与不足,没有哪一款软件在静态模拟、动态模拟和能耗分析方面都同时具备优势。从辅助建筑设计的角度看,Radiance的界面易用性较低,操作难度较大,不易被建筑师掌握,其它3款软件辅助建筑设计的适用性较好,不过,它们的计算精度还有待进一步验证。需要指出的是,如前文所述,Desktop radiance早已停止了研发,当时的2.0版无法在不断更新的AutoCad平台上运行,仅有它的组件Radiance for Windows可以在Ecotect软件上使用,因此,Desktop radiance的组件Radiance for Windows仍有较强的适用性(下文简称Radiance FW)。
4 建筑采光模拟软件的计算精度验证
        作为辅助绿色建筑设计的采光软件,计算结果是否精确至关重要,尽管Ecotect、Radiance FW和Daysim的计算精度被广泛认可,但最终模拟结果是否真实,还需要通过实测进行验证。将模拟结果与实测数据进行对比,不仅可以检验软件的可信度,而且还可以在模拟对比过程中,进一步了解各款软件的特色和优势。另外,采光系数和照度是评价建筑采光质量的两项重要指标,对这两项指标进行检验,是确保模拟软件计算结果精确与否的重要依据。需要说明的是,Daysim软件的最大优势在于全年动态采光分析与能耗计算,但检验其在动态采光方面的精确性比较困难,因为这需要收集实测对象全年的采光与照明能耗数据,所以,本文暂且不对Daysim的动态分析性能进行验证,仅研究它计算采光系数的精确性。
4.1实测对象
        实测地点位于济南市济南大学东校区旅游学院办公楼4楼南侧,实测房间的采光不受周边绿化及其它建筑遮挡,其主要尺寸见图1。房间内的主要装饰材料是:顶棚600mm×600mm白色矿棉板,反射率0.85;墙面白色乳胶漆,反射率0.8;地面600mm×600mm米黄色全瓷地砖,反射率0.5;窗口6mm厚普通浮法玻璃,透光率0.8。
4.2测点布置
        鉴于房间南向的采光窗左右对称,因而只需对房间1/2的区域布置测点即可,房间内共布置5个采光实测点,具体位置见图2。图中以房间的西南角为坐标原点,分别标注了5个测点的坐标值:E1(5178, 900)、E2(5178, 2700)、E3(5178, 4500)、E4(4315, 2700)、E5(6040, 2700)。另外,室外测点布置在无遮挡的三楼屋顶。
4.3数据测量
        建筑采光测量于2012年10月29日上午10点进行,此时段室外为全云天。之所以将测量时间定为上午10时,是因为上午10时至下午2时之间室外照度变化相对平稳,但考虑到济南的全云天在中午12时左右时常会出太阳,故将测量时间定于上午10时进行。另外,实测目的主要是验证模拟软件的计算精确性,并不是研究工作面照度,从便于测量的角度出发,此次测量将所有测点的高度定为100mm。测量时,测量顺序按测点序号,每个测点测量一次,室外测量与室内同步。实测数据见表2。
表2 各测点照度及采光系数实测值
测点 室内照度
(lx)
室外照度
(lx)
采光系数
(%)
测点E1 632 13500 4.7%
测点E2 467 13600 3.4%
测点E3 332 13800 2.4%
测点E4 442 14000 3.2%
测点E5 473 14300 3.3%
    
4.4软件模拟
        分别使用3款软件模拟5个测点的采光系数,同时,用Ecotect和Radiance FW模拟5个测点的照度值(Daysim为动态模拟软件,无法计算某一时刻的照度值)。模拟主要步骤是:首先用Ecotect软件搭建仿真模型,设定材料反射率与透射率,计算采光系数和照度。然后,将Ecotect搭建的仿真模型分别导入Radiance FW和Daysim,再次计算采光系数和照度。模拟结果见表3、表4。
表3 各测点采光系数模拟值
测点 Ecotect
(%)
Radiance FW
(%)
Daysim
(%)
测点E1 8.1% 8.2% 8.3%
测点E2 3.6% 4.4% 4.3%
测点E3 2.9% 3.0% 2.9%
测点E4 3.5% 4.4% 4.1%
测点E5 4.5% 4.1% 4.0%
 
表4  各测点照度模拟值
测点 Ecotect(lx) Radiance FW(lx)
测点E1 1117 847
测点E2 506 433
测点E3 409 296
测点E4 496 432
测点E5 631 411
 
 
4.5实测值与模拟值比较
        从采光系数和照度两个方面将3款软件的模拟值与实测值进行比较,可以发现:(1)在采光系数方面(图3)。3款软件对近窗处E1点的模拟值与实测值偏差较大,其余测点偏差较小。Radiance FW和Daysim的计算结果非常接近,二者与Ecotect的计算结果差别稍大,而Ecotect的模拟值更接近实测值。5个模拟点中,三款软件在E1点和E3点上的模拟值差别最小;(2)在照度方面(图4)。Ecotect和Radiance FW对近窗处E1点的模拟值与实测值偏差较大,Ecotect的偏差是Radiance FW的两倍。在其余几个测点上,Ecotect的偏差均大于Radiance FW。总体而言,Radiance FW的照度模拟值与实测值比较接近,精确度较高。不过,无论采光系数还是照度,3款软件对近窗处E1点的模拟偏差都比较大,分析原因,应该是室外环境反射光线所致。实测场景中,室外基本以树木和灌木为主,反射率较低,反射方向也较为分散,对室内环境影响较小。而仿真模型中并未设置室外绿化,仅考虑了室外地面反射,地面反射光线被遮阳板再次反射后进入室内,会对近窗处的E1点产生较大影响。
5 结论
        通过对常用建筑采光软件适用性及计算精度的分析与比较,本文得出如下两点结论:
(1)适用性。Ecotect、Radiance FW 和Daysim更适合辅助绿色建筑设计。Ecotect建模直观、简单,与相关软件的数据接口丰富,并能生成可视化的数据网格分析图,这些优点恰好可以弥补Radiance FW和Daysim建模能力与可视化分析能力的不足。因此,将3款软件作为一个整体结合使用,能更加方便、快捷的辅助绿色建筑设计。
(2)计算精度。3款软件在采光系数方面的模拟精度很高,其中Ecotect更为出众;照度方面Radiance FW的精确度很高,Ecotect的偏差较大。因此,在进行建筑采光分析时,用Ecotect计算采光系数,用Radiance FW计算照度可以获得比较准确的模拟结果,而Daysim的优势主要体现在全年动态仿真计算。
注释:
① DA和UDI是近些年国际上出现的一些新的采光评价标准,在实践中得到了比较广泛的认可,但当前在国内并无标准的汉语翻译,因此,笔者在文中只采用英文。

注:此稿件发表时经Ucheck(免费论文检测)查重合格
参考文献:
[1]王大川.用于建筑照明设计的软件研究[J].灯与照明,2012,36(1):28~35.
[2]云朋.建筑光环境模拟[M].北京:中国建筑工业出版社,2010:P48.
[3]罗涛,燕达,赵建平等.天然光光环境模拟软件的对比研究[J].建筑科学,2011,10(27):1~12.
 
 

 
 
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