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室内昼光眩光的计算与评价

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室内昼光眩光的计算与评价

摘 要：文章介绍了室内昼光眩光的计算和评价方法，并利用计算机程序对昼光眩光进行了模拟计算和评价。
关键词：天然光环境；眩光；计算机模拟；
１、引言
    光环境是建筑环境中的一个重要组成部分。良好的光环境不仅能满足人们生活和工作的功能要求，还能创造出丰富的艺术效果。人眼在长期进化的过程中，适应了天然光，在天然光环境中具有更高的视觉功效。同时，天然光是一种取之不尽、用之不竭的资源，充分利用天然光可节省大量的照明用电，从而减少自然资源的消耗及有害气体的排放，达到节约能源和保护环境的目的。因此，天然采光是绿色照明的重要内容之一。
    窗是最主要的一种采光形式，同时也是人和大自然的交流媒介。建筑师在设计时，往往采用大面积玻璃窗和玻璃幕墙，为室内空间创造出明快的环境气氛，为室外空间构成富有表现力的建筑立面。在过分注重光的艺术效果的同时，窗引起的昼光不舒适眩光在很大程度上影响了天然光环境的质量。因此，有必要进行科学、准确的计算，为建筑师提供设计依据。
    计算机技术的飞速发展，使得利用计算机对天然光进行模拟分析成为可能。为此，本文作者编写了用于计算昼光眩光的计算机程序，通过输入设定好的计算条件，程序会给出昼光眩光的计算结果，可供设计人员参考。
２、研究状况
    英、美、法和比利时等国对窗的不舒适眩光进行了比较深入的研究，在计算和评价方法上取得了重大成果。以下从评价原则、计算和评价方法及评价标准几个方面作简要介绍。
２．１　评价原则
    即使在白天，建筑物室内往往也会使用人工光源照明。因此，在室内昼光眩光的计算中，需要考虑室内常设辅助照明（ＰＳＡＬＩ）的影响。在预测室内不舒适眩光时需要综合考虑昼光和人工照明两者的作用。
在评价时，原则如下：
 （１）两种情况下的不舒适眩光程度需要分别计算；
 （２）如果两种情况下的眩光都分别能接受，则两者叠加的结果也是满足要求的；
 （３）如果两种情况下的眩光都不能接受，则最终叠加的结果也是不能接受的；
 （４）如果其中一种情况下的眩光能够接受，而另一种情况下的眩光不能接受，则视具体情况而定。
    在本文中，不考虑人工照明的眩光影响，即假设人工照明设计已经满足不舒适眩光的要求，只需要考虑在有室内常设照明的条件下室内的昼光不舒适眩光的计算与评价，而室内照明只是对背景亮度有影响。
２．２　计算和评价方法
各国的学者提出了多种计算和评价昼光不舒适眩光的方法。
20世纪６０~７０年代，Ｃｏｒｎｅｌｌ大学和英国的Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ对大面积光源的不舒适眩光进行了研究，并对窗的不舒适眩光（Gn）提出了如下的计算公式：
 Gn=0.478■（1）
 DGI=10log∑Gn（2）
 ?赘=■■（3）
 其中，Ls——光源亮度，单位ｃｄ/ｍ２
 Lb——视野内室内各表面的平均亮度，单位ｃｄ/ｍ２
 ?棕——窗的总立体角，单位球面度（Ｓｒ）
 ?赘——考虑位置修正窗的立体角，单位球面度（Sr）
 P——位置指数
 Ｐ．Ｃｈａｕｖｅｌ考虑到窗外景物、地面和天空亮度的不同，对上述公式作了修改：
 Gn=0.478■（４）
 其中，Ls——通过窗所看到天空、遮挡物和地面的亮度，单位ｃｄ/ｍ２
 Lb——观察者视野内室内各表面的平均亮度，单位ｃｄ/ｍ２
 Lw——窗的平均亮度，单位ｃｄ/ｍ２
 ?棕——窗的总立体角，单位球面度（Sr）
 ?赘——考虑位置修正窗的立体角，单位球面度
 由于上述ＤＧＩ公式存在着一些固有的矛盾，部分学者采用了其他评价方法对昼光眩光进行评价。一些学者引入统一眩光值ＵＧＲ公式进行计算。Ｔｏｓｈｉｅ等人提出了ＰＧＳＶ公式，用于预测人眼对于眩光的感觉；我国学者提出利用无眩光舒适度（Ｅ）对昼光不舒适眩光进行评价。
各国的学者对于昼光不舒适眩光的计算和评价的研究还在继续，由于各人的实验条件和实验对象的差异，得到的结果有很大的不同。但就目前来说，Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ提出的昼光眩光指数仍然是用于评价昼光眩光时最为常用的方法。
２．３　评价标准
我国学者对生产车间窗眩光进行了大量的实测和评价，并参考国外有关标准，于１９９１年１１月１５日发布并实施了《工业企业采光设计标准》５００３３－９１，其中第四章“采光质量”的４．０．２规定侧窗的不舒适眩光应符合表1中的规定。
３　昼光眩光的计算机模拟
根据已有的理论和研究成果，本文作者编写了用于计算昼光不舒适眩光的计算机程序ＷＧＩ，程序中采用的是Ｐ．Ｃｈａｕｖｅｌ的计算公式。
３．１　ＷＧＩ程序介绍
程序的主要功能是计算不同条件下的昼光眩光指数，以便设计师从限制昼光眩光的角度优化开窗的大小和位置。程序可以计算多个窗户的眩光效应，同时考虑了窗外景物对窗亮度的影响。
 输入条件包括：
 城市地理信息：城市、所在省份、经度、纬度、光气候区；
 房间参数：几何尺寸、反射比、评价点位置、背景亮度；
 窗户参数：几何尺寸、窗景比例、透过系数；
 可供选择的天空类型：ＣＩＥ全晴天空和ＣＩＥ全阴天空；
 计算时间：用户可选择一年中任何一天中的任意时刻。
 输出结果为：
 窗户的详细信息：如窗户的面积、透过率、窗的平均亮度和窗外天空的平均亮度以及窗户的眩光常数等；
 昼光眩光指数ＤＧＩ；
 无眩光舒适度Ｅ。
 用户还可以将这些详细的计算结果输出到一个文本文件中。
３．２　程序应用
3.2.1　小房间模型
    为了研究各种因素对昼光眩光的影响，这里建立了一组小房间模型，房间的各参数如下：
 房间尺寸：Ｗ＝３．６ｍ，Ｌ＝６ｍ，Ｈ＝３ｍ
 窗户参数：ｈ＝１．５ｍ，ｗ＝１．２ｍ，ｈｓ＝１．２ｍ
 观测点位置：Ｘ＝１．８ｍ，Ｙ＝５ｍ，Ｚ＝１．２ｍ
 室内各表面反射比参数如表2所示：
 房间的尺寸如图1、图2所示。
计算内容：
    从窗户看到５０％和１００％天空的窗玻璃透过率为８６％和４４％。房间装修色为浅色和深色，分别计算春分、夏至、秋分、冬至四个节气４个房间全天逐时的昼光眩光指数。计算地区为北京地区。
    这里利用了Ｄｅｓｋｔｏｐ　Ｒａｄｉａｎｃｅ软件对平均亮度进行计算。该软件作为目前流行的计算机辅助设计ＣＡＤ平台上的外挂模块使用，可以为用户提供三维建模和交互功能，并能够利用辐射度合成图像系统提供渲染和分析结果。是用于建筑光环境设计与分析，并优化其采光和照明系统的工具软件。
    将各参数输入到ＷＧＩ程序中，经计算可得到各种情况下的昼光眩光指数，整理后得到下列各图。
从上述计算结果可以得到如下结论：
 （１）太阳位置与窗口朝向一致时眩光感觉最明显；
 （２）提高室内反射比可以降低不舒适眩光的感觉；
 （３）减小玻璃透过率可以降低不舒适眩光的感觉；
 （４）减小窗户看到天空的面积可以降低不舒适眩光的感觉。
3.2.2　大房间模型
    近年来，玻璃幕墙建筑由于其鲜明的个性和美学特点，倍受设计者的青睐，越来越多地出现在城市中，我国也兴建了大量的玻璃幕墙建筑。但是，大面积的玻璃幕墙造成过多直射阳光的射入，室内人员有更多的机会看到亮度很高的天空，这就造成了强烈的昼光眩光，给室内人员的作业带来了不利影响。这也成为人们投诉玻璃幕墙的焦点之一。通过对某玻璃幕墙建筑室内昼光眩光情况进行现场测试和主观感受（如图4所示）本文利用窗的不舒适眩光的计算和评价方法对玻璃幕墙建筑的室内昼光眩光进行了评价，并作了相应修正。
房间的各尺寸如图5、图6所示：
图7是窗户平面示意图（窗户的编号顺序为由南到北）
测试条件
    气象条件：晴
    测试时间：２００５年４月２８日下午１６：５０－１７：１０
    测试仪器和设备：ＢＭ－３手持式亮度计、照度计、刻度尺（最小单位为ｍｍ）、数码相机一台
    测试人数：两名
测试的内容和步骤：
 （１）亮度的测量
 测试共选择了三个观测点，这三个观测点均选在房间的中线上，距离窗户所对墙面的距离分别为１ｍ、２ｍ、３ｍ，高度为１．２ｍ。在每个观测点，测量各窗户及窗框、人眼可看到的顶棚、墙面和地面的亮度。
 （２）人眼的主观感觉
 在每个测点，由观测者主观评价昼光眩光情况。
 （３）房间几何参数的测量
 测定房间的各个几何参数以及窗户的几何参数。
 （４）测定房间内各表面反射比
    这里采用了照度计测漫反射表面的反射系数。选择不受直接光影响的被测表面位置，将照度计的接收器紧贴被测表面的某一位置，测其入射照度ER，然后将接收器的感光面对准同一被测表面原来的位置，逐渐平移离开，待照度值稳定后，读取反射照度Ef。按下式求出反射系数：ρ =Ef/ER　
    说明：由于天空亮度分布会随着时间的推移而不断改变，因此测试必须在很短的时间内完成，且选择尽量少的测点。我们选择各个窗户的中心点为测试点，将测试值作为该窗户的平均亮度；选择窗框的中心点为测试点，将测试值作为该条窗框的平均亮度。墙面测试共选择了三个测试点，墙面的平均亮度为三个测试值的平均值；顶棚选择了三个测试点，前两个测试点为吊顶白色面板的亮度值，第三个测试点为灯具格栅表面的亮度值；地面上对较亮区域和阴影区域各选择了两个或三个测试点进行了测试。
背景亮度Lb的确定
    背景亮度Lb由墙面平均亮度、顶棚平均亮度和地面平均亮度根据面积加权平均得到。墙面平均亮度为各测试值的算术平均值；顶棚平均亮度则由吊顶白色面板的平均亮度和灯具格栅表面的平均亮度通过面积加权平均得到；地面的平均亮度根据地面上亮度较高区域的平均亮度和阴影区域的平均亮度根据各自所占比例加权平均得到。灯具占吊顶面积的９％，风口占４．５％，其余部分占８６．５％。地面上阴影所占比例为１１．９７％。
窗户高度修正
    由于房间的层高为２．６ｍ，因此上层窗户会被部分遮挡，在观测点实际能看到的窗户高度应＜１．９ｍ，如图8所示。
    由相似三角形计算得到在测试点１、２、３能看到上层窗户的实际高度分别为１．６１０３ｍ，１．６５４２２ｍ，１．７３２ｍ。
 将实验数据整理后输入到ＷＧＩ程序中，经计算得到的计算结果如表3所示。
 计算方法１：
 将所有窗户作为一个整体进行计算。根据公式：
 Gn=0.478■中，Ls和Lw为所有窗户的平均值，Ω为所有窗户的累加值。
 计算方法２：
 根据公式G■=0.478■,分别计算每个窗户对总的眩光常数的贡献，但将所有窗户的平均亮度作为Lw进行计算。
 计算方法３：
 根据公式■=0.478■■将所有窗户的眩光常数分别计算再累加。
 人的主观感觉
从人的主观感觉来看，在观测点１、２、３，人眼的主观感觉为不舒适或者难以忍受，且三个观测点眩光的不舒适程度依次测点１＜测点２＜测点３，在测点３时眩光已经无法忍受。测试中并没有对太阳直射光进行遮挡，人眼的不舒适感觉有很大程度上来自于太阳直射光。以下给出了几张实际拍摄的照片如图9、图10、图11、图12所示。
    对比三种计算方法得到的结果，方法１得到的结果偏小，与人的实际主观感觉不符，方法２和方法３计算得到的结果与实际情况比较接近。大型窗或者玻璃幕墙玻璃表面的亮度变化范围很大，按照以往计算窗眩光的办法对整个窗取平均亮度进行计算，不能反映极端的情形，造成计算结果与实际情况会有很大的偏差，因此对于大型窗或者玻璃幕墙造成的昼光眩光的计算，必须对窗进行分割，分别计算每个窗的眩光常数再累加计算昼光眩光指数ＤＧＩ。分割的原则为亮度差异大小，亮度差异小于一定数值的部分作为一个计算区域，从这一区域的眩光指数的计算中取该区域的平均亮度。
４、结论
    室内昼光眩光的存在，影响人们正常的视觉作业和视觉舒适度，因此，有必要采取一定的措施对室内昼光眩光加以限制。影响昼光眩光的因素是多方面的，如窗的亮度、窗的大小和形状、背景亮度等，这些因素往往同时在起作用。一般的采光设计中可以采取以下一些措施减弱昼光眩光：
 （１）工作位置的安排要使工作人员不会直接看见天空；
 （２）窗台做成斜面，窗周围的窗台、窗套、窗框和窗棂的细部设浅色表面，减缓对比；
 （３）使用透过率低的玻璃材料降低天空亮度；
 （４）用合适的格栅、百叶、挑檐、雨棚等减小高天空亮度区；
 （５）高反射率的顶棚，并利用室外反射提高顶棚亮度，减小对比；
 （６）用人工照明照亮窗周围的墙面，以减小对比，减弱眩光；
    相比较于传统的分析方法和实验手段，利用计算机进行天然光分析具有以下优点：首先，使用者可以模拟任意时间、地点和相应的天空情况，不受自然条件和仪器设备的限制；其次，室内外环境、室内装修、家具布置等相关参数都可以轻松置换；最后，使用计算机模拟可以将实测数据输入系统，建立通用数据库随时调用，方便设计人员使用。
参考文献

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