引言截至2021年，中国建筑运行总商品能耗为11.1亿吨标准煤，碳排放总量为22.0亿t CO2，其中，北方城镇供暖能耗为2.12亿吨标准煤，碳排放总量为4.9亿t CO2[1]。建筑照明能耗是运行能耗的重要组成部分，利用自然采光可以节约照明能耗，改善室内生态环境，是降低建筑能耗、减少碳排放的重要路径之一。Sharifah[2]等以良好的采光和减少照明能耗为目标，对不同透明围护结构下的室内采光和照明能耗进行模拟分析，确定合适的玻璃材质和透明围护结构选型，使照明能耗降低25%。Lee[3]等分析窗墙比、外窗传热系数、太阳能得热系数、可见光透射比等关键参数对室内采光和照明能耗的影响，利用回归分析进行优化设计，降低了照明能耗和室内采光性能。刘蕾[4]对哈尔滨公共建筑的照明能耗和采暖能耗进行调研分析，建立典型建筑模型，对影响能耗的参数进行敏感性分析，确定主要参数，建立室内照明能耗预测模型。刘涛[5]等依据天津地区的光气候特征，以典型住宅为对象，利用Ecotect软件模拟室内采光状况，分析不同外窗构造尺寸、窗墙比等参数对室内采光的影响。经过优化，使室内自然采光系数达到设计要求。陈庆周[6]采用被动式和风光互补设计策略，结合被动式设计与室内采光，实现建筑朝向、户型设计和窗墙比等因素的协同优化，在降低能耗的同时保证室内自然采光效果。李迪萌[7]通过优化被动式超低能耗办公建筑的透明围护结构，模拟外窗对室内自然采光、照明能耗和采暖能耗的影响。结果表明，窗墙比、可见光透射比是影响室内自然采光的关键因素。为了满足室内自然采光要求，应在减少建筑采暖能耗和制冷能耗的前提下选择外窗面积较大和可见光透射比较高的外窗玻璃材质。随着超低能耗、近零能耗建筑技术不断发展，提升建筑自然采光、降低照明能耗具有重要意义。以某超低能耗超高层建筑为模型，对室内自然采光进行模拟分析，计算典型楼层采光系数、空间天然采光百分比等，并对照绿色建筑评价标准和建筑采光设计标准的要求，对室内自然采光效果进行评价，以达到提升室内自然采光效果和降低照明能耗的目的。1研究方法1.1采光系数采光系数(DF)指在室内给定的某一平面上的点，直接或间接接收的已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度，与相同时刻下该天空半球在建筑室外无遮挡时，水平面上产生的天空漫射光照度的比值[8]。采光系数为室内某位置的自然光与室外太阳光之间的百分比。C=EnEw×100% (1)式中：En——室内照度，lux；Ew——室外照度，lux。采光设计标准将我国划分为5个光气候区，建筑所在位置属于Ⅳ类光气候区。依据采光系数乘以光气候区对应的光气候系数K，可以得到各光气候区对应的采光系数。各个光气候区的光气候系数K值如表1所示。各采光等级参考平面上的采光标准值如表2所示。其中，民用建筑参考平面取地面上方0.75 m平面，公共场所取地面。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003.T001表1各个光气候区的光气候系数K值项目Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类K值0.850.901.001.101.20室外天然光照度值/lux18 00016 50015 000135 00012 00010.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003.T002表2各采光等级参考平面上的采光标准值采光等级侧面采光顶部采光采光系数标准值/%室内自然采光照度标准值/lux采光系数标准值/%室内自然采光照度标准值/lux157505750246005450334505300423005150511505751.2空间天然采光百分比空间天然采光百分比(sDA)为工作平面符合天然采光百分比要求的部分占所有空间面积的比值，为动态评价指标。美国绿色建筑评价体系(LEED)中的能源评级系统对室内空间的天然采光百分比进行规定，建筑内每个空间应满足sDA300/50%55%或sDA300/50%75%才能得到日光积分，为2~3积分。该动态指标为绿色建筑的室内自然采光提供依据。1.3采光分析工具目前常用的光环境模拟软件有Lightscape、Daysim、Ecotect、Radiance、Desktop Radiance等。（1）Lightscape主要适用于采光的渲染，模拟采光时缺少必要的天空模型，无法对相关参数进行计算分析。（2）Daysim可以计算建筑的全年照明能耗，对采光进行动态分析。但该软件缺少建模功能，需利用其他软件建模再导入，进行控制照明模式设置，完成采光分析。（3）Ecotect功能较为全面，建模操作方便，可视化能力强，可以针对围护结构不同位置进行采光分析，但其采用CIE全阴天空模型，模拟最不利的天气状况，局限性较大。（4）Radiance是较权威的采光和照明模拟软件，在建筑光环境模拟分析领域运用较多，计算结果较为精确。综合各软件的优缺点和适用范围，采用Ecotect和Radiance相结合的方式完成建筑的采光模拟分析。2案例分析2.1模型建立以某超低能耗超高层建筑为模型，进行室内自然采光分析。建筑共100层，高度459.75 m，低层为办公用房，中高层为公寓式住宅。根据设计图纸进行建模，某超低能耗超高层建筑模型如图1所示。图1某超低能耗超高层建筑模型（实体及线型）10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003.F1a110.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003.F1a2为了评价不同楼层的采光性能，分别选取第4层、19层和77层为典型楼层进行计算分析。由于建筑体量巨大，对部分参数进行简化设置，建筑室内自然采光模拟过程中，考虑周围建筑对其的遮挡作用，也考虑自身遮挡作用，忽略室内家具等设施的影响。2.2天空模型选择在采光模拟计算中，将天空分布模型分为4个类型，分别是晴天模型、全阴天模型、多云天模型和均匀天空模型：（1）晴天模型指在天空无云或云量很少的情况下，模型室内自然采光由太阳直射光和太阳漫反射光两部分组成，适用于晴天数量较多、太阳辐射较为充足的地区，如位于我国第Ⅰ类光气候分区的西藏自治区拉萨市等地区。（2）全阴天模型指太阳光大部分被云层遮住，室内的自然采光主要由天空漫反射光组成。天空亮度处于较为稳定的状态，天空亮度分布较为均匀。该模型适用于晴天数量较少、太阳辐射较为不足的地区，如位于我国第Ⅱ类光气候分区的四川省成都市等地区。（3）多云天空模型指介于晴天模型和全阴天模型之间的情况，更符合现实状态下的天空情况。多云天空模型下，太阳经常被云层遮挡，使太阳照度和天空亮度处于不断变化过程中。（4）均匀天空模型是指均匀一致的天空模型，在实际情况中很难出现，通常用于部分多雾的天气情况下。按照我国国家采光标准规范，结合天气情况，选择CIE全阴天模型作为采光模拟天空模型。2.3参数设置参照建筑采光设计标准中对建筑室内不同部位反射比限定参考值的要求，对室内构造材料表面反射比进行设置。建筑室内不同部位反射比如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003.T003表3建筑室内不同部位反射比构造表面名称反射比顶棚0.6~0.9墙面0.3~0.8地面0.1~0.5桌面、工作台面、设备表面0.2~0.6依据项目所处光气候分区，天然光年平均总照度设定为30×103 lux，室外临界照度值为13 500 lux，内墙面为白色涂料饰面粉刷，材料反射比取0.75；室内顶棚反射比取0.78；底板反射比取0.35，其余参数按照软件默认值进行设置。3结果与分析3.1内区自然采光计算结果在Ecotect中执行Lighting Analysis命令，获取4层内区空间采光效果。4层内区采光系数计算结果如图2所示。不同颜色填充区域代表不同采光等级。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003.F002图24层内区采光系数计算结果由图2可知，由外至内采光系数不断减小，最大采光系数超过10.40%，最小采光系数为1.4%。采光系数大于3.3%的区域占总区域面积的70.41%。19层内区采光系数计算结果如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003.F003图319层内区采光系数计算结果由图3可知，19层内区的采光系数最低值为4.8%，满足采光系数3.3%要求的比例为100%，该楼层自然采光效果全部满足标准规范中的规定。77层内区采光系数计算结果如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003.F004图477层内区采光系数计算结果由图4可知，77层内区的采光系数最低值为10%，满足采光系数3.3%要求的比例为100%，该楼层自然采光效果全部满足标准规范中的规定。3.2空间天然采光百分比计算结果按照相关系数规范，计算的室内采光系数在495 lux以上满足要求。4层空间天然采光百分比计算结果如图5所示。该楼层满足全年至少有56%的空间、97%的时间的采光系数大于495 lux的要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003.F005图54层空间天然采光百分比计算结果19层空间天然采光百分比计算结果如图6所示。该楼层满足全年至少有90%的空间、99.85%的时间的采光系数大于495 lux的要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003.F006图619层空间天然采光百分比计算结果77层空间天然采光百分比计算结果如图7所示。77层中满足全年至少有90%的空间、100%的时间的采光系数大于1 000 lux的要求。项目位于第Ⅳ类光气候区，采光系数满足要求（3.3%，495 lux）。该楼层的最小采光系数为10%，超过要求的采光系数，因此按照1 000 lux进行计算。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.003.F007图777层空间天然采光百分比计算结果4结语以某超低能耗超高层建筑为模型，进行室内自然采光分析。在室外设计照度设定值为13 500 lux的条件下，分别对4层、19层和77层的采光系数和空间天然采光百分比进行计算，得出如下结论：（1）4层中采光系数大于3.3%为区域占总区域面积的70.41%，19层和77层均为100%。（2）4层全年至少有56%的空间、97%的时间的采光系数大于495 lux的要求，19层有90%的空间、99.85%的时间的采光系数大于495 lux的要求；77层有90%的空间、100%的时间满足要求。该高塔在经过被动式超低能耗改造后，符合相关规范参数要求，有利于节省建筑照明能耗和减少建筑运行碳排放。