羅 濤 燕 達 張 野 彭 琛 劉 燕 楊允禮
(1.清華大學(xué),北京 100084;2.鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院,北京 100038)
客站的天然采光設(shè)計對于客站能耗有著重要的影響,一方面采光的數(shù)量和質(zhì)量直接會影響人工照明的使用情況,從而影響照明能耗;另一方面,透光圍護結(jié)構(gòu)往往是建筑節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié),其保溫和隔熱性能較差,從而引起室內(nèi)空調(diào)和采暖負(fù)荷的增加。采光不足會導(dǎo)致較差的室內(nèi)光環(huán)境,影響人員身心健康,并增加照明能耗;而過度的采光則會導(dǎo)致室內(nèi)過熱,引起空調(diào)負(fù)荷增加,帶來眩光,造成不良的室內(nèi)光環(huán)境和熱環(huán)境。因此,客站的采光設(shè)計不僅需要考慮光環(huán)境的效果和照明需求,還要考慮對建筑能耗的影響,需要在光和熱之間尋求合理的平衡。
我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對于客站的采光系數(shù)及照明功率密度未作出明確規(guī)定[1][2],有研究人員根據(jù)調(diào)研情況及設(shè)計經(jīng)驗,對采光照明的節(jié)能設(shè)計提出了指導(dǎo)性建議[3][4][5],并根據(jù)調(diào)研結(jié)果及計算機模擬技術(shù)對某客站的采光進行了模擬分析[6][7]。
然而,現(xiàn)有的研究中對光熱的綜合考慮方面的研究很少,對于采光對建筑能耗的影響還缺少定量的分析總結(jié);調(diào)研的樣本也只限于某氣候區(qū)的少數(shù)客站,代表性和普適性不足。
本文的研究目的,在于從建筑節(jié)能和室內(nèi)光環(huán)境兩方面要求出發(fā),在大量實測調(diào)研的基礎(chǔ)上,確定采光設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn),并通過光熱的綜合分析,給出相應(yīng)設(shè)計要點,從而為后續(xù)的客站設(shè)計起到參考和指導(dǎo)作用。
針對上述研究目的,課題組在2010年7至8月份選擇了全國不同氣候區(qū)的16個典型客站進行了調(diào)研。調(diào)研工作包括調(diào)查和現(xiàn)場測試兩部分內(nèi)容,研究人員通過與設(shè)計人員、客站工作人員溝通,了解客站的設(shè)計和運行情況,獲取客站圖紙資料和基本信息,并根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,了解客站的室內(nèi)外光環(huán)境現(xiàn)狀;通過現(xiàn)場測試,研究人員獲得了室內(nèi)照度、圍護結(jié)構(gòu)做法和光熱性能參數(shù)、照明能耗等數(shù)據(jù)。
從現(xiàn)場調(diào)研來看,客站的設(shè)計中比較重視天然采光,而圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計各具特點,采光的形式和透光圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式多樣,有的采用側(cè)面采光,有的采用頂部采光,采光的設(shè)計中同時也考慮了遮陽的需要 (圖1~4)。
圖1 G站具有地域特色的外窗
圖2 O站天窗設(shè)計
圖3 L站南向幕墻設(shè)置的外遮陽
圖4 K站西向挑檐設(shè)計
各客站候車室的采光設(shè)計情況如表1所示:
表1 所調(diào)研客站的采光設(shè)計情況
各客站主要功能空間的采光實測結(jié)果如表2所示。
圖5給出了兩個具有不同采光形式的客站的采光系數(shù)分布的實測結(jié)果。
表2 各客站主要功能空間的采光系數(shù)
圖5 實測的采光系數(shù)分布
從實測結(jié)果來看,大多數(shù)客站的候車室和進站大廳采光狀況較好,采光系數(shù)平均值分別為2.82%和3.51%,白天一般不需要開啟人工照明;售票廳的采光系數(shù)略低,為1.37%,白天需要部分開啟人工照明進行補充;客站的站臺作為半室外區(qū)域,采光比較充足,可避免乘客在換乘時由于明暗對比引起的視覺不舒適。
為了解采光對于照明能耗的影響,我們對各客站的照明用電情況進行了測試調(diào)研,如圖6所示。
圖6 各客站的單位面積照明能耗情況
所調(diào)研客站的單位面積照明耗電量約為8.9kWh/m2~68.2kWh/m2,差異較大;調(diào)研中發(fā)現(xiàn)其照明功率密度值在9~12 W/m2之間,差異較小。因而照明能耗的差異主要來自于開燈的時間和運行方式。對比采光的實測結(jié)果可以看到,采光較好的客站,開啟照明的時間短,其單位面積照明能耗相對更低。
從圖6中也可大致判斷各站照明開啟時間與天然采光利用的情況。假設(shè)照明功率密度為12 W/m2,當(dāng)日運行時間為6h時,照明能耗為26.3 kWh/m2,日運行時間為12h時,照明能耗為52.6 kWh/m2,其中J、L、F三個客站的能耗超過了該數(shù)值,意味著其照明開啟時間較長,超過了12h/天。
在現(xiàn)場調(diào)研的過程中,課題組發(fā)現(xiàn)了一些較好的設(shè)計實例,既考慮了節(jié)能的因素,也取得了較好的光環(huán)境效果。以下是一些客站的實例分析。
(1)A站
該客站的進深較小,采用了雙側(cè)面采光 (圖7)。
圖7 A站候車室采光效果
經(jīng)現(xiàn)場實測,候車室的天然采光效果良好,白天基本不需要開燈,節(jié)能效果顯著;同時由于采光水平較高且比較均勻,主觀感覺較好。
(2)C站
C站利用中庭的天窗解決大廳內(nèi)的采光,效果較好,如圖8所示。
圖8 C站天窗采光效果
(3)K站
客站為線上式車站,為改善站臺的采光,一層地面采用了透光的鋼化玻璃,如圖9、圖10所示。
圖9 K站候車廳地面玻璃
圖10 K站站臺采光效果
天氣晴好的條件下,天窗下方的站臺區(qū)域的地面照度可達248 lx,可滿足照明的要求,不用開啟人工照明。從現(xiàn)場主觀感覺來看,由于加強了自然采光,降低了明暗對比,在不開燈的情況下也能保證較好的視覺舒適性。
通過對客站采光進行調(diào)研,我們發(fā)現(xiàn)客站的采光具有以下特點:
(1)客站采光對于其照明能耗有著重要的影響。一般來說,采光較好的客站照明能耗較低,反之則偏高;
(2)客站常用的采光形式包括側(cè)面和頂部采光;
(3)透光圍護結(jié)構(gòu)的常用材料包括中空Low-E玻璃、中空夾膠玻璃、聚碳酸酯陽光板等,個別采用了ETFE等新材料。
進一步對調(diào)研和實測數(shù)據(jù)進行分析,可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有客站的采光設(shè)計中還存在以下一些問題:
(1)各客站的窗墻比差異較大,即使是在相同氣候區(qū)的客站也如此。
(2)從實測數(shù)據(jù)來看,各客站的采光水平差異較大。
(3)采光設(shè)計時,缺少對建筑總體能耗的考慮。部分客站過于追求采光效果,采用了大面積的外窗或天窗,使得過多的太陽輻射進入室內(nèi),導(dǎo)致室內(nèi)過熱,并大量增加了空調(diào)能耗。
現(xiàn)有的采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中未對客站各空間的采光做出明確要求,在客站的采光設(shè)計中存在突出采光效果,忽略采光對空調(diào)能耗的影響的情況。
因此,根據(jù)客站的采光需求,從建筑節(jié)能的要求出發(fā),確定合理的采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、窗墻比、采光形式、開窗方式以及窗的光熱參數(shù)等,是十分必要的。其中,采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是需要首先解決的問題,也是采光設(shè)計的前提。
根據(jù)現(xiàn)場實測和主觀感受,并參照照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和類似功能空間 (如大堂、展廳等)的采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),候車室和進站大廳的采光系數(shù)不宜低于2%,售票廳的采光系數(shù)不宜低于1%,而站臺由于是半室外空間,為了不至于產(chǎn)生強烈的明暗對比,其采光系數(shù)值不宜低于5%。
根據(jù)場所的空間特點和使用要求,參照表3確定合理照明功率密度值、照明方式及設(shè)備:
表3 客站主要功能空間的照明設(shè)計建議
通過實測調(diào)研,我們掌握了客站的采光現(xiàn)狀,并參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),提出了合理的采光需求和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。但是,現(xiàn)場調(diào)研的結(jié)果不能定量反映采光對于照明能耗和建筑總體能耗的影響;同時,在不改變窗戶面積的情況下,是否可以實現(xiàn)更好的采光效果,也難以通過實測驗證。為此,課題組通過計算機模擬的技術(shù)手段,定量分析采光對于建筑總體能耗的影響,并通過不同開窗設(shè)計方案的分析比較,提出采光優(yōu)化設(shè)計的建議。
優(yōu)化設(shè)計可以分為兩個階段,第一階段即基于建筑總體能耗的優(yōu)化設(shè)計階段,通過改變圍護結(jié)構(gòu)方案,如窗墻比、光熱參數(shù)、遮陽設(shè)置等等,給出不同方案下采暖、空調(diào)和照明能耗的分布情況,并根據(jù)建筑總體能耗變化的趨勢確定合理的窗墻比、光熱參數(shù)等;第二階段即窗的優(yōu)化設(shè)計階段,根據(jù)能耗優(yōu)化設(shè)計情況,在確定窗墻比等因素的條件下,通過改變窗的形式以及分布等因素,優(yōu)化光環(huán)境。
第一階段我們利用DeST軟件對建筑總體能耗進行模擬,并進行節(jié)能優(yōu)化;第二階段在第一階段的基礎(chǔ)上,利用Radiance軟件對不同采光設(shè)計方案的室內(nèi)光分布情況進行模擬分析和優(yōu)化,使得室內(nèi)采光滿足要求且均勻。
由于不同規(guī)模的客站在進深和層高等方面存在較大差異,其采光策略和設(shè)計要點具有明顯的區(qū)別,需要分別加以分析。為此,以下挑選了一個大型客站和中型客站,對其采光進行優(yōu)化設(shè)計,圖11、圖12分別是兩個客站的計算機模型。
圖11 大型客站DeST分析模型
圖12 中型客站DeST分析模型
其中,大型客站候車室的平面尺寸為180m×180m,層高為21m,中型客站候車室的平面尺寸為100m×31.2m,首層層高6m,二層層高10m。為便于分析,對模型進行了必要的簡化。
在建筑設(shè)計中,圍護結(jié)構(gòu)的遮陽系數(shù)及窗墻比、天窗比都會對建筑的照明和空調(diào)采暖能耗產(chǎn)生影響,以下我們分別對圍護結(jié)構(gòu)的遮陽系數(shù)、建筑的窗墻比和天窗比進行模擬分析和優(yōu)化設(shè)計。
結(jié)合我國幾個典型氣候區(qū)的特點,并參考現(xiàn)有節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)不同的氣候區(qū)給出常用的幾組外窗、透明屋頂遮陽系數(shù)的參數(shù) (0.4~0.8)和幾組窗墻比 (0.2~0.7)、天窗比 (0~0.5),通過模擬計算分析在不同的遮陽系數(shù)和窗墻比 (天窗比)的條件下,客站的冷熱負(fù)荷、室內(nèi)照度的情況,進而得到相對應(yīng)的空調(diào)電耗及照明電耗,從整體趨勢的變化總結(jié)出遮陽系數(shù)和窗墻比 (天窗比)的最優(yōu)化設(shè)計建議。
以下給出了在溫和地區(qū)的一個大型客站的模擬實例,說明如何通過分析對比,確定合理的遮陽系數(shù)和窗墻比。
從圖13可以看到,位于溫和地區(qū)的大型客站,由于以冷負(fù)荷為主,隨著遮陽系數(shù)的增大,耗熱量變化不明顯,耗冷量增大顯著,采暖空調(diào)能耗增加,且空調(diào)采暖能耗的增加大于照明能耗的減少,因此溫和地區(qū)大型客站全年總耗電量隨著遮陽傳熱系數(shù)的增大而增大,總耗電量在第一、二組遮陽系數(shù)工況下的變化不明顯,考慮到采光的需求,推薦取第2組參數(shù)。
圖13 溫和地區(qū)大型客站能耗變化趨勢(不同的遮陽系數(shù)工況)
從圖14可以看到,位于溫和地區(qū)的大型客站,隨著天窗比的增大,空調(diào)能耗大幅增加,而照明能耗變化不大 (有側(cè)面采光),因此溫和地區(qū)大型客站全年總耗電量隨著天窗面積的增大而增大,故推薦取天窗比為0.1(當(dāng)采用遮陽系數(shù)即SC值為0.5的普通透光材料時)。
圖14 溫和地區(qū)大型客站能耗變化趨勢(不同的天窗比工況)
通過對建筑總體能耗的模擬分析,我們可以得到不同氣候區(qū)大中型客站的圍護結(jié)構(gòu)遮陽系數(shù)和窗墻比的推薦值,如表4所示。
表4 透明圍護結(jié)構(gòu)的推薦設(shè)計參數(shù)
在能耗優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上,我們得到了客站圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和窗墻比的優(yōu)化設(shè)計值。為了驗證在上述窗墻比 (天窗比)及窗性能參數(shù)下,客站的采光是否能夠滿足要求,我們利用Radiance軟件對客站的采光進行了校核計算,并通過采光優(yōu)化設(shè)計,改善室內(nèi)的采光效果。這里以客站的主要功能空間候車室為例,并根據(jù)不同規(guī)??驼镜奶攸c,分別建立了大型和中型客站候車室的模型,進行計算機模擬分析。
3.4.1 中型客站采光優(yōu)化設(shè)計
我們在Radiance中建立了中型客站的模型,通過改變窗的形式 (側(cè)窗和高側(cè)窗)和布置 (集中式開窗和分散式開窗),通過對比分析,確定優(yōu)化設(shè)計方案,并給出相應(yīng)的建議 (圖15)。
這里我們給出了三種對比方案,這3種方案的開窗總面積相同,窗墻比約為0.3。方案1的外窗采用了集中式布置;方案2采用分散布置;方案3的首層側(cè)窗為分散式布置,二層的部分高側(cè)窗為集中式布置。材料的參數(shù)設(shè)定如表5所示。
圖15 中型客站采光優(yōu)化分析模型
表5 材料光學(xué)性能參數(shù)
經(jīng)過計算,各方案首層和二層的采光計算結(jié)果如表6所示。
表6 中型客站不同方案的采光計算結(jié)果
可以看到,三種方案的采光水平均能滿足采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求 (≥2%),但各方案的最大值和最小值存在一定的差異,這表明不同方案的采光均勻度是不同的,為了解其差別,以下給出了這幾種方案下的首層和二層采光分布情況。
從圖16來看,方案2、3的采光均勻性均優(yōu)于方案1,這表明對于首層 (層高6m)而言,分散式的布置方式對于提高室內(nèi)采光的均勻性是有利的。從圖17來看,方案1和方案3的采光均勻性要優(yōu)于方案2,這表明對于二層 (層高10m)而言,當(dāng)窗高增加時,采用偏集中式的布置方案對于改善采光有利。三個方案中,方案3的采光效果最佳,其低層窗采用了分散式布置,而高側(cè)窗采用了集中式布置。同時也說明,對于進深不大的客站,采用側(cè)面采光即可滿足要求,本實例中進深是窗高的5倍左右 (本案例為雙側(cè)采光)。
圖16 中型客站不同方案的首層采光分布
圖17 中型客站不同方案的二層采光分布
3.4.2 大型客站采光優(yōu)化設(shè)計
根據(jù)同樣的方法可對大型客站的采光進行優(yōu)化,為此我們在Radiance中建立了大型客站的模型,通過改變窗的形式 (側(cè)窗和天窗)以及布置方式 (集中式和分散式),通過對比分析,確定優(yōu)化設(shè)計方案,并給出相應(yīng)的建議。所有模型中的窗墻比為0.3,天窗與地面面積比為0.1,天窗的透射比為50%,其他計算參數(shù)與小型客站的相同,此處不再贅述。
首先,我們對只有側(cè)面采光和頂部采光的情況進行了分析,模型如圖18所示。
圖18 只采用側(cè)窗或天窗的大型客站采光分析模型
這幾種方案下的采光分布如圖19所示。
圖19 只采用側(cè)窗或天窗的采光分布
可以看到,當(dāng)只有側(cè)窗采光時,室內(nèi)采光分布很不均勻,且存在大量采光較差的區(qū)域 (采光系數(shù)低于1%或0.5%)。同樣當(dāng)只有天窗采光時,室內(nèi)采光分布很不均勻,尤其是天窗集中布置時。而且由于客站中的乘客需要與室外有視線的交流,完全不用側(cè)窗的采光設(shè)計也難以令人接受。
為此,我們對同時采用天窗和側(cè)窗的幾種方案進行了對比 (圖20)。
其中,方案5采用了集中的天窗和集中的側(cè)窗布置;方案6采用了集中的天窗和分散的側(cè)窗布置;方案7采用了分散的天窗和集中的側(cè)窗布置;方案8采用了分散的天窗和分散的側(cè)窗布置。這幾種方案的采光計算結(jié)果如表7所示:
圖20 同時采用天窗和側(cè)窗的大型客站采光分析模型
表7 大型客站不同方案的采光計算結(jié)果
這幾種方案的采光水平均能滿足采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求,但均勻性有差異,這四種方案的采光分布如圖21所示。
可以看到,當(dāng)天窗面積比為0.1時,即可滿足采光要求,從室內(nèi)光環(huán)境和熱環(huán)境的要求來看,不宜采用過大面積的天窗;采用分散布置方案,室內(nèi)采光的均勻性得到了明顯的改善,尤其是天窗采用分散布置后的效果更好。值得說明的是,方案8仍然存在優(yōu)化的空間,通過進一步分散天窗,還可改善室內(nèi)采光的均勻性。
通過上述模擬分析,可以得到以下結(jié)論:
(1)從減低建筑總體能耗的角度,不宜采用過大面積的透光圍護結(jié)構(gòu),綜合考慮節(jié)能以及室內(nèi)光環(huán)境等因素,客站的窗墻比取0.3,天窗與地面面積比取0.1(當(dāng)采用SC值為0.5的普通透光材料時)是較為適宜的參數(shù)值,當(dāng)取值增加時應(yīng)采取相應(yīng)的節(jié)能措施。
(2)客站透明圍護結(jié)構(gòu)的SC值應(yīng)根據(jù)氣候區(qū)和客站特點進行選擇。寒冷地區(qū)建議取為0.6~0.8,夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)建議取為0.5~0.6,溫和地區(qū)建議取為0.5~0.8。
圖21 同時采用天窗和側(cè)窗的采光分布
(3)在上述窗墻比 (天窗比)和窗性能參數(shù)的條件下,通過采光優(yōu)化設(shè)計,能夠滿足采光的要求。
(4)對于中型客站,應(yīng)優(yōu)先采用側(cè)面采光的方式,同時增加窗戶的高度有利于增加房間內(nèi)進深較大區(qū)域的采光水平;當(dāng)采用單側(cè)采光時,房間的進深宜控制在窗高的2.5倍左右,當(dāng)采用雙側(cè)采光時,房間的進深可增加到窗高的5倍左右;當(dāng)客站層高較高時,采用側(cè)窗與高側(cè)窗結(jié)合的設(shè)計可改善室內(nèi)的采光效果。
(5)對于進深較大的大型客站,僅依靠側(cè)面采光難以獲得滿意的采光效果,采用天窗的效果較好,但透光圍護結(jié)構(gòu)面積應(yīng)予以控制,不宜過大,同時采用分散布窗的方式可以改善室內(nèi)的采光均勻度。
客站的采光對其室內(nèi)環(huán)境和能耗均有著重要的影響,因而采光的設(shè)計需要綜合考慮光環(huán)境效果和節(jié)能的因素。為定量分析采光對建筑能耗的影響情況,并提供相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方法,課題組采用了現(xiàn)場調(diào)研和模擬分析相結(jié)合的研究方法。
通過對全國不同氣候區(qū)的16個客站進行現(xiàn)場調(diào)研和測試,課題組掌握了既有客站的采光照明現(xiàn)狀,得出以下結(jié)論:
(1)客站采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)有待統(tǒng)一。開窗面積偏小,不能充分利用天然采光,會導(dǎo)致照明能耗偏高;開窗面積過大導(dǎo)致過多的太陽輻射進入室內(nèi),會造成室內(nèi)過熱和空調(diào)能耗增加。
(2)客站的照明功率密度值應(yīng)根據(jù)空間特點和使用功能要求確定合理的照明功率密度設(shè)計值、照明方式及照明設(shè)備。建議6m以下的客站空間照明功率密度值建議取為9~12W/m2,6~12m的空間取為12~15W/m2,12m以上的空間取為15~18W/m2。
(3)建議候車室和進站大廳的采光系數(shù)不宜低于2%,售票廳的采光系數(shù)不宜低于1%,站臺的采光系數(shù)值不宜低于5%。
(4)客站透明圍護結(jié)構(gòu)的SC值應(yīng)根據(jù)氣候區(qū)和客站特點進行選擇。寒冷地區(qū)建議取為0.6~0.8,夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)建議取為0.5~0.6,溫和地區(qū)建議取為0.5~0.8。
(5)從室內(nèi)環(huán)境和節(jié)能的要求出發(fā),客站透明圍護結(jié)構(gòu)的面積不宜過大。當(dāng)屋頂透光材料SC值為0.25、K值 (傳熱系數(shù))為1.65時,天窗比宜不大于0.2。當(dāng)采用SC值為0.5的普通透光材料時,天窗比宜不大于0.1。當(dāng)天窗比大于0.2時,建筑能耗將顯著增加,應(yīng)采取降低透光材料的SC值、更改遮陽方式或天窗形式等優(yōu)化措施,并進行全年熱性能權(quán)衡判斷以實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo);
(6)中型客站宜優(yōu)先采用側(cè)面采光的方式,并應(yīng)盡量增加窗戶的高度以改善房間內(nèi)進深較大區(qū)域的采光。當(dāng)客站層高較高時,采用分散的側(cè)窗與集中的高側(cè)窗布置可改善室內(nèi)的采光效果。
(7)進深較大的大型客站宜采用頂部采光與側(cè)面采光相結(jié)合的設(shè)計,但透光圍護結(jié)構(gòu)面積不宜過大,采用分散布窗的方式可以改善室內(nèi)采光的均勻性。
通過現(xiàn)場調(diào)研和模擬分析,課題組掌握了現(xiàn)有客站的采光狀況,分析確定了合理的采光需求,并從室內(nèi)環(huán)境和節(jié)能要求出發(fā),給出了若干建議及優(yōu)化設(shè)計的要點,對于客站采光設(shè)計具有重要的參考價值。
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