大型高鐵站房天窗采光優(yōu)化設(shè)計研究
——以天津站為例

李 偉，張琪瑤，那艷玲

（1.天津城建大學(xué)，天津 300384；2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142）

隨著我國經(jīng)濟的快速增長、鐵路綜合交通運輸體系網(wǎng)的不斷完善，大型交通樞紐數(shù)量隨之不斷增多[1].建筑自然采光作為高鐵候車室空間的重要設(shè)計，其在建筑節(jié)能與視覺舒適方面的作用顯得尤為重要[2].經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，目前大型鐵路樞紐建筑采光多采用頂部開窗形式.大面積頂部開窗雖然可以有效增加建筑橫向進(jìn)深自然采光的照度，但同時也帶來夏季太陽輻射過量及冬季室內(nèi)熱量散失大等問題[3-4].

筆者以天津站候車室采光天窗為主要研究對象，在實地調(diào)研過程中，利用專業(yè)設(shè)備對候車室內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，獲得建筑模型數(shù)據(jù)，并通過IES建筑采光計算模擬軟件進(jìn)行定量化分析，探討天窗采光設(shè)計在建筑節(jié)能方面的優(yōu)化潛力，以期為今后的高鐵站在采光設(shè)計方面提供理論參考.

1 天津站實地調(diào)研

天津站作為天津市內(nèi)最重要的交通集散地，是集普通鐵路和京津城際等高速鐵路為一體的大型交通樞紐[5].在天津站的設(shè)計過程中，充分考慮了天然光的運用，建筑在二層候車廳屋面采用大面積的天窗，建筑東西兩側(cè)立面采用側(cè)高窗的形式，并結(jié)合北立面大面積玻璃幕墻為室內(nèi)提供充足的采光，在形成舒適視覺環(huán)境的同時有效降低了建筑的照明能耗.

本次針對天津站候車室進(jìn)行實地調(diào)研分問卷調(diào)查和現(xiàn)場測試兩部分內(nèi)容，通過與站房工作人員溝通，了解客站的空間設(shè)計和運行情況，并對現(xiàn)場候車人員進(jìn)行問卷調(diào)查，依據(jù)現(xiàn)場測試獲取站房候車室空間尺寸以及室內(nèi)天然光照度等數(shù)據(jù).

1.1 天窗采光形式

圖1為天津站高架層候車室橢圓形采光天窗.經(jīng)測距儀現(xiàn)場測量，天窗橫向最寬處約21 m，縱向長約180 m，距地高度達(dá)20 m，候車空間屋面窗墻面積比為1/5.6，滿足GB50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[6]規(guī)范要求.天窗下部設(shè)置有高約1.2 m的遮陽板，可將太陽直射光經(jīng)過遮陽板表面漫射至室內(nèi)空間，防止太陽直射室內(nèi)，造成眩光影響.

圖1 天津站候車室天窗采光形式

1.2 室內(nèi)采光實測結(jié)果

考慮到季節(jié)氣候變化對于室內(nèi)采光的影響，限于篇幅，本次調(diào)研選擇氣候變化相對穩(wěn)定的過渡季節(jié)進(jìn)行連續(xù)測試，并選取具有代表性的春分前后某一天的調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行采光問題研究.

測試時間為 2017-03-25T9：00—18：00.根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)顯示，當(dāng)日正午室外最高氣溫16.2℃、最低氣溫3℃、相對濕度80%，實測正午陽光直射地面照度52 775 lx.測試設(shè)備有Leica DISTO測距儀、TR-74Ui Illuminance UV Recorder、FLIR T250紅外熱像儀.測試內(nèi)容包括室內(nèi)溫濕度、照度、天窗圍護結(jié)構(gòu)熱像數(shù)據(jù)等.

由于天津站高架層候車室天窗開窗部位面積大，光照分布范圍廣，所以在站房平面上每隔5～8 m均勻設(shè)定一個測點（見圖2），測點距地0.75 m.各數(shù)據(jù)讀數(shù)間隔為1 h，各項數(shù)據(jù)均由測試人員現(xiàn)場測試并讀數(shù).

圖2 候車室平面測試點分布

圖3為9：00—18：00天津站高架候車室實測數(shù)據(jù)整理后的平面照度分布示意.由圖3可以看出：一天當(dāng)中，由于屋頂中央的橢圓形采光天窗的開窗面積大，高架層候車室中央部分的照度明顯高于建筑平面邊緣處；平面照度分布不均勻，且數(shù)值差距大.經(jīng)測試，候車室全天平均照度為724.8 lx.

圖3 天津站候車室9:00—18:00平面照度分布示意

候車室平面根據(jù)車站使用功能可劃分為兩部分：其一為東西兩側(cè)的旅客候車檢票口，經(jīng)測試平均照度為189.9 lx，低于GB50033—2013《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[7]所規(guī)定的候車廳采光標(biāo)準(zhǔn)值450 lx；其二為旅客候車區(qū)（即天窗正下方），平均照度值為1 152.5 lx，高于國家標(biāo)準(zhǔn)值450 lx近3倍；部分測點由于直接接受太陽光照射，照度可達(dá)3 672 lx，其過度的天然采光對室內(nèi)候車人員活動造成一定的眩光干擾.

1.3 天窗熱像實測結(jié)果

圖4為根據(jù)FLIR紅外熱像儀提取的天津站屋面天窗熱像數(shù)據(jù)所得圖.由圖4可知：天窗結(jié)構(gòu)在9：00—12：00 為表面溫度上升階段；12：00—15：00 表面溫度逐漸趨于平緩；15：00—19：00表面溫度下降，并保持在穩(wěn)定數(shù)值.天窗結(jié)構(gòu)FLIR紅外熱像圖如圖5所示.圖5a是正午時由于受太陽的直射光照射，天窗玻璃表面溫度在55℃左右；而在夜間（見圖5b）降低至20.6℃，熱量流失較為嚴(yán)重.由此可見，盡管天窗采用了雙層Low-E中空夾膠玻璃，但從建筑保溫角度來看，大面積集中開窗依舊是圍護結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié).

圖4 候車室天窗結(jié)構(gòu)熱像數(shù)據(jù)

圖5 天窗結(jié)構(gòu)紅外熱像圖

由于天窗面積過大，在冬季時屋面圍護結(jié)構(gòu)蓄熱能力弱，室內(nèi)溫度在一天內(nèi)有較大波動（見圖6），大部分的熱量流失加劇了室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的運行負(fù)荷，造成建筑能耗的損失.在夏季，由于天窗玻璃的透射率高，且所處位置很難設(shè)置可開啟形式，導(dǎo)致建筑屋頂外表面所接收的太陽輻射大部分傳入到室內(nèi)，并且高鐵站房候車室內(nèi)人流活動頻繁，人體熱輻射與太陽輻射同時作用，使得室內(nèi)溫度持續(xù)升高，不斷增大室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的運行負(fù)荷[8-9].

圖6 候車室內(nèi)全天溫度走勢

通過對天津站的調(diào)研和實測數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有站房候車室的天窗采光設(shè)計存在以下問題：①高架層候車室內(nèi)照度分布不均勻，天窗正下方地面照度過高，而東西側(cè)店鋪照度過低，天窗未合理有效布置；②天窗雖加設(shè)遮陽擋板，但仍有眩光現(xiàn)象，效果不理想；③由于窗戶的傳熱系數(shù)較大，且天窗采用大面積玻璃集中方式布置，冷熱空氣在天窗附近進(jìn)行頻繁交替，導(dǎo)致室內(nèi)熱量在夜間大量流失.

因此，針對調(diào)研所發(fā)現(xiàn)的問題，參照文獻(xiàn)[5，7]等規(guī)范要求，通過確定合理的天窗面積比、采光形式等，在采光滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，提出合理的候車室采光與能耗之間的平衡優(yōu)化方案.

2 天津站候車室采光優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)調(diào)研情況，初步掌握了天津站候車室內(nèi)目前的采光現(xiàn)狀.優(yōu)化方案擬利用IES對建筑進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化模擬比對分析，從采光系數(shù)、采光照度、采光均勻度三方面比較采光效果，確定優(yōu)化設(shè)計方案，提出天津站天窗采光優(yōu)化設(shè)計的建議.

2.1 優(yōu)化設(shè)計方法

優(yōu)化設(shè)計可以分為三個階段：①基于調(diào)研數(shù)據(jù)建立模型，針對現(xiàn)狀天窗情況進(jìn)行模擬，并作為基準(zhǔn)參照；②在確定窗墻比的情況下，通過改變天窗的形式（長寬比）及布置（集中式和分散式開窗）等因素，優(yōu)化室內(nèi)光環(huán)境；③選取較為合理的開窗形式，在采光效果不受影響的條件下，適當(dāng)減小開窗面積，并對其進(jìn)行能耗對比分析.

方案優(yōu)化采光方面利用IES中FlucsPro模塊定量分析建筑照度、光通量等技術(shù)參數(shù)；能耗方面利用Apache模塊對建筑系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)定，并進(jìn)行動態(tài)負(fù)荷模擬，從而得到直觀的能耗分析數(shù)據(jù)，以此來優(yōu)化比選方案.

2.2 建立模型

根據(jù)候車室實測數(shù)據(jù)在IES中建立客站模型，候車室內(nèi)各材質(zhì)參數(shù)見表1.在現(xiàn)有方案中，采光口設(shè)置形式較為集中，且采光總面積較大，天窗面積與屋面面積比為1/5.6，采光環(huán)境設(shè)置為天津地區(qū)東經(jīng)117.2°、北緯39.1°，設(shè)定測試時間與調(diào)研時間相一致.

表1 天津站候車室建筑圍護結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

根據(jù)國際照明委員會（CIE）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采光標(biāo)準(zhǔn)須以全陰天天空亮度分布作為采光計算的假象光源，故在軟件模擬時對現(xiàn)狀天窗形式進(jìn)行了模擬，使氣候參數(shù)等邊界條件保持一致，有利于各方案的分析和比較.

2.3 候車室空間采光現(xiàn)狀分析

圖7a為天窗未加遮陽板時候車室采光系數(shù)模擬云圖.由模擬數(shù)據(jù)可知（見表2），候車室平均照度為1 675.57 lx；圖7b為天窗下安裝遮陽板后（現(xiàn)狀）采光系數(shù)模擬云圖，平均照度為1 129.02 lx.由于此次模擬以中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中當(dāng)日氣候參數(shù)為邊界條件，且以理想狀態(tài)下的全陰天作為假象光源，故所得平均照度數(shù)值與實測照度724.8 lx存在差距，后續(xù)優(yōu)化模擬皆以現(xiàn)狀模擬數(shù)值作為基準(zhǔn)參考.

圖7 天津站現(xiàn)狀采光系數(shù)模擬云圖

表2 天津站候車室天窗采光計算結(jié)果

由表2對比可知：天窗加設(shè)遮陽板后平均照度雖有所降低，但最小照度同樣呈線性下降；在采光均勻度方面，兩組方案數(shù)值均不理想，與實測數(shù)據(jù)結(jié)果較為一致.

2.4 開窗形式優(yōu)化模擬

針對調(diào)研及現(xiàn)狀模擬所發(fā)現(xiàn)的問題，優(yōu)化方案中將天窗形式作為模擬的唯一變量，并將其設(shè)計為4種排列方案（見圖8）.方案1、方案2、方案3均在保證天窗采光口總面積不變的情況下，改變其開窗尺寸長寬比，比較三組方案的采光效果；方案4在保證采光效果良好的前提下，減小采光口總面積進(jìn)行能耗比較.

圖8 優(yōu)化方案中各種開窗方式平面

2.4.1 采光總面積不變

（1）方案1.將原有橢圓形大面積開窗方式拆分為8×39 m共10列等距橫向排列的矩形分散式布局形式，以補充橫向進(jìn)深采光.天窗采光計算結(jié)果見表3，采光系數(shù)模擬云圖見圖9.由表3可得，圖9方案1a、1b兩種方式僅橫向位置不同，但兩者的采光系數(shù)、照度及均勻度數(shù)值相近；方案1a照度平均值為1 890.98 lx，是候車室現(xiàn)狀模擬照度1 129.02 lx的1.6倍，且最小照度較現(xiàn)狀模擬照度最小值28.11 lx提高近4倍，采光系數(shù)及采光均勻度均有所提升.

圖9 天津站天窗方案采光系數(shù)模擬云圖

表3 方案1、方案2天窗采光計算結(jié)果

（2）方案2.將原有橢圓形大面積開窗方式拆分為等距縱向排列的矩形分散式布局形式，圖9方案2a、2b分別為155×5 m共4列、155×10 m共2列.由表3可見，方案2與方案1的各項數(shù)值相差不大，即縱橫向排列方式對采光系數(shù)、采光照度、采光均勻度影響相對較小，但兩組方案均較現(xiàn)狀模擬數(shù)值有所提升.

（3）方案3.將原有天窗開窗方式拆分為等距多段排列的矩形分散式布局形式，圖9方案3a、3b尺寸分別為15.5 m×20 m共10個、5.7 m×5.7 m共96個采光口.方案3、方案4天窗采光計算結(jié)果見表4.由表4可得：方案3a的排列方式與方案1、方案2所得數(shù)值相近；方案3b與現(xiàn)狀模擬數(shù)值相比較，在采光系數(shù)方面，最小采光系數(shù)由0.2%到2.1%提升近9.5倍；均勻度方面，由0.02到0.14提升了6倍；照度最小值由28.11 lx到252.76 lx提升了8倍.

表4 方案3、方案4天窗采光計算結(jié)果

由上述分析可知，在采光口面積不變的條件下，將原有的集中開窗形式改變?yōu)榉稚⑹讲贾眯问剑玫降氖覂?nèi)照度及采光系數(shù)均有大幅度提高，并且有效解決了室內(nèi)照度分布不均勻問題；但所得到的數(shù)值在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)照度≥450 lx、采光系數(shù)≥3%的基礎(chǔ)上依舊過高，故在保證基本采光需求的同時仍有可優(yōu)化空間.

2.4.2 減小采光總面積

方案4通過減小采光天窗的面積進(jìn)行優(yōu)化模擬.圖9方案4a為屋面采光口開窗面積由3 110 m2減小至2 070 m2（減小1/3面積）的采光系數(shù)模擬云圖.由表4可見，平均照度仍是標(biāo)準(zhǔn)值450 lx的3倍，故可進(jìn)一步縮小開窗面積進(jìn)行優(yōu)化.

圖9方案4b為屋面采光口開窗面積由3 110 m2減小至1 036 m2（減小2/3面積）的采光系數(shù)模擬云圖，其平均照度值與現(xiàn)狀模擬照度相近，但最小照度70.92 lx是現(xiàn)狀模擬最小照度28.11 lx的2.5倍左右，均勻度提高2.5倍.

由此可見，在保證與原有建筑平均照度值相一致的同時，采光口面積可由原來減小至1/3，且均勻度及兩側(cè)檢票口處所須照度均得到提升改善.

2.4.3 能耗優(yōu)化

在對建筑采光改造時，不能僅局限于對開窗面積及開窗位置進(jìn)行分析，更需要考慮不同開窗形式下所帶來了建筑能耗的變化.故在僅改變開窗方式、其他工況均不變的情況下，對上述采光方式進(jìn)行能耗模擬，便于優(yōu)化設(shè)計方案.

將表1中各圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置引入到IES的Apache模塊中，作為模擬邊界條件.在方案1-3中選取采光系數(shù)、采光照度、采光均勻度均良好的方案3b，與現(xiàn)狀模擬以及方案4a、4b進(jìn)行能耗比較，結(jié)果如圖10所示.

圖10 優(yōu)化方案與現(xiàn)狀模擬能耗對比

根據(jù)表4、圖10可得出圖11.由圖11可知，幾組方案在照度平均值均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)值450 lx的基礎(chǔ)上，方案4a、4b減小天窗面積較其他方案全年降低更多能耗；而在平均照度值相近的情況下，方案4b的天窗布置形式相比于天津站現(xiàn)狀模擬開窗形式，年總能耗節(jié)約了463.203 6 MW·h，相當(dāng)于節(jié)約了463 203度電，極大降低了能耗，是幾組方案中較為理想的采光設(shè)計方案.

圖11 天窗照度與能耗關(guān)系

通過以上模擬分析，可以得出：①天津站候車室天窗采光口在面積不變的情況下，采光口分散型布置相比于集中式布置具有更高的采光系數(shù)及平均照度值，室內(nèi)采光的均勻性也得到了明顯改善，但仍有可優(yōu)化空間；②綜合考慮節(jié)能及室內(nèi)光環(huán)境等因素，從降低建筑總體能耗的角度，天津站候車室天窗不宜采用過大面積的透光維護結(jié)構(gòu)；③采光口布置采用分散形式，不僅在建筑平面橫向進(jìn)深方向補充了自然采光，而且在保證與原有建筑平均照度值相近的同時，采光口面積可由原來減小67%，建筑能耗降低15%.

3 結(jié)語

通過對天津站高架層候車室進(jìn)行實地調(diào)研，并對其采光設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化分析，依據(jù)數(shù)值模擬分析及方案的調(diào)整，得到了較為合理的天津站采光優(yōu)化設(shè)計方案，其頂部天窗設(shè)計采用5 m×8.6 m共24個采光口分散型布置形式，照度在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的同時，采光面積可由3 110 m2減至1 036 m2，有效降低了圍護結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷和傳熱量.