夏熱冬冷地區(qū)高鐵站房被動式采光與節(jié)能設(shè)計研究

程佳陽，唐 萌

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

1 引言

建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在阻擋部分太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)的同時改善了室內(nèi)光環(huán)境，也改變了建筑的能量系統(tǒng)構(gòu)成。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和光學(xué)性能是兩項重要的參數(shù)。熱工性能關(guān)系到建筑的采暖制冷能耗，而光學(xué)性能關(guān)系到室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量、照明能耗與系統(tǒng)的輸出電量。建筑采暖制冷能耗，照明能耗和輸出電量耦合形成了新的建筑能量特性。本文采用數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)計算的方法對光熱性能耦合進(jìn)行研究。在建筑性能模擬與優(yōu)化過程中，選擇敏感程度高的設(shè)計參量作為建筑優(yōu)化參量可提升建筑性能，提高建筑使用舒適度。敏感性分析是對不確定參數(shù)確定一個基礎(chǔ)值，在其附近進(jìn)行敏感性分析，探究單參數(shù)的變化對整體帶來的影響。

2 研究思路及模型參數(shù)設(shè)置

2.1 天窗形式

針對候車大廳屋頂天窗的分布，設(shè)定了4種不同的工況，每種工況的天窗位置各不相同，總面積一致。進(jìn)行模擬計算，得出各工況下的候車大廳室內(nèi)光熱環(huán)境和能耗的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出較優(yōu)的工況作為對候車大廳的優(yōu)化設(shè)計。

工況1：天窗的區(qū)域有1個，集中式天窗面積為40 m×300 m；工況2：天窗的區(qū)域有4個，分散式天窗每個區(qū)域面積都為60 m ×50 m；工況3：天窗的區(qū)域有8個，分散式天窗每個區(qū)域面積都為50 m ×30 m；工況4: 天窗的區(qū)域有16個，分散式天窗每個區(qū)域面積都為50 m×15 m。

2.2 高寬比

由相關(guān)研究可知，我國夏熱冬冷地區(qū)部分大型鐵路客站候車大廳的高度在20～40 m 之間，寬度在 50～180 m 之間，高寬比在 0.2～0.4左右。本文基于高寬比0.2～0.4的適宜區(qū)間，選取0.15、0.20、0.25和0.30共4種高寬比變量進(jìn)行光熱環(huán)境和能耗對比研究。模型寬為150 m。

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

雙層玻璃組合幕墻，室外側(cè)幕墻為6+12A+6鋼化LOW-E中空玻璃，室內(nèi)側(cè)幕墻為6 mm單片鋼化玻璃，雙層構(gòu)造的組合玻璃幕墻之間有600 mm的空氣層，傳熱系數(shù)為0.60W/(m2·K)。屋頂天窗材料采用聚碳酸酯高強(qiáng)度板，透光率達(dá)到82%；密度1.2 g/cm3。

3 基于高寬比變化和天窗傳熱系數(shù)變化的全年能耗分析

敏感性分析各需要一組基礎(chǔ)值，因此本文結(jié)合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定參數(shù)，研究鐵路站房主要對5種不同的高寬比和4種不同的天窗傳熱系數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，以0.10～0.30和2.0～2.3兩個變化閾值建立20個模型，進(jìn)行建筑模擬分析，并將全年能耗進(jìn)行對比，見表1。

表4 能耗綜合統(tǒng)計 單位面積能耗W/(m2·K)

由表1可知，模擬能耗隨著天窗傳熱系數(shù)的增大和高寬比的增加呈遞增趨勢，由于高寬比的增大，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入室內(nèi)的導(dǎo)熱量增大，暖通空調(diào)的能耗隨之變大。為了分析大空間公共建筑的能耗特征，進(jìn)一步研究不同工況的天窗形式對冷熱能耗的影響，本文選擇高寬比為0.25的工況舉例進(jìn)行冷熱能耗對比分析。

在夏熱冬冷地區(qū)，大型鐵路站房夏季的供冷能耗量巨大，遠(yuǎn)超冬季的供熱能耗，如何減少供冷能耗是值得重點研究的問題。由表1看出在傳熱系數(shù)為2.1時能耗增加明顯，在傳熱系數(shù)為2.2及以后能耗趨于穩(wěn)定。因此，在綜合考慮規(guī)定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)參考值、實際節(jié)能效果的前提下，夏熱冬冷地區(qū)公共建筑外墻保溫材料可選擇石墨聚苯乙烯保溫板。

4 基于高寬比變化和天窗傳熱系數(shù)變化的敏感性分析

根據(jù)能耗計算結(jié)果，對建筑高寬比和天窗傳熱系數(shù)進(jìn)行了敏感性系數(shù)計算。采用了敏感性分析法，在簡化條件下, 對于夏熱冬冷地區(qū)大型公共建筑能耗分組的影響因素，以取值范圍為準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)歸一化，再進(jìn)行敏感性分析，得出相應(yīng)敏感度進(jìn)行比較研究。

其中，ei為基準(zhǔn)模型外墻傳熱系數(shù)歸一化數(shù)值，Δei為對比模型對比與基準(zhǔn)模型所產(chǎn)生的變化量數(shù)值，計算得出不同高寬比變化和傳熱系數(shù)變化對能耗影響的敏感度系數(shù)(表2、3)。

表2 高寬比模型敏感性分析計算

在常規(guī)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中，建筑高度對于建筑能耗的影響難以衡量。在鐵路站房建筑中，高寬比的變化又直接影響著建筑的整體能耗，因此在研究中，以普適性模型為基準(zhǔn)，分別建立高寬比0.10～0.30共5個的建筑模型進(jìn)行對比，分析建筑高寬比變化對建筑能耗敏感性影響。

由敏感性系數(shù)計算和權(quán)重計算可知，隨著建筑高寬比的變化，建筑單位面積能耗遞增。高寬比從0.20增加到0.25時，敏感性系數(shù)由0.605增長到0.825，敏感度系數(shù)的增加，說明高寬比的減小對單位面積年總能耗的影響變得更明顯，對于建筑整體的能耗影響更大。在綜合考慮實際節(jié)能效果的前提下，高寬比為0.25的模型在得到更大的空間時，其能耗增長較低。因此，在夏熱冬冷地區(qū)進(jìn)行大型鐵路站房設(shè)計時選擇高寬比為0.25是比較合適的。

表3 傳熱系數(shù)模型敏感性分析計算

從前面的能耗計算結(jié)果和敏感性分析中，將不同天窗傳熱系數(shù)的敏感度系數(shù)同建筑能耗變化對比來看，如表3所示，在K值為2.0W/(m2·k)基礎(chǔ)上，傳熱系數(shù)的降低對于建筑單位面積供熱能耗的減少十分明顯，對于建筑單位面積供冷能耗的影響不大。相對于基準(zhǔn)模型， K值為2.3W/(m2·k)情況下，單位面積的建筑供熱能耗增加了37.39%。因此，降低天窗的傳熱系數(shù)，提高其熱工性能對建筑節(jié)能有利。從不同天窗傳熱系數(shù)對于敏感度系數(shù)的影響分析來看，說明了傳熱系數(shù)的減少對于建筑的能耗影響大。

由敏感性系數(shù)計算和權(quán)重計算可知，建筑高寬比變化的權(quán)重系數(shù)在0.39～1.05之間，天窗傳熱系數(shù)變化的權(quán)重系數(shù)在0.258～0.269之間。相比傳熱系數(shù)，建筑高寬比對建筑能耗具有更強(qiáng)的敏感性。傳熱系數(shù)為2.3時能耗的敏感性系數(shù)最大，傳熱系數(shù)為2.3時權(quán)重系數(shù)增加較小，對整體能耗影響較小。隨著天窗傳熱系數(shù)的變化，建筑單位面積能耗遞增。在綜合考慮實際節(jié)能效果的前提下，天窗傳熱系數(shù)為2.3的模型對比天窗傳熱系數(shù)為2.2，單位時間傳遞進(jìn)入室內(nèi)的熱量更多，且其能耗增長較低，敏感性系數(shù)增長較低。因此，在夏熱冬冷地區(qū)進(jìn)行大型鐵路站房設(shè)計時選擇天窗傳熱系數(shù)為2.3是合適的。

5 候車廳主要參數(shù)正交實驗

以中央候車大廳為例，采用上文數(shù)據(jù)，構(gòu)建正交試驗表。影響空調(diào)負(fù)荷的主要影響因素為：建筑高寬比、天窗K值與SHGC值、天窗比4個因素；而對于進(jìn)站廳而言，影響的因素為：窗墻比、外窗K值與SHGC值、外墻K值，構(gòu)建正交實驗表。每個因素取3個水平，分別計算各對應(yīng)工況下的空調(diào)負(fù)荷。

利用9次正交試驗的數(shù)值，計算出各因素的回歸系數(shù)，將回歸系數(shù)放入到的正交試驗表，可得到擬合公式：

(1)

根據(jù)擬合公式，可以得出影響空調(diào)負(fù)荷的因素排序及影響程度，如表4所示，影響鐵路客運站候車廳空調(diào)負(fù)荷因素的重要性排序為：天窗K值>天窗的SHGC值>屋面K值。

表4 影響因素分析

6 結(jié)論

本文以能耗和采光為導(dǎo)向，分析了天窗形式和建筑高寬比2種參數(shù)的采光情況和能耗情況。對面積相同，聚散形式不同的4種天窗以及3種建筑高寬比工況下的采光分析和能耗分析。對建筑高寬比和4種天窗傳熱系數(shù)進(jìn)行了能耗計算，基于能耗計算結(jié)果進(jìn)行敏感性分析，對敏感性系數(shù)進(jìn)行計算，依據(jù)各參數(shù)對能耗的影響對其進(jìn)行排序。通過敏感度系數(shù)的計算對比，然后通過正交實驗進(jìn)行了驗證。結(jié)論如下。

(1)在工況1(集中式天窗)下，相比分散式天窗工況室內(nèi)采光系數(shù)高1%～2%，總體采光能力更強(qiáng)；4種工況在同一高寬比下能耗相差不大，分散式能耗較低，相比工況1，工況4分散式天窗可減少2%的能耗。

(2)權(quán)重計算結(jié)果顯示建筑高寬比變化的權(quán)重系數(shù)在0.39～1.05之間，天窗傳熱系數(shù)變化的權(quán)重系數(shù)在0.15～0.30之間。相比天窗傳熱系數(shù)，建筑高寬比對建筑能耗具有更強(qiáng)的敏感性。

(3)3種傳熱系數(shù)下，總能耗值基本相同，由于夏季傳熱系數(shù)大時空調(diào)能耗小，而冬季采暖能耗又隨傳熱系數(shù)的增大而增大，夏季和冬季能耗的增減量相互抵消，全年總能耗傳熱系數(shù)對總能耗的影響很小。在夏熱冬冷地區(qū)大空間進(jìn)行天窗設(shè)計時，宜采取2.3的傳熱系數(shù)。

(4)通過正交實驗對候車廳各參數(shù)進(jìn)行了影響程度排序，結(jié)論為：候車廳高寬比>天窗K值>天窗的SHGC值>屋面K值。