鄭州東站天窗系統(tǒng)的采光和節(jié)能設(shè)計(jì)方案

趙俊波

(北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司)

綠色和可持續(xù)建筑的本質(zhì)在于平衡與協(xié)調(diào)內(nèi)外環(huán)境，及用戶之間不同的要求，而達(dá)成建筑與環(huán)境的自然融合。設(shè)計(jì)出與自然環(huán)境相和諧的建筑方案并不容易，合理解決天然采光，與熱量平衡已經(jīng)成為建筑設(shè)計(jì)中的一個(gè)亟待解決的問題。我國(guó)住宅在民用建筑面積中比重最高，且建設(shè)量大，因此建筑節(jié)能工作一直圍繞住宅展開，卻鮮有公共建筑節(jié)能的專題研究 (包括窗地比，各建筑的朝向，間距，材料等)。普通公共建筑的供熱能耗與住宅基本相同，電耗指標(biāo)卻是普通居民住宅的2～3倍，這主要用于白天照明和制冷方面。鄭州東站項(xiàng)目是通過天窗采光降低照明能耗和熱能耗的一個(gè)探索與嘗試。

1 建筑及照明情況介紹

鄭州東站位于城市東部的鄭東新區(qū)，是國(guó)家高速鐵路網(wǎng)中的重要樞紐，車站總建筑面積41萬平米，其中站房建筑面積約15萬平米，站臺(tái)雨蓬面積8萬平米。候車廳位于高架層，中央為旅客候車區(qū)，候車區(qū)面積達(dá)27000平米 (見圖1)。

圖1 鄭州東站候車大廳實(shí)景

為了獲得良好的采光效果，降低日間人工照明能耗，建筑師設(shè)計(jì)了超大面積的頂向采光天窗，面積達(dá)到8800m2，占天花面積的1/3。頂向采光天窗雖然解決了白天的采光問題，但也會(huì)帶來大量的直射太陽光進(jìn)入，造成地面照度分布不均，并且增大空調(diào)負(fù)荷的附加影響。選擇恰當(dāng)天窗的透光性能將實(shí)現(xiàn)良好舒適的光環(huán)境并降低直射光輻射帶來的熱量。

目前，國(guó)內(nèi)外常用的天窗透光材料見表1:

表1 常見天窗透光材料運(yùn)用

綜合材料的運(yùn)用廣泛度和造價(jià)等因素，鄭州東站屋頂透光材料初步確定為L(zhǎng)ow-E中空玻璃。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行鄭州東站天窗采光設(shè)計(jì)分析，步驟包括:

(1)確定適宜的大廳天然采光設(shè)計(jì)目標(biāo);

(2)確定最接近設(shè)計(jì)目標(biāo)的天窗玻璃性能及構(gòu)造方式;

(3)分析天窗光學(xué)性能與節(jié)能關(guān)系，并討論2種天窗形式的能耗情況。

2 規(guī)范值的設(shè)定

《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中沒有對(duì)車站候車廳提供天然采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，因此，大廳的采光設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足:在不利狀況下，天然采光提供的照度不低于人工照明提供的照度。

根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，候車廳地面最小照度值為150 lx。同時(shí)，鐵道部規(guī)定，候車廳室內(nèi)地面最小照度值為200 lx。

《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，鄭州處于Ⅲ類光氣候區(qū)，室外天然光臨界照度值為5000 lx。因此大廳采光設(shè)計(jì)應(yīng)滿足全陰天室外臨界照度為5000 lx情況下，室內(nèi)工作面最小照度值150 lx，條件許可的情況下應(yīng)達(dá)到200 lx。根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)條文，頂部采光時(shí)室內(nèi)采光均勻度不宜小于0.7。

綜上，鄭州東站天窗透光率總體控制目標(biāo)為:

(1)天窗最小透光率應(yīng)滿足:在室外最不利情況下 (全陰天)大廳平均照度不小于200 lux;

(2)天窗最大透光率應(yīng)滿足:在室外最不利情況下 (夏至日正午)大廳平均照度不大于3000 lux。

3 天窗形式的設(shè)計(jì)

Low-E玻璃是公共建筑天窗中常用的透光材料。但對(duì)于本項(xiàng)目中的超大面積屋頂天窗，需要對(duì)天窗的采光和熱工性能進(jìn)行模擬分析，來指導(dǎo)天窗的材料選擇和遮陽設(shè)計(jì)。以下將對(duì)使用low-E中空磨砂玻璃天窗和low-E中空安全玻璃天窗+可變角度穿孔板外遮陽系統(tǒng)，從采光和節(jié)能的綜合性能，分析研討解決方案。

鄭州地處寒冷地區(qū)，本項(xiàng)目體型系數(shù)低于0.3，根據(jù)《河南省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施細(xì)則》(DBJ 41/075－2006)的要求，天窗傳熱系數(shù)不高于2.7W/(m2K)，遮陽系數(shù)不高于0.50;外窗及透明幕墻傳熱系數(shù)不高于2.3 W/(m2K)，遮陽系數(shù)不高于0.60(以下所有分析計(jì)算外窗及透明幕墻采用low-E中空玻璃，透光率0.7)。天窗材料應(yīng)滿足室內(nèi)全陰天情況下鐵道部推薦的200lx的照度值。

3.1 方案一:low-E中空磨砂玻璃天窗

常規(guī)的low-E中空玻璃，采用斷熱型鋁合金框架，其傳熱系數(shù)能做到低于2.3W/(m2K)。滿足遮陽系數(shù)小于0.50，可選擇的low-E中空玻璃其可見光透過率一般在0.50～0.62之間。磨砂玻璃天窗構(gòu)造方案為:low-E夾膠安全中空磨砂玻璃 (6low-E+12A+6+PVB+6磨砂)，玻璃天窗系統(tǒng)遮陽系數(shù)低于0.5，可見光透過率0.336，全散射型。方案一的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)低，缺點(diǎn)為透光率固定，無法根據(jù)太陽光調(diào)整進(jìn)光量。

3.2 方案二:low-E中空安全玻璃天窗+可變角度穿孔板外遮陽系統(tǒng)

在常規(guī)的low-E中空安全玻璃天窗之上，設(shè)置特殊構(gòu)造的外遮陽板。遮陽板由電腦系統(tǒng)控制，可根據(jù)不同太陽高度角，調(diào)整遮陽板的開閉狀態(tài)。此方案的設(shè)計(jì)核心目的，是阻止大量的太陽直射光進(jìn)入室內(nèi)形成眩光;通過遮陽板的開啟角度控制天窗的進(jìn)光量，平衡早晚與中午以及不同天氣條件下室內(nèi)照度和均勻度。

遮陽板的形式如圖2所示，由兩片穿孔鋁板組成，遮陽板可以繞軸旋轉(zhuǎn)。

遮陽板軸向南北布置，上午太陽從東邊射入，軸東側(cè)的遮陽板水平橫臥，軸西側(cè)的遮陽板直立，西側(cè)遮陽板法向與太陽光線入射角度一致 (即遮陽板追蹤太陽)。在正午時(shí)候室外陽光太強(qiáng)烈，則所有遮陽板水平橫臥，擋住大部分太陽光線。下午時(shí)太陽從西邊射入，遮陽板變化正好跟上午時(shí)相反。

圖2 可變角度穿孔板外遮陽構(gòu)造示意圖

方案二的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)太陽高度角度，來調(diào)節(jié)進(jìn)光量，缺點(diǎn)是對(duì)遮陽板的機(jī)械控制精度要求高，工程造價(jià)高。

以下是對(duì)兩種天窗方案進(jìn)行計(jì)算分析。相關(guān)光學(xué)、熱工參數(shù)如表2所示。

表2 兩種天窗方案參數(shù)列表

4 兩種照明系統(tǒng)的選擇

4.1 單獨(dú)使用low-E夾膠安全中空磨砂玻璃(6low-E+12A+6+PVB+6磨砂)時(shí)

首先對(duì)單獨(dú)使用low-E夾膠安全中空磨砂玻璃時(shí)的室內(nèi)采光情況進(jìn)行模擬分析:

全陰天時(shí)的照度情況分布見圖3:

圖3 全陰天時(shí)的照度情況分布

夏至日正午的照度情況分布見圖4:

圖4 夏至日正午的照度情況分布

根據(jù)全陰天條件下的計(jì)算結(jié)果可以看出，大廳室內(nèi)平均照度高于200lx，天窗投影區(qū)域照度最高，照度值為400lx。天窗投影區(qū)以外區(qū)域，地面照度迅速降低，進(jìn)站口附近照度為120lx。由計(jì)算可知，在天窗透光率0.336的條件下，大廳平均照度基本滿足200lx，均勻度為0.3，均勻度偏低。

在晴天條件下，夏至日正午的計(jì)算結(jié)果可以看出，大廳室內(nèi)平均照度為8000lx，天窗投影區(qū)域照度最高，照度值為10000lx。顯然在目前的透光率下，大廳不能滿足要求。根據(jù)線性關(guān)系推算出:要滿足室內(nèi)最大照度為3000lx的要求，天窗透光率應(yīng)該為0.13。

根據(jù)以上模擬計(jì)算得出，使用low-E夾膠安全中空磨砂玻璃 (6low-E+12A+6+PVB+6磨砂)，不能滿足照度和均勻度要求。同時(shí)根據(jù)推導(dǎo)得出:(1)在全陰天下，天窗最小透光率應(yīng)大于0.336;(2)在夏至日正午，天窗最小透光率應(yīng)為0.13左右。

4.2 使用Low-E玻璃加可變角度穿孔板外遮陽系統(tǒng)

下面將詳細(xì)對(duì)比使用Low-E玻璃加可變角度穿孔板外遮陽系統(tǒng)，在冬至日和夏至日早中晚室內(nèi)照度、亮度分析 (視野方向是大廳正中，由西向東)

從以上結(jié)果得出，在冬季，大廳地面照度全天都基本都在200～3000lx以內(nèi)，照度分布較均勻。室內(nèi)亮度除幕墻口、天窗口外，分布均勻，視覺舒適。鄭州冬季中午太陽高度角低 (31.5度)，陽光很容易通過南側(cè)幕墻進(jìn)入室內(nèi)，造成大廳南側(cè)，尤其是天花區(qū)域亮度高于其它區(qū)域，但室內(nèi)地面無明顯亮斑。

在夏季，室內(nèi)除透過遮陽板小孔的陽光外，其它區(qū)域照度分布比較均勻，室內(nèi)照度基本在3000lx以下。除商業(yè)夾層以下的部分區(qū)域，需要補(bǔ)充人工照明，總體來看室內(nèi)照度分布基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。亮度分布除天窗口、以及透過遮陽板形成的小面積局部亮斑外，其它表面亮度在全天變化分布均勻。

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5 能耗分析

通過全年能耗模擬計(jì)算得到陽光板天窗和玻璃天窗大廳冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、照明負(fù)荷各月統(tǒng)計(jì)表(表3)。從表3可以看出:

采用天窗方案二的用電總能耗更低，比方案一低約23%。這主要是得益于采用天窗外遮陽能根據(jù)日照情況進(jìn)行進(jìn)光量的調(diào)節(jié)，大大降低了夏季尤其是正午前后太陽輻射的熱量，空調(diào)冷負(fù)荷降低了14%。冬季遮陽板打開角度與太陽光平行，盡可能多的保持進(jìn)光量，冬季熱負(fù)荷降低了6%。因?yàn)榭勺兘嵌日陉柊宓恼{(diào)節(jié)，大廳照明負(fù)荷也降低了3%。

從以上的能耗模擬計(jì)算看，天窗采用外遮陽系統(tǒng)可以有效降低空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，降低照明負(fù)荷，天窗的意義將不只是改善室內(nèi)光環(huán)境，對(duì)本項(xiàng)目的節(jié)能亦是有貢獻(xiàn)。

6 投資分析

通過經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析兩種天窗方案 (表4):

表3 候車大廳兩種天窗方案的冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、照明負(fù)荷各月統(tǒng)計(jì)對(duì)比表

表4 兩種天窗方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析

7 小結(jié)

本項(xiàng)目大廳天窗面積、位置已經(jīng)確定，天窗集中分布于屋面中間區(qū)域，采光設(shè)計(jì)的重點(diǎn)即控制一天里室內(nèi)照度的均勻性，盡可能提高室內(nèi)天然光視覺舒適性。

本項(xiàng)目固定透光率式天窗系統(tǒng)不能滿足本項(xiàng)目寬幅的采光變化需要，適宜的天窗系統(tǒng)其透光率調(diào)節(jié)范圍應(yīng)能滿足既大于0.336，又小于0.13的變化。本項(xiàng)目采用方案二:low-E中空安全玻璃天窗+可變角度穿孔板外遮陽系統(tǒng)

構(gòu)造:low-E中空安全玻璃天窗 (6low-E+12A+6+PVB+6)，遮陽系數(shù)0.5，可見光透過率0.5，穿孔板穿孔率0.3，整個(gè)天窗系統(tǒng)的可見光透過率可以在0.15～0.5之間變化，遮陽系數(shù)也可以在0.15～0.5之間變化。

遮陽板穿孔率為0.3，控制方式為定時(shí)控制，節(jié)約了工程造價(jià)，具體方式根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定為:

(1)在夏季，上午10點(diǎn)以前東側(cè)遮陽板橫臥，西側(cè)遮陽板直立，10～15時(shí)全部橫臥，14時(shí)以后與10時(shí)前相反;亦可采用較精確的方式:遮陽板軸向南北布置，上午太陽從東邊射入，軸東側(cè)的遮陽板水平橫臥，軸西側(cè)的遮陽板傾斜，西側(cè)遮陽板法向與太陽光線入射角度一致 (即遮陽板追蹤太陽)，在正午時(shí)候室外陽光太強(qiáng)烈則所有遮陽板水平橫臥，擋住大部分太陽光線。下午太陽從西邊射入，遮陽板變化正好跟上午時(shí)相反。

(2)在冬季，上午10點(diǎn)以前西側(cè)遮陽板橫臥，東側(cè)遮陽板直立，10～15時(shí)全部直立，14時(shí)以后與10時(shí)前相反;亦可采用較精確的方式:遮陽板軸向南北布置，上午太陽從東邊射入，軸東側(cè)的遮陽板傾斜，軸西側(cè)的遮陽板水平橫臥，東側(cè)遮陽板法向與太陽光線入射角度平行 (遮陽板追蹤太陽)，在正午時(shí)候室外所有遮陽板水平直立，保證進(jìn)光量。下午太陽從西邊射入，遮陽板變化正好跟上午時(shí)相反。

本項(xiàng)目天窗方案不僅能較傳統(tǒng)方案大大提升室內(nèi)光環(huán)境，而且可以降低大廳照明負(fù)荷3%，降低大廳總體能耗23%，具有現(xiàn)實(shí)的節(jié)能意義。