趙俊波

(北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司)

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，而達成建筑與環(huán)境的自然融合。設(shè)計出與自然環(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)計中的一個亟待解決的問題。我國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。鄭州東站項目是通過天窗采光降低照明能耗和熱能耗的一個探索與嘗試。

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27000平米 (見圖1)。

圖1 鄭州東站候車大廳實景

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)計了超大面積的頂向采光天窗，面積達到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，但也會帶來大量的直射太陽光進入，造成地面照度分布不均，并且增大空調(diào)負荷的附加影響。選擇恰當天窗的透光性能將實現(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用

綜合材料的運用廣泛度和造價等因素，鄭州東站屋頂透光材料初步確定為Low-E中空玻璃。在此基礎(chǔ)上，進行鄭州東站天窗采光設(shè)計分析，步驟包括:

(1)確定適宜的大廳天然采光設(shè)計目標;

(2)確定最接近設(shè)計目標的天窗玻璃性能及構(gòu)造方式;

(3)分析天窗光學性能與節(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)計標準》中沒有對車站候車廳提供天然采光設(shè)計標準值，因此，大廳的采光設(shè)計應該滿足: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)計標準》規(guī)定，候車廳地面最小照度值為150 lx。同時，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)計標準》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)計應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達到200 lx。根據(jù)《建筑采光設(shè)計標準》有關(guān)條文，頂部采光時室內(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為:

(1)天窗最小透光率應滿足: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

Low-E玻璃是公共建筑天窗中常用的透光材料。但對于本項目中的超大面積屋頂天窗，需要對天窗的采光和熱工性能進行模擬分析，來指導天窗的材料選擇和遮陽設(shè)計。以下將對使用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)計標準實施細則》(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)點是造價相對低，缺點為透光率固定，無法根據(jù)太陽光調(diào)整進光量。

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)計核心目的，是阻止大量的太陽直射光進入室內(nèi)形成眩光;通過遮陽板的開啟角度控制天窗的進光量，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)。在正午時候室外陽光太強烈，則所有遮陽板水平橫臥，擋住大部分太陽光線。下午時太陽從西邊射入，遮陽板變化正好跟上午時相反。

圖2 可變角度穿孔板外遮陽構(gòu)造示意圖

方案二的優(yōu)點是可以根據(jù)太陽高度角度，來調(diào)節(jié)進光量，缺點是對遮陽板的機械控制精度要求高，工程造價高。

以下是對兩種天窗方案進行計算分析。相關(guān)光學、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 單獨使用low-E夾膠安全中空磨砂玻璃(6low-E+12A+6+PVB+6磨砂)時

首先對單獨使用low-E夾膠安全中空磨砂玻璃時的室內(nèi)采光情況進行模擬分析:

全陰天時的照度情況分布見圖3:

圖3 全陰天時的照度情況分布

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，進站口附近照度為120lx。由計算可知，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，天窗透光率應該為0.13。

根據(jù)以上模擬計算得出，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。同時根據(jù)推導得出:(1)在全陰天下，天窗最小透光率應大于0.336;(2)在夏至日正午，天窗最小透光率應為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)

下面將詳細對比使用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，需要補充人工照明，總體來看室內(nèi)照度分布基本達到設(shè)計目標。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算得到陽光板天窗和玻璃天窗大廳冷負荷、熱負荷、照明負荷各月統(tǒng)計表(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)日照情況進行進光量的調(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，盡可能多的保持進光量，冬季熱負荷降低了6%。因為可變角度遮陽板的調(diào)節(jié)，大廳照明負荷也降低了3%。

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

6 投資分析

通過經(jīng)濟指標對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荷、熱負荷、照明負荷各月統(tǒng)計對比表

表4 兩種天窗方案經(jīng)濟指標對比分析

7 小結(jié)

本項目大廳天窗面積、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)計的重點即控制一天里室內(nèi)照度的均勻性，盡可能提高室內(nèi)天然光視覺舒適性。

本項目固定透光率式天窗系統(tǒng)不能滿足本項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)范圍應能滿足既大于0.336，又小于0.13的變化。本項目采用方案二: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，控制方式為定時控制，節(jié)約了工程造價，具體方式根據(jù)計算結(jié)果確定為:

(1)在夏季，上午10點以前東側(cè)遮陽板橫臥，西側(cè)遮陽板直立，10～15時全部橫臥，14時以后與10時前相反;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)，在正午時候室外陽光太強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相反。

(2)在冬季，上午10點以前西側(cè)遮陽板橫臥，東側(cè)遮陽板直立，10～15時全部直立，14時以后與10時前相反;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)，在正午時候室外所有遮陽板水平直立，保證進光量。下午太陽從西邊射入，遮陽板變化正好跟上午時相反。

本項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荷3%，降低大廳總體能耗23%，具有現(xiàn)實的節(jié)能意義。