魏貝貝 孟曉靜 王怡

1 西部綠色建筑國家重點實驗室（西安建筑科技大學）

2 西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

3 西安建筑科技大學資源工程學院

工業(yè)建筑由于進深和面積都較大，單純的側窗采光往往不能滿足室內采光要求，屋頂一般都設置有一定面積的采光天窗[1]。采光天窗除了引入可見光之外，還會給室內帶來大量太陽輻射熱量，通常會造成工業(yè)建筑夏季過熱現(xiàn)象[2-3]，因此廠房天窗設計過程中應盡可能地保證天窗采光和集熱作用的平衡，天窗面積大小應將室內的采光需要和室內熱環(huán)境綜合考慮，屋頂天窗面積大小用屋頂天窗面積比反映，定義為屋頂透光部分面積與屋頂總面積之比。本文針對自然通風類工業(yè)建筑，以夏熱冬冷地區(qū)為例，選取武漢為代表城市。利用EnergyPlus 軟件對工業(yè)建筑室內熱環(huán)境進行模擬，分析天窗面積比對室內熱環(huán)境的影響。并利用Radiance 進行采光模擬，給出在不同窗墻比下最優(yōu)天窗面積比，為工業(yè)建筑天窗優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 模擬方法

1.1 熱環(huán)境模擬方法

采用EnergyPlus v8.1 對工業(yè)建筑室內熱環(huán)境進行分析和模擬，EnergyPlus 是由美國能源部和勞倫斯·伯克利國家實驗室在軟件BLAST 和DOE-2 基礎上共同開發(fā)的一款建筑能耗模擬軟件，其計算結果的準確性已通過驗證[4]。根據(jù)對既有工業(yè)建筑圍護結構參數(shù)分布特征調研的結果[5]，建立典型工業(yè)建筑模型如圖1所示，模型相關參數(shù)設置見表1。

圖1 基準建筑EnergyPlus 模型

表1 工業(yè)建筑模型參數(shù)設置

由于工作環(huán)境溫度超過30 ℃時可能會造成工作效率的下降并對健康產(chǎn)生危害[6]，定義空氣溫度超過30 ℃的小時數(shù)為高溫小時數(shù)。室內余熱強度設置為3 W/m3，通風換氣次數(shù)設置為冬季0.5 次/h，夏季1.5次/h，過渡季1 次/h，研究了不同窗墻面積比條件下屋頂天窗面積比對室內高溫小時數(shù)的影響。

1.2 采光模擬方法

采用Ecotect 軟件調用Radiance 程序的方法進行采光模擬。Ecotect 是由英國開發(fā)的生態(tài)建筑設計軟件，被廣泛應用于生態(tài)節(jié)能、建筑設計等領域，但是其計算精度均較差[7]。Radiance 是美國勞倫斯·伯克利國家實驗室開發(fā)的靜態(tài)光環(huán)境模擬軟件，計算精度高，擴展性強，Radiance 采用的是反向射線追蹤算法（Reverse raytracing algorithm），被國內外學者廣泛的用在各方面的采光研究中，得到學術界廣泛認可[8]。

對于跨度和進深都較大的工業(yè)建筑，側窗選擇高側窗更有工作面的采光均勻度[9]。因此模型側窗全部采用高側窗，窗臺底部距地面的高度為8 m。為了保證采光的均勻度，在建立工業(yè)建筑模型時將側窗和天窗盡可能均勻的排布，示意圖如圖2。

圖2 采光計算模型示意圖

按照國家標準《建筑采光設計標準》GB/T 50033-2013[10]的規(guī)定，采光參考平面距地面為1 m，參考平面網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m，參考平面網(wǎng)格總數(shù)為6000 個。采光效果除了受模型幾何尺寸的影響外，還受到模型圍護結構透光率、反射率等系數(shù)的影響，影響采光效果的主要參數(shù)設置見表2。

表2 采光模型參數(shù)設置

Radiance 提供的四種天空模型分別為CIE 晴天空模型、CIE 全陰天模型、Intermediate 過度季節(jié)天空模型Uniform Sky 模型。由于冬至日代表了一年當中日照的最不利工況，選擇冬至日作為采光計算日期，從9:00～17:00 對工作面照度進行逐時模擬，對應的天空模型為CIE 全陰天模型。氣象文件加載武漢市典型氣象年數(shù)據(jù)，該氣象文件的數(shù)據(jù)與EnergyPlus 所用的氣象文件來源相同，保證了室內熱環(huán)境模擬與采光模擬的氣象條件一致性。

標準[10]根據(jù)作業(yè)精確度將工業(yè)廠房的采光要求分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個等級，不同采光等級對工作面平均照度提出了不同的要求，并給出不同采光等級下單獨側窗采光的窗地面積比推薦值和單獨頂部采光的窗地面積比推薦值。但工業(yè)建筑常常是以側窗和天窗結合的方式進行采光，根據(jù)文獻[11]對工業(yè)建筑的分類，自然通風類工業(yè)建筑主要對應標準[10]中采光等級為Ⅲ級和Ⅳ級工業(yè)建筑。因此，針對采光等級為Ⅲ級和Ⅳ的工業(yè)建筑，給出不同窗墻面積比下最優(yōu)的天窗面積比取值。

2 模擬結果及分析

2.1 天窗面積比對室內熱環(huán)境的影響

本文以高溫小時數(shù)作為夏季室內熱環(huán)境指標，利用Python 編程語言對EnergyPlus 的模擬結果CSV 文件中的逐時空氣溫度進行統(tǒng)計，獲得夏季（6 月15 號～9 月30 號）8:00～21:00 的高溫小時數(shù)，不同窗墻面積比（WWR）條件下屋頂天窗面積比對室內高溫小時數(shù)的影響如圖3 所示。

圖3 天窗面積比對高溫小時數(shù)的影響

從圖3 中可以看出，當窗墻面積比和室內余熱強度一定時，高溫小時數(shù)隨著天窗面積比的增大顯著增加，而窗墻比對高溫小時數(shù)的影響不明顯。這是由于對于側窗，夏季白天室內的熱量要通過窗戶傳熱向室外散發(fā)，同時太陽輻射會透過窗戶玻璃使室內獲得熱量，由于窗戶的雙向傳熱使得總體上的絕對得熱量很小，因此窗墻面積比對高溫小時數(shù)影響很小。夏季天窗太陽光入射角大于側窗入射角，通過天窗的太陽輻射得熱量大于側窗的太陽輻射得熱量，因此天窗面積比對夏季室內熱環(huán)境影響很大。

所以對于工業(yè)建筑，在滿足室內工作面所需照度的前提下，從室內熱環(huán)境的角度考慮，應盡量減小屋頂天窗面積比。

2.2 采光計算結果分析

通過Ecotect 調用Radiance 進行采光模擬計算，得到冬至日9:00-17:00 的工作面逐時平均照度。當窗墻面積比為0.05～0.2 時，計算天窗面積比(SSR)為0.05～0.1 時的工作面逐時平均照度。當窗墻面積比為0.2～0.3 時，計算天窗面積比為0.03～0.06 時的工作面逐時平均照度。模擬結果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在全陰天天空狀態(tài)下，冬至日工作平面的平均照度在一天當中隨時間呈先增大后減小的趨勢，這是受太陽高度角的影響，室內平均照度在12:00-13:00 時達到峰值。

圖4 不同天窗面積比冬至日照度

對于采光等級為Ⅲ級的工業(yè)建筑，標準[10]規(guī)定其室內工作面照度標準值為300 Lux。由圖4 可知，在窗墻面積比為0.05～0.3，通過改變天窗面積比并不能使室內工作面平均照度在17:00 時滿足要求，因此以室內工作面平均照度在9:00～16:00 時間段內滿足照度要求為標準，對不同窗墻面積比下最優(yōu)天窗面積比進行取值。當窗墻面積比WWR≤0.1 時，天窗面積比取0.09，冬至日室內工作面平均照度在9:00-16:00 都能滿足照度標準值。當窗墻面積比0.1＜WWR≤0.2 時，天窗面積比取0.06，冬至日室內工作面平均照度在9:00-16:00 都能滿足照度標準值。當窗墻面積比0.2＜WWR≤0.3 時，天窗面積比取0.03，冬至日室內工作面平均照度在9:00-16:00 都能滿足照度標準值。因此，對于采光等級為Ⅲ級的工業(yè)建筑，在不同窗墻面積比下其天窗面積比推薦值如表3 所示。

表3 Ⅲ級采光要求時天窗面積比推薦值

對于采光等級為Ⅳ級的工業(yè)建筑，標準[10]規(guī)定其室內工作面照度標準值為150 Lux。從圖3 中可以看出當窗墻面積比WWR≤0.1 時，天窗面積比取0.05 可滿足冬至日9:00～16:00 工作面的照度要求。當單獨采用側窗采光，窗墻面積比WWR＞0.2 時，冬至日參考平面平均照度如圖5 所示。由圖5 可以看出，當窗墻面積比大于0.2 且屋頂不設置采光天窗時，冬至日工作面平均照度在9:00-16:00 能夠滿足采光的照度需求。當窗墻面積比0.1 ＜WWR ≤0.2 時，天窗面積比為0.02～0.05 時的工作面逐時平均照度如圖6 所示。由圖6 可以看出，當窗墻面積比0.1＜WWR≤0.2 時，天窗面積比取0.03 冬至日工作面平均照度除16:30 以后的時間都能滿足采光照度標準值。因此，對于采光等級為Ⅳ級的工業(yè)建筑，在不同窗墻面積比下天窗面積比推薦值如表4 所示。

表4 Ⅳ級采光要求時天窗面積比推薦值

圖5 單獨側窗采光冬至日照度

圖6 Ⅳ級采光要求不同天窗面積比冬至日照度

4 結論

針對自然通風類工業(yè)建筑，利用能耗軟件EnergyPlus 和采光模擬軟件Radiance 分別對工業(yè)建筑進行室內熱環(huán)境模擬和自然采光模擬，給出了工業(yè)建筑在不同窗墻面積比下最優(yōu)的屋頂天窗面積比，主要結論如下：

1）屋頂天窗比例對工業(yè)建筑夏季室內熱環(huán)境影響很大，在滿足采光照度需求的前提下，應盡量減小天窗面積比。

2）對采光等級為Ⅲ級的工業(yè)建筑，當窗墻面積比WWR≤0.1 時，天窗面積比推薦值為0.09。當窗墻面積比0.1＜WWR≤0.2 時，天窗面積比推薦值為0.06。當窗墻面積比0.2＜WWR≤0.3 時，天窗面積比推薦值為0.03。

3）對采光等級為Ⅳ級的工業(yè)建筑，當窗墻面積比WWR≤0.1 時，天窗面積比推薦值為0.05。當窗墻面積比0.1＜WWR≤0.2 時，天窗面積比推薦值為0.03。當窗墻面積比0.2＜WWR≤0.3 時，依靠側窗采光即可滿足室內采光要求，可不設屋頂采光天窗。