铁路客站天然采光现状及优化设计研究

罗 涛 燕 达 张 野 彭 琛 刘 燕 杨允礼

(1.清华大学，北京 100084;2.铁道部经济规划研究院，北京 100038)

1 引言

客站的天然采光设计对于客站能耗有着重要的影响，一方面采光的数量和质量直接会影响人工照明的使用情况，从而影响照明能耗;另一方面，透光围护结构往往是建筑节能的薄弱环节，其保温和隔热性能较差，从而引起室内空调和采暖负荷的增加。采光不足会导致较差的室内光环境，影响人员身心健康，并增加照明能耗;而过度的采光则会导致室内过热，引起空调负荷增加，带来眩光，造成不良的室内光环境和热环境。因此，客站的采光设计不仅需要考虑光环境的效果和照明需求，还要考虑对建筑能耗的影响，需要在光和热之间寻求合理的平衡。

我国现行标准中对于客站的采光系数及照明功率密度未作出明确规定［1］［2］，有研究人员根据调研情况及设计经验，对采光照明的节能设计提出了指导性建议［3］［4］［5］，并根据调研结果及计算机模拟技术对某客站的采光进行了模拟分析［6］［7］。

然而，现有的研究中对光热的综合考虑方面的研究很少，对于采光对建筑能耗的影响还缺少定量的分析总结;调研的样本也只限于某气候区的少数客站，代表性和普适性不足。

本文的研究目的，在于从建筑节能和室内光环境两方面要求出发，在大量实测调研的基础上，确定采光设计的标准，并通过光热的综合分析，给出相应设计要点，从而为后续的客站设计起到参考和指导作用。

2 现状调研

针对上述研究目的，课题组在2010年7至8月份选择了全国不同气候区的16个典型客站进行了调研。调研工作包括调查和现场测试两部分内容，研究人员通过与设计人员、客站工作人员沟通，了解客站的设计和运行情况，获取客站图纸资料和基本信息，并根据现场调查，了解客站的室内外光环境现状;通过现场测试，研究人员获得了室内照度、围护结构做法和光热性能参数、照明能耗等数据。

2.1 采光形式和基本做法

从现场调研来看，客站的设计中比较重视天然采光，而围护结构设计各具特点，采光的形式和透光围护结构的构造形式多样，有的采用侧面采光，有的采用顶部采光，采光的设计中同时也考虑了遮阳的需要 (图1～4)。

图1 G站具有地域特色的外窗

图2 O站天窗设计

图3 L站南向幕墙设置的外遮阳

图4 K站西向挑檐设计

各客站候车室的采光设计情况如表1所示:

表1 所调研客站的采光设计情况

2.2 现场实测结果

各客站主要功能空间的采光实测结果如表2所示。

图5给出了两个具有不同采光形式的客站的采光系数分布的实测结果。

表2 各客站主要功能空间的采光系数

图5 实测的采光系数分布

从实测结果来看，大多数客站的候车室和进站大厅采光状况较好，采光系数平均值分别为2.82%和3.51%，白天一般不需要开启人工照明;售票厅的采光系数略低，为1.37%，白天需要部分开启人工照明进行补充;客站的站台作为半室外区域，采光比较充足，可避免乘客在换乘时由于明暗对比引起的视觉不舒适。

为了解采光对于照明能耗的影响，我们对各客站的照明用电情况进行了测试调研，如图6所示。

图6 各客站的单位面积照明能耗情况

所调研客站的单位面积照明耗电量约为8.9kWh/m2～68.2kWh/m2，差异较大;调研中发现其照明功率密度值在9～12 W/m2之间，差异较小。因而照明能耗的差异主要来自于开灯的时间和运行方式。对比采光的实测结果可以看到，采光较好的客站，开启照明的时间短，其单位面积照明能耗相对更低。

从图6中也可大致判断各站照明开启时间与天然采光利用的情况。假设照明功率密度为12 W/m2，当日运行时间为6h时，照明能耗为26.3 kWh/m2，日运行时间为12h时，照明能耗为52.6 kWh/m2，其中J、L、F三个客站的能耗超过了该数值，意味着其照明开启时间较长，超过了12h/天。

2.3 采光设计实例

在现场调研的过程中，课题组发现了一些较好的设计实例，既考虑了节能的因素，也取得了较好的光环境效果。以下是一些客站的实例分析。

(1)A站

该客站的进深较小，采用了双侧面采光 (图7)。

图7 A站候车室采光效果

经现场实测，候车室的天然采光效果良好，白天基本不需要开灯，节能效果显著;同时由于采光水平较高且比较均匀，主观感觉较好。

(2)C站

C站利用中庭的天窗解决大厅内的采光，效果较好，如图8所示。

图8 C站天窗采光效果

(3)K站

客站为线上式车站，为改善站台的采光，一层地面采用了透光的钢化玻璃，如图9、图10所示。

图9 K站候车厅地面玻璃

图10 K站站台采光效果

天气晴好的条件下，天窗下方的站台区域的地面照度可达248 lx，可满足照明的要求，不用开启人工照明。从现场主观感觉来看，由于加强了自然采光，降低了明暗对比，在不开灯的情况下也能保证较好的视觉舒适性。

2.4 调研情况小结

通过对客站采光进行调研，我们发现客站的采光具有以下特点:

(1)客站采光对于其照明能耗有着重要的影响。一般来说，采光较好的客站照明能耗较低，反之则偏高;

(2)客站常用的采光形式包括侧面和顶部采光;

(3)透光围护结构的常用材料包括中空Low-E玻璃、中空夹胶玻璃、聚碳酸酯阳光板等，个别采用了ETFE等新材料。

进一步对调研和实测数据进行分析，可以发现现有客站的采光设计中还存在以下一些问题:

(1)各客站的窗墙比差异较大，即使是在相同气候区的客站也如此。

(2)从实测数据来看，各客站的采光水平差异较大。

(3)采光设计时，缺少对建筑总体能耗的考虑。部分客站过于追求采光效果，采用了大面积的外窗或天窗，使得过多的太阳辐射进入室内，导致室内过热，并大量增加了空调能耗。

现有的采光设计标准中未对客站各空间的采光做出明确要求，在客站的采光设计中存在突出采光效果，忽略采光对空调能耗的影响的情况。

因此，根据客站的采光需求，从建筑节能的要求出发，确定合理的采光设计标准、窗墙比、采光形式、开窗方式以及窗的光热参数等，是十分必要的。其中，采光设计标准是需要首先解决的问题，也是采光设计的前提。

根据现场实测和主观感受，并参照照明设计标准和类似功能空间 (如大堂、展厅等)的采光设计标准，候车室和进站大厅的采光系数不宜低于2%，售票厅的采光系数不宜低于1%，而站台由于是半室外空间，为了不至于产生强烈的明暗对比，其采光系数值不宜低于5%。

根据场所的空间特点和使用要求，参照表3确定合理照明功率密度值、照明方式及设备:

表3 客站主要功能空间的照明设计建议

3 模拟分析

通过实测调研，我们掌握了客站的采光现状，并参考相关标准，提出了合理的采光需求和设计标准。但是，现场调研的结果不能定量反映采光对于照明能耗和建筑总体能耗的影响;同时，在不改变窗户面积的情况下，是否可以实现更好的采光效果，也难以通过实测验证。为此，课题组通过计算机模拟的技术手段，定量分析采光对于建筑总体能耗的影响，并通过不同开窗设计方案的分析比较，提出采光优化设计的建议。

3.1 优化设计方法和工具

优化设计可以分为两个阶段，第一阶段即基于建筑总体能耗的优化设计阶段，通过改变围护结构方案，如窗墙比、光热参数、遮阳设置等等，给出不同方案下采暖、空调和照明能耗的分布情况，并根据建筑总体能耗变化的趋势确定合理的窗墙比、光热参数等;第二阶段即窗的优化设计阶段，根据能耗优化设计情况，在确定窗墙比等因素的条件下，通过改变窗的形式以及分布等因素，优化光环境。

第一阶段我们利用DeST软件对建筑总体能耗进行模拟，并进行节能优化;第二阶段在第一阶段的基础上，利用Radiance软件对不同采光设计方案的室内光分布情况进行模拟分析和优化，使得室内采光满足要求且均匀。

3.2 客站模型

由于不同规模的客站在进深和层高等方面存在较大差异，其采光策略和设计要点具有明显的区别，需要分别加以分析。为此，以下挑选了一个大型客站和中型客站，对其采光进行优化设计，图11、图12分别是两个客站的计算机模型。

图11 大型客站DeST分析模型

图12 中型客站DeST分析模型

其中，大型客站候车室的平面尺寸为180m×180m，层高为21m，中型客站候车室的平面尺寸为100m×31.2m，首层层高6m，二层层高10m。为便于分析，对模型进行了必要的简化。

3.3 基于能耗的优化设计

在建筑设计中，围护结构的遮阳系数及窗墙比、天窗比都会对建筑的照明和空调采暖能耗产生影响，以下我们分别对围护结构的遮阳系数、建筑的窗墙比和天窗比进行模拟分析和优化设计。

结合我国几个典型气候区的特点，并参考现有节能标准，根据不同的气候区给出常用的几组外窗、透明屋顶遮阳系数的参数 (0.4～0.8)和几组窗墙比 (0.2～0.7)、天窗比 (0～0.5)，通过模拟计算分析在不同的遮阳系数和窗墙比 (天窗比)的条件下，客站的冷热负荷、室内照度的情况，进而得到相对应的空调电耗及照明电耗，从整体趋势的变化总结出遮阳系数和窗墙比 (天窗比)的最优化设计建议。

以下给出了在温和地区的一个大型客站的模拟实例，说明如何通过分析对比，确定合理的遮阳系数和窗墙比。

从图13可以看到，位于温和地区的大型客站，由于以冷负荷为主，随着遮阳系数的增大，耗热量变化不明显，耗冷量增大显著，采暖空调能耗增加，且空调采暖能耗的增加大于照明能耗的减少，因此温和地区大型客站全年总耗电量随着遮阳传热系数的增大而增大，总耗电量在第一、二组遮阳系数工况下的变化不明显，考虑到采光的需求，推荐取第2组参数。

图13 温和地区大型客站能耗变化趋势(不同的遮阳系数工况)

从图14可以看到，位于温和地区的大型客站，随着天窗比的增大，空调能耗大幅增加，而照明能耗变化不大 (有侧面采光)，因此温和地区大型客站全年总耗电量随着天窗面积的增大而增大，故推荐取天窗比为0.1(当采用遮阳系数即SC值为0.5的普通透光材料时)。

图14 温和地区大型客站能耗变化趋势(不同的天窗比工况)

通过对建筑总体能耗的模拟分析，我们可以得到不同气候区大中型客站的围护结构遮阳系数和窗墙比的推荐值，如表4所示。

表4 透明围护结构的推荐设计参数

3.4 客站采光优化设计

在能耗优化设计的基础上，我们得到了客站围护结构设计参数和窗墙比的优化设计值。为了验证在上述窗墙比 (天窗比)及窗性能参数下，客站的采光是否能够满足要求，我们利用Radiance软件对客站的采光进行了校核计算，并通过采光优化设计，改善室内的采光效果。这里以客站的主要功能空间候车室为例，并根据不同规模客站的特点，分别建立了大型和中型客站候车室的模型，进行计算机模拟分析。

3.4.1 中型客站采光优化设计

我们在Radiance中建立了中型客站的模型，通过改变窗的形式 (侧窗和高侧窗)和布置 (集中式开窗和分散式开窗)，通过对比分析，确定优化设计方案，并给出相应的建议 (图15)。

这里我们给出了三种对比方案，这3种方案的开窗总面积相同，窗墙比约为0.3。方案1的外窗采用了集中式布置;方案2采用分散布置;方案3的首层侧窗为分散式布置，二层的部分高侧窗为集中式布置。材料的参数设定如表5所示。

图15 中型客站采光优化分析模型

表5 材料光学性能参数

经过计算，各方案首层和二层的采光计算结果如表6所示。

表6 中型客站不同方案的采光计算结果

可以看到，三种方案的采光水平均能满足采光设计标准要求 (≥2%)，但各方案的最大值和最小值存在一定的差异，这表明不同方案的采光均匀度是不同的，为了解其差别，以下给出了这几种方案下的首层和二层采光分布情况。

从图16来看，方案2、3的采光均匀性均优于方案1，这表明对于首层 (层高6m)而言，分散式的布置方式对于提高室内采光的均匀性是有利的。从图17来看，方案1和方案3的采光均匀性要优于方案2，这表明对于二层 (层高10m)而言，当窗高增加时，采用偏集中式的布置方案对于改善采光有利。三个方案中，方案3的采光效果最佳，其低层窗采用了分散式布置，而高侧窗采用了集中式布置。同时也说明，对于进深不大的客站，采用侧面采光即可满足要求，本实例中进深是窗高的5倍左右 (本案例为双侧采光)。

图16 中型客站不同方案的首层采光分布

图17 中型客站不同方案的二层采光分布

3.4.2 大型客站采光优化设计

根据同样的方法可对大型客站的采光进行优化，为此我们在Radiance中建立了大型客站的模型，通过改变窗的形式 (侧窗和天窗)以及布置方式 (集中式和分散式)，通过对比分析，确定优化设计方案，并给出相应的建议。所有模型中的窗墙比为0.3，天窗与地面面积比为0.1，天窗的透射比为50%，其他计算参数与小型客站的相同，此处不再赘述。

首先，我们对只有侧面采光和顶部采光的情况进行了分析，模型如图18所示。

图18 只采用侧窗或天窗的大型客站采光分析模型

这几种方案下的采光分布如图19所示。

图19 只采用侧窗或天窗的采光分布

可以看到，当只有侧窗采光时，室内采光分布很不均匀，且存在大量采光较差的区域 (采光系数低于1%或0.5%)。同样当只有天窗采光时，室内采光分布很不均匀，尤其是天窗集中布置时。而且由于客站中的乘客需要与室外有视线的交流，完全不用侧窗的采光设计也难以令人接受。

为此，我们对同时采用天窗和侧窗的几种方案进行了对比 (图20)。

其中，方案5采用了集中的天窗和集中的侧窗布置;方案6采用了集中的天窗和分散的侧窗布置;方案7采用了分散的天窗和集中的侧窗布置;方案8采用了分散的天窗和分散的侧窗布置。这几种方案的采光计算结果如表7所示:

图20 同时采用天窗和侧窗的大型客站采光分析模型

表7 大型客站不同方案的采光计算结果

这几种方案的采光水平均能满足采光设计标准要求，但均匀性有差异，这四种方案的采光分布如图21所示。

可以看到，当天窗面积比为0.1时，即可满足采光要求，从室内光环境和热环境的要求来看，不宜采用过大面积的天窗;采用分散布置方案，室内采光的均匀性得到了明显的改善，尤其是天窗采用分散布置后的效果更好。值得说明的是，方案8仍然存在优化的空间，通过进一步分散天窗，还可改善室内采光的均匀性。

3.5 小结

通过上述模拟分析，可以得到以下结论:

(1)从减低建筑总体能耗的角度，不宜采用过大面积的透光围护结构，综合考虑节能以及室内光环境等因素，客站的窗墙比取0.3，天窗与地面面积比取0.1(当采用SC值为0.5的普通透光材料时)是较为适宜的参数值，当取值增加时应采取相应的节能措施。

(2)客站透明围护结构的SC值应根据气候区和客站特点进行选择。寒冷地区建议取为0.6～0.8，夏热冬冷和夏热冬暖地区建议取为0.5～0.6，温和地区建议取为0.5～0.8。

图21 同时采用天窗和侧窗的采光分布

(3)在上述窗墙比 (天窗比)和窗性能参数的条件下，通过采光优化设计，能够满足采光的要求。

(4)对于中型客站，应优先采用侧面采光的方式，同时增加窗户的高度有利于增加房间内进深较大区域的采光水平;当采用单侧采光时，房间的进深宜控制在窗高的2.5倍左右，当采用双侧采光时，房间的进深可增加到窗高的5倍左右;当客站层高较高时，采用侧窗与高侧窗结合的设计可改善室内的采光效果。

(5)对于进深较大的大型客站，仅依靠侧面采光难以获得满意的采光效果，采用天窗的效果较好，但透光围护结构面积应予以控制，不宜过大，同时采用分散布窗的方式可以改善室内的采光均匀度。

4 总结

客站的采光对其室内环境和能耗均有着重要的影响，因而采光的设计需要综合考虑光环境效果和节能的因素。为定量分析采光对建筑能耗的影响情况，并提供相应的优化设计方法，课题组采用了现场调研和模拟分析相结合的研究方法。

通过对全国不同气候区的16个客站进行现场调研和测试，课题组掌握了既有客站的采光照明现状，得出以下结论:

(1)客站采光设计标准有待统一。开窗面积偏小，不能充分利用天然采光，会导致照明能耗偏高;开窗面积过大导致过多的太阳辐射进入室内，会造成室内过热和空调能耗增加。

(2)客站的照明功率密度值应根据空间特点和使用功能要求确定合理的照明功率密度设计值、照明方式及照明设备。建议6m以下的客站空间照明功率密度值建议取为9～12W/m2，6～12m的空间取为12～15W/m2，12m以上的空间取为15～18W/m2。

(3)建议候车室和进站大厅的采光系数不宜低于2%，售票厅的采光系数不宜低于1%，站台的采光系数值不宜低于5%。

(4)客站透明围护结构的SC值应根据气候区和客站特点进行选择。寒冷地区建议取为0.6～0.8，夏热冬冷和夏热冬暖地区建议取为0.5～0.6，温和地区建议取为0.5～0.8。

(5)从室内环境和节能的要求出发，客站透明围护结构的面积不宜过大。当屋顶透光材料SC值为0.25、K值 (传热系数)为1.65时，天窗比宜不大于0.2。当采用SC值为0.5的普通透光材料时，天窗比宜不大于0.1。当天窗比大于0.2时，建筑能耗将显著增加，应采取降低透光材料的SC值、更改遮阳方式或天窗形式等优化措施，并进行全年热性能权衡判断以实现节能目标;

(6)中型客站宜优先采用侧面采光的方式，并应尽量增加窗户的高度以改善房间内进深较大区域的采光。当客站层高较高时，采用分散的侧窗与集中的高侧窗布置可改善室内的采光效果。

(7)进深较大的大型客站宜采用顶部采光与侧面采光相结合的设计，但透光围护结构面积不宜过大，采用分散布窗的方式可以改善室内采光的均匀性。

通过现场调研和模拟分析，课题组掌握了现有客站的采光状况，分析确定了合理的采光需求，并从室内环境和节能要求出发，给出了若干建议及优化设计的要点，对于客站采光设计具有重要的参考价值。

［1］建筑采光设计标准.GB/T 50033—2001.

［2］建筑照明设计标准.GB 50034—2004.

［3］管亚敏.铁路大型客站大空间照明方案研究.铁道工程学报，2008年4期.

［4］廖宇.铁路客站照明节能设计的研究.建筑电气，2009年7期.

［5］王磊，徐玉党.某火车站自然采光与照明能耗的经济性探讨.2008铁路暖通空调学术年会.

［6］Pan Yiqun，Wu Gang，Yang Fujun，Huang Zhizhong.CFD and Daylight Simulation Calibrated with Site Measurement for Waiting Hall of Shanghai South Railway Station.3rdNational Conference of IBPSA-USA.

［7］马杰，谷立静，林波荣，朱颖心.模拟技术在新广州火车站节能设计中的应用.2009年全国暖通空调专业委员会空调模拟分析学组学术交流会论文集.

［8］清华大学DeST开发组著.建筑环境系统模拟分析方法——DeST.中国建筑工业出版社，2006年.