大型高铁站房天窗采光优化设计研究
——以天津站为例
2018-09-21张琪瑶那艳玲
李 伟，张琪瑶，那艳玲
（1.天津城建大学，天津 300384；2.中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）
随着我国经济的快速增长、铁路综合交通运输体系网的不断完善，大型交通枢纽数量随之不断增多[1].建筑自然采光作为高铁候车室空间的重要设计，其在建筑节能与视觉舒适方面的作用显得尤为重要[2].经过调查研究发现，目前大型铁路枢纽建筑采光多采用顶部开窗形式.大面积顶部开窗虽然可以有效增加建筑横向进深自然采光的照度，但同时也带来夏季太阳辐射过量及冬季室内热量散失大等问题[3-4].
笔者以天津站候车室采光天窗为主要研究对象，在实地调研过程中，利用专业设备对候车室内数据进行采集，获得建筑模型数据，并通过IES建筑采光计算模拟软件进行定量化分析，探讨天窗采光设计在建筑节能方面的优化潜力，以期为今后的高铁站在采光设计方面提供理论参考.
1 天津站实地调研
天津站作为天津市内最重要的交通集散地，是集普通铁路和京津城际等高速铁路为一体的大型交通枢纽[5].在天津站的设计过程中，充分考虑了天然光的运用，建筑在二层候车厅屋面采用大面积的天窗，建筑东西两侧立面采用侧高窗的形式，并结合北立面大面积玻璃幕墙为室内提供充足的采光，在形成舒适视觉环境的同时有效降低了建筑的照明能耗.
本次针对天津站候车室进行实地调研分问卷调查和现场测试两部分内容，通过与站房工作人员沟通，了解客站的空间设计和运行情况，并对现场候车人员进行问卷调查，依据现场测试获取站房候车室空间尺寸以及室内天然光照度等数据.
1.1 天窗采光形式
图1为天津站高架层候车室椭圆形采光天窗.经测距仪现场测量，天窗横向最宽处约21 m，纵向长约180 m，距地高度达20 m，候车空间屋面窗墙面积比为1/5.6，满足GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》[6]规范要求.天窗下部设置有高约1.2 m的遮阳板，可将太阳直射光经过遮阳板表面漫射至室内空间，防止太阳直射室内，造成眩光影响.
图1 天津站候车室天窗采光形式
1.2 室内采光实测结果
考虑到季节气候变化对于室内采光的影响，限于篇幅，本次调研选择气候变化相对稳定的过渡季节进行连续测试，并选取具有代表性的春分前后某一天的调研数据进行采光问题研究.
测试时间为 2017-03-25T9：00—18：00.根据中国气象数据网显示，当日正午室外最高气温16.2℃、最低气温3℃、相对湿度80%，实测正午阳光直射地面照度52 775 lx.测试设备有Leica DISTO测距仪、TR-74Ui Illuminance UV Recorder、FLIR T250红外热像仪.测试内容包括室内温湿度、照度、天窗围护结构热像数据等.
由于天津站高架层候车室天窗开窗部位面积大，光照分布范围广，所以在站房平面上每隔5～8 m均匀设定一个测点（见图2），测点距地0.75 m.各数据读数间隔为1 h，各项数据均由测试人员现场测试并读数.
图2 候车室平面测试点分布
图3为9：00—18：00天津站高架候车室实测数据整理后的平面照度分布示意.由图3可以看出：一天当中，由于屋顶中央的椭圆形采光天窗的开窗面积大，高架层候车室中央部分的照度明显高于建筑平面边缘处；平面照度分布不均匀，且数值差距大.经测试，候车室全天平均照度为724.8 lx.
图3 天津站候车室9:00—18:00平面照度分布示意
候车室平面根据车站使用功能可划分为两部分：其一为东西两侧的旅客候车检票口，经测试平均照度为189.9 lx，低于GB50033—2013《建筑采光设计标准》[7]所规定的候车厅采光标准值450 lx；其二为旅客候车区（即天窗正下方），平均照度值为1 152.5 lx，高于国家标准值450 lx近3倍；部分测点由于直接接受太阳光照射，照度可达3 672 lx，其过度的天然采光对室内候车人员活动造成一定的眩光干扰.
1.3 天窗热像实测结果
图4为根据FLIR红外热像仪提取的天津站屋面天窗热像数据所得图.由图4可知：天窗结构在9：00—12：00 为表面温度上升阶段；12：00—15：00 表面温度逐渐趋于平缓；15：00—19：00表面温度下降，并保持在稳定数值.天窗结构FLIR红外热像图如图5所示.图5a是正午时由于受太阳的直射光照射，天窗玻璃表面温度在55℃左右；而在夜间（见图5b）降低至20.6℃，热量流失较为严重.由此可见，尽管天窗采用了双层Low-E中空夹胶玻璃，但从建筑保温角度来看，大面积集中开窗依旧是围护结构的薄弱环节.
图4 候车室天窗结构热像数据
图5 天窗结构红外热像图
由于天窗面积过大，在冬季时屋面围护结构蓄热能力弱，室内温度在一天内有较大波动（见图6），大部分的热量流失加剧了室内空调系统的运行负荷，造成建筑能耗的损失.在夏季，由于天窗玻璃的透射率高，且所处位置很难设置可开启形式，导致建筑屋顶外表面所接收的太阳辐射大部分传入到室内，并且高铁站房候车室内人流活动频繁，人体热辐射与太阳辐射同时作用，使得室内温度持续升高，不断增大室内空调系统的运行负荷[8-9].
图6 候车室内全天温度走势
通过对天津站的调研和实测数据的分析，可以发现现有站房候车室的天窗采光设计存在以下问题：①高架层候车室内照度分布不均匀，天窗正下方地面照度过高，而东西侧店铺照度过低，天窗未合理有效布置；②天窗虽加设遮阳挡板，但仍有眩光现象，效果不理想；③由于窗户的传热系数较大，且天窗采用大面积玻璃集中方式布置，冷热空气在天窗附近进行频繁交替，导致室内热量在夜间大量流失.
因此，针对调研所发现的问题，参照文献[5，7]等规范要求，通过确定合理的天窗面积比、采光形式等，在采光满足规范要求的基础上，提出合理的候车室采光与能耗之间的平衡优化方案.
2 天津站候车室采光优化设计
依据调研情况，初步掌握了天津站候车室内目前的采光现状.优化方案拟利用IES
2.1 优化设计方法
优化设计可以分为三个阶段：①基于调研数据建立模型，针对现状天窗情况进行模拟，并作为基准参照；②在确定窗墙比的情况下，通过改变天窗的形式（长宽比）及布置（集中式和分散式开窗）等因素，优化室内光环境；③选取较为合理的开窗形式，在采光效果不受影响的条件下，适当减小开窗面积，并对其进行能耗对比分析.
方案优化采光方面利用IES中FlucsPro模块定量分析建筑照度、光通量等技术参数；能耗方面利用Apache模块对建筑系统详细设定，并进行动态负荷模拟，从而得到直观的能耗分析数据，以此来优化比选方案.
2.2 建立模型
根据候车室实测数据在IES中建立客站模型，候车室内各材质参数见表1.在现有方案中，采光口设置形式较为集中，且采光总面积较大，天窗面积与屋面面积比为1/5.6，采光环境设置为天津地区东经117.2°、北纬39.1°，设定测试时间与调研时间相一致.
表1 天津站候车室建筑围护结构性能参数
根据国际照明委员会（CIE）标准规定，采光标准须以全阴天天空亮度分布作为采光计算的假象光源，故在软件模拟时对现状天窗形式进行了模拟，使气候参数等边界条件保持一致，有利于各方案的分析和比较.
2.3 候车室空间采光现状分析
图7a为天窗未加遮阳板时候车室采光系数模拟云图.由模拟数据可知（见表2），候车室平均照度为1 675.57 lx；图7b为天窗下安装遮阳板后（现状）采光系数模拟云图，平均照度为1 129.02 lx.由于此次模拟以中国气象数据网中当日气候参数为边界条件，且以理想状态下的全阴天作为假象光源，故所得平均照度数值与实测照度724.8 lx存在差距，后续优化模拟皆以现状模拟数值作为基准参考.
图7 天津站现状采光系数模拟云图
表2 天津站候车室天窗采光计算结果
由表2对比可知：天窗加设遮阳板后平均照度虽有所降低，但最小照度同样呈线性下降；在采光均匀度方面，两组方案数值均不理想，与实测数据结果较为一致.
2.4 开窗形式优化模拟
针对调研及现状模拟所发现的问题，优化方案中将天窗形式作为模拟的唯一变量，并将其设计为4种排列方案（见图8）.方案1、方案2、方案3均在保证天窗采光口总面积不变的情况下，改变其开窗尺寸长宽比，比较三组方案的采光效果；方案4在保证采光效果良好的前提下，减小采光口总面积进行能耗比较.
图8 优化方案中各种开窗方式平面
2.4.1 采光总面积不变
（1）方案1.将原有椭圆形大面积开窗方式拆分为8×39 m共10列等距横向排列的矩形分散式布局形式，以补充横向进深采光.天窗采光计算结果见表3，采光系数模拟云图见图9.由表3可得，图9方案1a、1b两种方式仅横向位置不同，但两者的采光系数、照度及均匀度数值相近；方案1a照度平均值为1 890.98 lx，是候车室现状模拟照度1 129.02 lx的1.6倍，且最小照度较现状模拟照度最小值28.11 lx提高近4倍，采光系数及采光均匀度均有所提升.
图9 天津站天窗方案采光系数模拟云图
表3 方案1、方案2天窗采光计算结果
（2）方案2.将原有椭圆形大面积开窗方式拆分为等距纵向排列的矩形分散式布局形式，图9方案2a、2b分别为155×5 m共4列、155×10 m共2列.由表3可见，方案2与方案1的各项数值相差不大，即纵横向排列方式对采光系数、采光照度、采光均匀度影响相对较小，但两组方案均较现状模拟数值有所提升.
（3）方案3.将原有天窗开窗方式拆分为等距多段排列的矩形分散式布局形式，图9方案3a、3b尺寸分别为15.5 m×20 m共10个、5.7 m×5.7 m共96个采光口.方案3、方案4天窗采光计算结果见表4.由表4可得：方案3a的排列方式与方案1、方案2所得数值相近；方案3b与现状模拟数值相比较，在采光系数方面，最小采光系数由0.2%到2.1%提升近9.5倍；均匀度方面，由0.02到0.14提升了6倍；照度最小值由28.11 lx到252.76 lx提升了8倍.
表4 方案3、方案4天窗采光计算结果
由上述分析可知，在采光口面积不变的条件下，将原有的集中开窗形式改变为分散式布置形式，所得到的室内照度及采光系数均有大幅度提高，并且有效解决了室内照度分布不均匀问题；但所得到的数值在满足国家标准照度≥450 lx、采光系数≥3%的基础上依旧过高，故在保证基本采光需求的同时仍有可优化空间.
2.4.2 减小采光总面积
方案4通过减小采光天窗的面积进行优化模拟.图9方案4a为屋面采光口开窗面积由3 110 m2减小至2 070 m2（减小1/3面积）的采光系数模拟云图.由表4可见，平均照度仍是标准值450 lx的3倍，故可进一步缩小开窗面积进行优化.
图9方案4b为屋面采光口开窗面积由3 110 m2减小至1 036 m2（减小2/3面积）的采光系数模拟云图，其平均照度值与现状模拟照度相近，但最小照度70.92 lx是现状模拟最小照度28.11 lx的2.5倍左右，均匀度提高2.5倍.
由此可见，在保证与原有建筑平均照度值相一致的同时，采光口面积可由原来减小至1/3，且均匀度及两侧检票口处所须照度均得到提升改善.
2.4.3 能耗优化
在对建筑采光改造时，不能仅局限于对开窗面积及开窗位置进行分析，更需要考虑不同开窗形式下所带来了建筑能耗的变化.故在仅改变开窗方式、其他工况均不变的情况下，对上述采光方式进行能耗模拟，便于优化设计方案.
将表1中各围护结构参数设置引入到IES的Apache模块中，作为模拟边界条件.在方案1-3中选取采光系数、采光照度、采光均匀度均良好的方案3b，与现状模拟以及方案4a、4b进行能耗比较，结果如图10所示.
图10 优化方案与现状模拟能耗对比
根据表4、图10可得出图11.由图11可知，几组方案在照度平均值均满足国家标准值450 lx的基础上，方案4a、4b减小天窗面积较其他方案全年降低更多能耗；而在平均照度值相近的情况下，方案4b的天窗布置形式相比于天津站现状模拟开窗形式，年总能耗节约了463.203 6 MW·h，相当于节约了463 203度电，极大降低了能耗，是几组方案中较为理想的采光设计方案.
图11 天窗照度与能耗关系
通过以上模拟分析，可以得出：①天津站候车室天窗采光口在面积不变的情况下，采光口分散型布置相比于集中式布置具有更高的采光系数及平均照度值，室内采光的均匀性也得到了明显改善，但仍有可优化空间；②综合考虑节能及室内光环境等因素，从降低建筑总体能耗的角度，天津站候车室天窗不宜采用过大面积的透光维护结构；③采光口布置采用分散形式，不仅在建筑平面横向进深方向补充了自然采光，而且在保证与原有建筑平均照度值相近的同时，采光口面积可由原来减小67%，建筑能耗降低15%.
3 结语
通过对天津站高架层候车室进行实地调研，并对其采光设计进行优化分析，依据数值模拟分析及方案的调整，得到了较为合理的天津站采光优化设计方案，其顶部天窗设计采用5 m×8.6 m共24个采光口分散型布置形式，照度在满足国家标准相关要求的同时，采光面积可由3 110 m2减至1 036 m2，有效降低了围护结构的传热负荷和传热量.
