基于光热环境的工业建筑屋顶天窗参数优化

魏贝贝 孟晓静 王怡

1 西部绿色建筑国家重点实验室（西安建筑科技大学）

2 西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

3 西安建筑科技大学资源工程学院

工业建筑由于进深和面积都较大，单纯的侧窗采光往往不能满足室内采光要求，屋顶一般都设置有一定面积的采光天窗[1]。采光天窗除了引入可见光之外，还会给室内带来大量太阳辐射热量，通常会造成工业建筑夏季过热现象[2-3]，因此厂房天窗设计过程中应尽可能地保证天窗采光和集热作用的平衡，天窗面积大小应将室内的采光需要和室内热环境综合考虑，屋顶天窗面积大小用屋顶天窗面积比反映，定义为屋顶透光部分面积与屋顶总面积之比。本文针对自然通风类工业建筑，以夏热冬冷地区为例，选取武汉为代表城市。利用EnergyPlus 软件对工业建筑室内热环境进行模拟，分析天窗面积比对室内热环境的影响。并利用Radiance 进行采光模拟，给出在不同窗墙比下最优天窗面积比，为工业建筑天窗优化设计提供依据。

1 模拟方法

1.1 热环境模拟方法

采用EnergyPlus v8.1 对工业建筑室内热环境进行分析和模拟，EnergyPlus 是由美国能源部和劳伦斯·伯克利国家实验室在软件BLAST 和DOE-2 基础上共同开发的一款建筑能耗模拟软件，其计算结果的准确性已通过验证[4]。根据对既有工业建筑围护结构参数分布特征调研的结果[5]，建立典型工业建筑模型如图1所示，模型相关参数设置见表1。

图1 基准建筑EnergyPlus 模型

表1 工业建筑模型参数设置

由于工作环境温度超过30 ℃时可能会造成工作效率的下降并对健康产生危害[6]，定义空气温度超过30 ℃的小时数为高温小时数。室内余热强度设置为3 W/m3，通风换气次数设置为冬季0.5 次/h，夏季1.5次/h，过渡季1 次/h，研究了不同窗墙面积比条件下屋顶天窗面积比对室内高温小时数的影响。

1.2 采光模拟方法

采用Ecotect 软件调用Radiance 程序的方法进行采光模拟。Ecotect 是由英国开发的生态建筑设计软件，被广泛应用于生态节能、建筑设计等领域，但是其计算精度均较差[7]。Radiance 是美国劳伦斯·伯克利国家实验室开发的静态光环境模拟软件，计算精度高，扩展性强，Radiance 采用的是反向射线追踪算法（Reverse raytracing algorithm），被国内外学者广泛的用在各方面的采光研究中，得到学术界广泛认可[8]。

对于跨度和进深都较大的工业建筑，侧窗选择高侧窗更有工作面的采光均匀度[9]。因此模型侧窗全部采用高侧窗，窗台底部距地面的高度为8 m。为了保证采光的均匀度，在建立工业建筑模型时将侧窗和天窗尽可能均匀的排布，示意图如图2。

图2 采光计算模型示意图

按照国家标准《建筑采光设计标准》GB/T 50033-2013[10]的规定，采光参考平面距地面为1 m，参考平面网格尺寸为1 m×1 m，参考平面网格总数为6000 个。采光效果除了受模型几何尺寸的影响外，还受到模型围护结构透光率、反射率等系数的影响，影响采光效果的主要参数设置见表2。

表2 采光模型参数设置

Radiance 提供的四种天空模型分别为CIE 晴天空模型、CIE 全阴天模型、Intermediate 过度季节天空模型Uniform Sky 模型。由于冬至日代表了一年当中日照的最不利工况，选择冬至日作为采光计算日期，从9:00～17:00 对工作面照度进行逐时模拟，对应的天空模型为CIE 全阴天模型。气象文件加载武汉市典型气象年数据，该气象文件的数据与EnergyPlus 所用的气象文件来源相同，保证了室内热环境模拟与采光模拟的气象条件一致性。

标准[10]根据作业精确度将工业厂房的采光要求分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个等级，不同采光等级对工作面平均照度提出了不同的要求，并给出不同采光等级下单独侧窗采光的窗地面积比推荐值和单独顶部采光的窗地面积比推荐值。但工业建筑常常是以侧窗和天窗结合的方式进行采光，根据文献[11]对工业建筑的分类，自然通风类工业建筑主要对应标准[10]中采光等级为Ⅲ级和Ⅳ级工业建筑。因此，针对采光等级为Ⅲ级和Ⅳ的工业建筑，给出不同窗墙面积比下最优的天窗面积比取值。

2 模拟结果及分析

2.1 天窗面积比对室内热环境的影响

本文以高温小时数作为夏季室内热环境指标，利用Python 编程语言对EnergyPlus 的模拟结果CSV 文件中的逐时空气温度进行统计，获得夏季（6 月15 号～9 月30 号）8:00～21:00 的高温小时数，不同窗墙面积比（WWR）条件下屋顶天窗面积比对室内高温小时数的影响如图3 所示。

图3 天窗面积比对高温小时数的影响

从图3 中可以看出，当窗墙面积比和室内余热强度一定时，高温小时数随着天窗面积比的增大显著增加，而窗墙比对高温小时数的影响不明显。这是由于对于侧窗，夏季白天室内的热量要通过窗户传热向室外散发，同时太阳辐射会透过窗户玻璃使室内获得热量，由于窗户的双向传热使得总体上的绝对得热量很小，因此窗墙面积比对高温小时数影响很小。夏季天窗太阳光入射角大于侧窗入射角，通过天窗的太阳辐射得热量大于侧窗的太阳辐射得热量，因此天窗面积比对夏季室内热环境影响很大。

所以对于工业建筑，在满足室内工作面所需照度的前提下，从室内热环境的角度考虑，应尽量减小屋顶天窗面积比。

2.2 采光计算结果分析

通过Ecotect 调用Radiance 进行采光模拟计算，得到冬至日9:00-17:00 的工作面逐时平均照度。当窗墙面积比为0.05～0.2 时，计算天窗面积比(SSR)为0.05～0.1 时的工作面逐时平均照度。当窗墙面积比为0.2～0.3 时，计算天窗面积比为0.03～0.06 时的工作面逐时平均照度。模拟结果如图4 所示。从图4 中可以看出，在全阴天天空状态下，冬至日工作平面的平均照度在一天当中随时间呈先增大后减小的趋势，这是受太阳高度角的影响，室内平均照度在12:00-13:00 时达到峰值。

图4 不同天窗面积比冬至日照度

对于采光等级为Ⅲ级的工业建筑，标准[10]规定其室内工作面照度标准值为300 Lux。由图4 可知，在窗墙面积比为0.05～0.3，通过改变天窗面积比并不能使室内工作面平均照度在17:00 时满足要求，因此以室内工作面平均照度在9:00～16:00 时间段内满足照度要求为标准，对不同窗墙面积比下最优天窗面积比进行取值。当窗墙面积比WWR≤0.1 时，天窗面积比取0.09，冬至日室内工作面平均照度在9:00-16:00 都能满足照度标准值。当窗墙面积比0.1＜WWR≤0.2 时，天窗面积比取0.06，冬至日室内工作面平均照度在9:00-16:00 都能满足照度标准值。当窗墙面积比0.2＜WWR≤0.3 时，天窗面积比取0.03，冬至日室内工作面平均照度在9:00-16:00 都能满足照度标准值。因此，对于采光等级为Ⅲ级的工业建筑，在不同窗墙面积比下其天窗面积比推荐值如表3 所示。

表3 Ⅲ级采光要求时天窗面积比推荐值

对于采光等级为Ⅳ级的工业建筑，标准[10]规定其室内工作面照度标准值为150 Lux。从图3 中可以看出当窗墙面积比WWR≤0.1 时，天窗面积比取0.05 可满足冬至日9:00～16:00 工作面的照度要求。当单独采用侧窗采光，窗墙面积比WWR＞0.2 时，冬至日参考平面平均照度如图5 所示。由图5 可以看出，当窗墙面积比大于0.2 且屋顶不设置采光天窗时，冬至日工作面平均照度在9:00-16:00 能够满足采光的照度需求。当窗墙面积比0.1 ＜WWR ≤0.2 时，天窗面积比为0.02～0.05 时的工作面逐时平均照度如图6 所示。由图6 可以看出，当窗墙面积比0.1＜WWR≤0.2 时，天窗面积比取0.03 冬至日工作面平均照度除16:30 以后的时间都能满足采光照度标准值。因此，对于采光等级为Ⅳ级的工业建筑，在不同窗墙面积比下天窗面积比推荐值如表4 所示。

表4 Ⅳ级采光要求时天窗面积比推荐值

图5 单独侧窗采光冬至日照度

图6 Ⅳ级采光要求不同天窗面积比冬至日照度

4 结论

针对自然通风类工业建筑，利用能耗软件EnergyPlus 和采光模拟软件Radiance 分别对工业建筑进行室内热环境模拟和自然采光模拟，给出了工业建筑在不同窗墙面积比下最优的屋顶天窗面积比，主要结论如下：

1）屋顶天窗比例对工业建筑夏季室内热环境影响很大，在满足采光照度需求的前提下，应尽量减小天窗面积比。

2）对采光等级为Ⅲ级的工业建筑，当窗墙面积比WWR≤0.1 时，天窗面积比推荐值为0.09。当窗墙面积比0.1＜WWR≤0.2 时，天窗面积比推荐值为0.06。当窗墙面积比0.2＜WWR≤0.3 时，天窗面积比推荐值为0.03。

3）对采光等级为Ⅳ级的工业建筑，当窗墙面积比WWR≤0.1 时，天窗面积比推荐值为0.05。当窗墙面积比0.1＜WWR≤0.2 时，天窗面积比推荐值为0.03。当窗墙面积比0.2＜WWR≤0.3 时，依靠侧窗采光即可满足室内采光要求，可不设屋顶采光天窗。