重慶地區(qū)單層廠房適用天窗類型分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)初探*

嚴(yán)永紅周治宏王 寧

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶400045;2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400045;3.北京清華城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100085)

1 引言

重慶是全國(guó)六大老工業(yè)基地之一，也是西南地區(qū)近代工業(yè)的發(fā)祥地、中國(guó)重要的工業(yè)城市［1，2］。十一五期間，重慶市建成市級(jí)特色工業(yè)園區(qū)41個(gè)，2011年1～9月這些園區(qū)實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值5702.6億元，同比增長(zhǎng)45.7%。2011年度計(jì)劃工業(yè)固定投資1500億元，上半年已完成工業(yè)固定投資765.7億元，其中，園區(qū)完成基礎(chǔ)設(shè)施投達(dá)138.6億元。截止到9月，全市工業(yè)園區(qū)新建成標(biāo)準(zhǔn)廠房164.7萬平方米(不含代建出租廠房)，累計(jì)建成標(biāo)準(zhǔn)廠房838.9萬平方米［3］。在新一輪的重慶市“十二五”規(guī)劃綱要中提出“2020年前形成五大萬億元工業(yè)板塊”，相應(yīng)的工業(yè)建設(shè)在未來幾年將得到更多政策支持和發(fā)展空間。隨著工業(yè)園區(qū)的發(fā)展，能耗也隨之不斷增加:2009年規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)綜合能源消耗2767.01×10 000噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全市能耗總量的43%;2010年規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)綜合能源消耗3207.27×10 000噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全市能耗總量的45%［4］。在不斷加劇的能源危機(jī)背景下，工業(yè)廠房設(shè)計(jì)如何做到既降低能耗，同時(shí)又有效地改善室內(nèi)物理環(huán)境，是一個(gè)值得深入探討的問題。

充分利用天然光既可降低照明能耗，又有利于使用者身心健康、提高工作學(xué)習(xí)效率。由于人眼的非視覺效應(yīng)，光譜差異可影響人體的晝夜節(jié)律、體溫、機(jī)敏程度，進(jìn)而影響工作效率及人體健康［5］。Tom DeMarco等人研究發(fā)現(xiàn)天然采光下的辦公環(huán)境會(huì)使人的工作效率、工作能力明顯提高［6］。Mustafa Kemal Alimoglu等人通過對(duì)141名醫(yī)學(xué)院護(hù)士進(jìn)行的樣本實(shí)驗(yàn)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)每天至少接受3小時(shí)日光照射有利于減少工作壓力并提升工作滿意度［7］。因此，如何以節(jié)能和人性化設(shè)計(jì)為前提，同時(shí)兼顧光、熱環(huán)境而引入更優(yōu)質(zhì)合理的天然光，是現(xiàn)代工廠設(shè)計(jì)和改造的一個(gè)重點(diǎn)。

單層廠房室內(nèi)天然光主要來源為側(cè)面采光和頂部采光，由于單層廠房跨度、進(jìn)深普遍較大，頂部采光(天窗采光)可更有效地提高天然光利用率。常見天窗主要有以下三種形式:矩形天窗、鋸齒形天窗及平天窗。國(guó)內(nèi)學(xué)者曾對(duì)這三類天窗進(jìn)行過對(duì)比研究，如:山東建筑大學(xué)王剛、邵偉等對(duì)比了平天窗窗地比、天窗數(shù)量及間距等參數(shù)變化對(duì)室內(nèi)體育館的采光系數(shù)、均勻度、光線方向性等的影響［8］。重慶大學(xué)彭鵬、鄭潔等分析了不同天窗面積的供冷、供熱及照明能耗節(jié)約量的變化規(guī)律［9］;嚴(yán)永紅、王寧等通過能耗模擬軟件進(jìn)一步研究了平天窗的最佳窗地比取值范圍和排列方式［10］;華東交通大學(xué)彭小云等分析探討了天窗類型、傾角、朝向與能耗的關(guān)系［11］。研究顯示，平天窗采光效率最高，但眩光和過熱問題難以解決;矩形天窗、鋸齒形天窗采光效率略低，但在照度均勻度、防止眩光和控制熱量攝入等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。筆者對(duì)這幾種天窗在重慶地區(qū)單層廠房中的實(shí)際使用狀況進(jìn)行了調(diào)查，希望從中找出更適合重慶地區(qū)氣候特點(diǎn)的天窗類型，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

2 重慶地區(qū)單層廠房天窗采光現(xiàn)狀調(diào)研

筆者選擇了重慶市茶園新區(qū)工業(yè)園區(qū)的部分單層廠房進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和相關(guān)數(shù)據(jù)搜集分析。

重慶市茶園工業(yè)園規(guī)劃面積120平方公里，主要為機(jī)械裝備和電子電器(IT)制造業(yè)(見圖1)。園區(qū)內(nèi)單層廠房天窗類型以平天窗居多，有少量矩形天窗，無鋸齒形天窗。從中選取了五個(gè)2005年后建成的典型單層廠房車間進(jìn)行天然采光現(xiàn)狀調(diào)研。

圖1 重慶市茶園工業(yè)園鳥瞰圖

2.1 調(diào)研內(nèi)容

2.1.1 調(diào)研對(duì)象

重慶茶園工業(yè)園區(qū)5個(gè)單層廠房

2.1.2 調(diào)研內(nèi)容

(1) 廠房典型區(qū)域內(nèi)天然光采光狀況、天窗形式;(2) 室內(nèi)外溫、濕度;(3) 全年廠房?jī)?nèi)光熱環(huán)境的評(píng)價(jià)。

2.1.3 測(cè)量工具及方法

(1) 室內(nèi)外溫度及濕度:采用日產(chǎn)KANOMAX空氣質(zhì)量檢測(cè)儀測(cè)量;

(2) 室內(nèi)外照度值:采用國(guó)產(chǎn)遠(yuǎn)方Y(jié)F2006型照度計(jì)測(cè)量;

(3) 室內(nèi)采光狀況及夏季熱舒適度狀況主觀評(píng)價(jià):采用問卷調(diào)查。

2 .2 調(diào)研結(jié)果及分析

調(diào)研的五個(gè)單層廠房均為機(jī)加工車間，采光現(xiàn)狀如圖2所示。其中A、B、C三個(gè)車間測(cè)量當(dāng)天為陰天，有小雨;D、E為同一聯(lián)合廠房的兩個(gè)不同典型區(qū)域，測(cè)量當(dāng)天為多云天。

圖2 五個(gè)單層廠房采光現(xiàn)狀

2.2.1 調(diào)研數(shù)據(jù)與主觀評(píng)價(jià)

對(duì)五個(gè)車間的采光、通風(fēng)現(xiàn)狀進(jìn)行了測(cè)試，通過發(fā)放問卷，讓工人對(duì)空間的物理環(huán)境(明暗程度、眩光程度、通風(fēng)狀況、熱環(huán)境)做出相應(yīng)的評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)五個(gè)車間的典型區(qū)域進(jìn)行了光、熱數(shù)據(jù)采集，本文僅列出采光部分的調(diào)研數(shù)據(jù)(見表1):

表1 五個(gè)車間的采光狀況及主觀評(píng)價(jià)

2.2.2 調(diào)研結(jié)果分析

五個(gè)被測(cè)車間中，B車間使用了矩形天窗，調(diào)查中工人反映這個(gè)車間最昏暗。對(duì)比B、E兩個(gè)車間，在窗地比相同的情況下，E車間的采光系數(shù)、照度均勻度及平均照度值均優(yōu)于B車間，但眩光較B車間重。證明平天窗的效率明顯高于矩形天窗，但如何解決眩光問題是一個(gè)較棘手的問題。分析三個(gè)使用平天窗的A、D、E車間的測(cè)試數(shù)據(jù)則進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)。

五個(gè)車間中，工人反映照度尚可、眩光較輕的為C車間，也是其中唯一一個(gè)采用組合天窗形式的車間。

根據(jù)(GB/T 50033—2001)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，上述五個(gè)車間應(yīng)分別達(dá)到表2要求:

對(duì)照表1可知，盡管調(diào)研的五個(gè)車間室內(nèi)平均照度值基本滿足規(guī)范要求，但采光系數(shù)及照度均勻度卻未達(dá)到規(guī)范要求(僅D車間的采光系數(shù)達(dá)標(biāo))。而問卷調(diào)查則反映出空間使用者(工人)普遍對(duì)光、熱環(huán)境不滿意，認(rèn)為車間不少區(qū)域光線不足，另一些區(qū)域則眩光嚴(yán)重，且所有車間均存在夏季過熱問題。

表2 五個(gè)車間對(duì)應(yīng)的天然采光規(guī)范要求

2.3 調(diào)研結(jié)論

通過本次調(diào)研，結(jié)合對(duì)重慶市相關(guān)設(shè)計(jì)院的走訪，對(duì)重慶地區(qū)單層廠房天然采光存在的問題總結(jié)如下:

(1) 重慶地區(qū)既有單層廠房的天然采光狀況并不理想，比較突出的問題是采光系數(shù)和照度均勻度指標(biāo)沒有達(dá)到國(guó)家規(guī)范要求，不少室內(nèi)工作區(qū)域必須靠人工照明補(bǔ)足。

(2) 三種天窗類型中平天窗的應(yīng)用最廣泛，但與其他地區(qū)使用相同的標(biāo)準(zhǔn)化定型天窗產(chǎn)品，未考慮地區(qū)氣候差異，室內(nèi)眩光和夏季過熱問題難以解決。組合天窗的綜合性能較單一平天窗更好，但在實(shí)踐中應(yīng)用較少。

(3) 廠房方案設(shè)計(jì)階段普遍缺乏建筑物理技術(shù)支撐，在進(jìn)行屋架構(gòu)造、采光設(shè)計(jì)時(shí)，主要依靠經(jīng)驗(yàn)、套用標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致光、熱環(huán)境不佳。

3 單層廠房適用天窗類型分析

3.1 國(guó)外工廠天窗采光案例

與國(guó)內(nèi)形成對(duì)比的是，在國(guó)外單層廠房中，鋸齒形天窗的應(yīng)用卻十分普遍(見表3)。以下是筆者搜集的一些案例(圖3～圖7)，可以看出采用鋸齒形天窗的廠房類型很多，但這些鋸齒形天窗均在傳統(tǒng)天窗基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，使采光效率得到了很大提高。

與國(guó)內(nèi)的鋸齒形天窗相比，國(guó)外的鋸齒形天窗無論從構(gòu)造形式還是安裝方式，及與其他裝置(如人工照明裝置，屋頂太陽能板)的結(jié)合來看，都更為成熟且多樣化。上述實(shí)例也證明了傳統(tǒng)天窗形式經(jīng)過改良和升級(jí)是完全可以滿足現(xiàn)代工業(yè)廠房高標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)光、熱環(huán)境需求的。

表3 國(guó)外鋸齒形天窗使用案例

圖3 美國(guó)Ford組裝工廠

圖4 意大利法拉利生產(chǎn)車間

3.2 單層廠房適用天窗類型分析

平天窗的優(yōu)點(diǎn)是采光效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便，適用于多種廠房結(jié)構(gòu)形式。但其缺陷也十分明顯:照度均勻度差、眩光嚴(yán)重、照度變化劇烈，難以形成相對(duì)穩(wěn)定的光環(huán)境、熱環(huán)境差等。因此，在國(guó)外新建的單層廠房中，使用平天窗的廠房數(shù)量已大大減少。

圖5 德國(guó)哈斯激光廠

圖6 伊朗Paykar Bonyan Panel工廠

圖7 加拿大Niigon Technologies制造車間工廠

而鋸齒形天窗利用傾斜頂棚作為反光面，光線均勻柔和，光環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定;北向鋸齒形天窗還可防止直射陽光進(jìn)入造成眩光和過熱。此外，鋸齒形天窗形式豐富，可創(chuàng)造出富于變化、更為有趣的室內(nèi)空間環(huán)境，有利于塑造高品質(zhì)、特色突出、更為人性化的現(xiàn)代廠房環(huán)境。

4 鋸齒形天窗優(yōu)化探索

目前，鋸齒形天窗未在國(guó)內(nèi)各類單層廠房中得到廣泛應(yīng)用，其主要原因一是采光效率低于平天窗，另一個(gè)原因在于其結(jié)構(gòu)、施工相對(duì)復(fù)雜，成本較高。由于國(guó)內(nèi)多年以來一直沿用傳統(tǒng)平天窗，未對(duì)鋸齒形天窗架及相應(yīng)的配套構(gòu)件進(jìn)行開發(fā)，造成目前鋸齒形天窗的設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造及應(yīng)用大大落后于國(guó)外的現(xiàn)狀。要改變這種狀況，必須首先解決如何通過合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提高采光效率這一問題。

4.1 提升采光效率和光環(huán)境品質(zhì)

4.1.1 材料優(yōu)化

鋸齒形天窗通常由一個(gè)傾斜反光面、兩個(gè)三角形側(cè)面和一個(gè)開窗面組成。為保證采光效率，應(yīng)選擇透射比高的采光材料及高反射比的室內(nèi)表面材料。如圖8所示，通過提高傾斜反光面及相鄰屋面反射比，可提高采光效率。

圖8 提高材料透射比及反射比

4.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1) 改變傾斜面曲率以增強(qiáng)光線的漫反射，可提高采光效率、改善采光均勻度。圖9為Ecotect軟件模擬對(duì)比結(jié)果。

圖9 改變傾斜面曲度后的采光效果對(duì)比模擬

(2) 改變開窗面的角度也可有效提高采光效率，如圖10所示。曾有實(shí)驗(yàn)表明，在采光效率均為2%時(shí)，玻璃面有一定傾斜度的鋸齒形天窗比玻璃面垂直的情況下開窗面積減少了約1/3［13］。Ecotect軟件的對(duì)比模擬結(jié)果證明了這一點(diǎn)，見圖10。采用這種方式時(shí)需加強(qiáng)防雨措施。

4.1.3 增加輔助采光構(gòu)件

(1) 屋面可調(diào)光反射板

鋸齒形天窗為單向采光系統(tǒng)，無論朝向如何，在全天某些時(shí)段都可能存在采光較弱的情況。在合適位置安置屋面光反射板可獲得更多反射光。反射板可為鋁制薄板等高反射率材料，反射板應(yīng)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)角度，以適應(yīng)不同時(shí)刻太陽高度角的變化(見圖11)。

(2) 可控室內(nèi)擴(kuò)散擋板

使用室內(nèi)擴(kuò)散擋板一方面可使工作區(qū)域內(nèi)的光線分布更均勻，另一方面可避免直射眩光。擋板間距的設(shè)計(jì)既要防止正午陽光直射，同時(shí)還要考慮當(dāng)太陽高度角較低時(shí)，也無直射入人眼的陽光。如圖12［14］。擋板材質(zhì)通常為高反射率的半透明啞光材料。

4.2 天窗—建筑節(jié)能一體化措施

4.2.1 照明節(jié)能

(1) 天然采光與人工照明的結(jié)合

在鋸齒形天窗附近設(shè)置傳感器，利用人工智能控制系統(tǒng)的連續(xù)調(diào)光模式，根據(jù)天然光照度變化及時(shí)調(diào)節(jié)人工照明的照度水平，使室內(nèi)照度水平始終保持在一個(gè)適度的區(qū)域內(nèi)。這一措施可有效降低照明能耗。

(2) 與太陽能的結(jié)合

將鋸齒形天窗與太陽能裝置組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的利用，也是近年來建筑節(jié)能一體化設(shè)計(jì)中常用的手段。鋸齒形天窗為太陽能的轉(zhuǎn)換提供了理想的場(chǎng)所:如，可在天窗傾斜面上鋪設(shè)太陽能光電板，為人工照明提供能量來源;而隨著既可透光、又可發(fā)電的太陽能玻璃的出現(xiàn)，使鋸齒形天窗由單純的采光功能升級(jí)為一個(gè)多功能的能量收集器;如果最近正在研發(fā)中的太陽能薄膜電池在不久的將來實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，則可使太陽能利用的成本大大降低，有利于新型多功能鋸齒形天窗的推廣。

圖10 不同開窗面角度采光模擬

圖11 屋面可調(diào)光反射板

圖12 可控室內(nèi)擴(kuò)散擋板

4.2.2 改善熱工性能

與平天窗相比，鋸齒形天窗除可提供更優(yōu)質(zhì)的室內(nèi)光環(huán)境外，如設(shè)計(jì)得當(dāng)，通過對(duì)天窗構(gòu)造的改進(jìn)及選擇熱工性能更為優(yōu)越的采光材料，可使室內(nèi)熱環(huán)境得到很大的改善。如，在天窗內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)中考慮對(duì)夏季直射陽光的遮擋;采用熱工性能良好的新型節(jié)能玻璃，如Low-E玻璃、調(diào)光玻璃等減少夏季熱量的攝入及冬季室內(nèi)熱量的逃逸。

5 結(jié)語

目前重慶地區(qū)單層廠房的室內(nèi)光、熱環(huán)境普遍較差，天窗形式單一。本文的研究表明，實(shí)踐中大量使用的平天窗并不適合重慶地區(qū)，鋸齒形天窗具有更好的光、熱性能。但鋸齒形天窗難以推廣的主要原因在于，一是建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中缺乏專業(yè)采光設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的參與，設(shè)計(jì)院在進(jìn)行采光設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)慣例，套用以往廠房的設(shè)計(jì)模式，導(dǎo)致廠房采光模式幾十年不變;二是由于建筑師對(duì)廠房新型天窗形式缺乏足夠的了解，導(dǎo)致各天窗生產(chǎn)廠家對(duì)開發(fā)新品缺乏動(dòng)力。因此，即使有少數(shù)建筑師或照明專家希望采用性能更好的新型鋸齒形天窗，卻購買不到合適的成品，也找不到有足夠經(jīng)驗(yàn)的施工單位進(jìn)行施工。要改變這一狀況，需要建筑師、采光照明專家、生產(chǎn)企業(yè)的共同努力。

研究、開發(fā)并推廣新型多功能鋸齒形天窗，是一項(xiàng)艱苦的工作。本文僅進(jìn)行了初步的探索，旨在拋磚引玉，希望引起相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)這一工作的重視，共同努力來改善廠房的光、熱環(huán)境，為工人提供節(jié)能、環(huán)保、更為人性化的工作環(huán)境。

本項(xiàng)目受校企合作項(xiàng)目《重慶地區(qū)工業(yè)廠房天然采光及室內(nèi)照明研究》(深圳市金照明實(shí)業(yè)有限公司)、《嘉陵集團(tuán)公司整體遷建及技改項(xiàng)目聯(lián)合廠房/造型室天窗采光及室內(nèi)照明研究》(中國(guó)機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院)項(xiàng)目資助。在此對(duì)合作方表示感謝!

［1］周勇．重慶通史［M］．重慶出版社，2002．

［2］重慶社科院．“重慶市工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)與利用研究”課題組，執(zhí)筆張鳳琦．開發(fā)、利用重慶市工業(yè)遺產(chǎn)的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值［N］．中國(guó)社會(huì)科學(xué)院院報(bào)，2008．

［3］重慶市政府網(wǎng)．http://www．cq．gov．cn/zwgk/zfxx/359335．htm．

［4］重慶市統(tǒng)計(jì)局．重慶統(tǒng)計(jì)年鑒2011［M］．北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2011．

［5］CIE 158—2004 Ocular Lighting Effects on Human Physiology and Behavior［R］．Vienna:CIE Central Bureau，2004．

［6］Improve Employee Productivity With Custom OfficeLighting．www．ecmweb．com/mag/electric improveemployee productivity．

［7］Mustafa Kemal Alimoglu，Levent Donmez．Daylight exposure and the other predictors of burnout among nurses in a University Hospital［J］．International Journal of Nursing Studies．2005．

［8］王剛，邵偉，畢曉云．學(xué)校中小型體育館自然采光模擬分析［J］．建筑節(jié)能，2008(02)．

［9］彭鵬，鄭潔．頂部采光的節(jié)能分析［J］．照明工程學(xué)報(bào)，2007(01)．

［10］王寧，嚴(yán)永紅．工業(yè)建筑平天窗采光優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．科學(xué)咨詢(科技·管理)，2011(04)．

［11］彭小云．南京地區(qū)中庭的天窗形式與耗能［J］．工業(yè)建筑，2007(02)．

［12］王寧．重慶地區(qū)工業(yè)廠房天窗采光與能耗研究［D］．重慶大學(xué)碩士論文，2011．

［13］Y．J．Yoon，et al．How much energy do different toplighting strategies save［J］．Journal of Architectural Engineering，2008(14):101～111．

［14］(美)GZ·布朗，馬克·德凱．太陽輻射·風(fēng)·自然光［M］．常志剛，譯．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．