鐵路客站天然采光現狀及優化設計研究

羅 濤 燕 達 張 野 彭 琛 劉 燕 楊允禮

(1.清華大學，北京 100084;2.鐵道部經濟規劃研究院，北京 100038)

1 引言

客站的天然采光設計對于客站能耗有著重要的影響，一方面采光的數量和質量直接會影響人工照明的使用情況，從而影響照明能耗;另一方面，透光圍護結構往往是建筑節能的薄弱環節，其保溫和隔熱性能較差，從而引起室內空調和采暖負荷的增加。采光不足會導致較差的室內光環境，影響人員身心健康，并增加照明能耗;而過度的采光則會導致室內過熱，引起空調負荷增加，帶來眩光，造成不良的室內光環境和熱環境。因此，客站的采光設計不僅需要考慮光環境的效果和照明需求，還要考慮對建筑能耗的影響，需要在光和熱之間尋求合理的平衡。

我國現行標準中對于客站的采光系數及照明功率密度未作出明確規定［1］［2］，有研究人員根據調研情況及設計經驗，對采光照明的節能設計提出了指導性建議［3］［4］［5］，并根據調研結果及計算機模擬技術對某客站的采光進行了模擬分析［6］［7］。

然而，現有的研究中對光熱的綜合考慮方面的研究很少，對于采光對建筑能耗的影響還缺少定量的分析總結;調研的樣本也只限于某氣候區的少數客站，代表性和普適性不足。

本文的研究目的，在于從建筑節能和室內光環境兩方面要求出發，在大量實測調研的基礎上，確定采光設計的標準，并通過光熱的綜合分析，給出相應設計要點，從而為后續的客站設計起到參考和指導作用。

2 現狀調研

針對上述研究目的，課題組在2010年7至8月份選擇了全國不同氣候區的16個典型客站進行了調研。調研工作包括調查和現場測試兩部分內容，研究人員通過與設計人員、客站工作人員溝通，了解客站的設計和運行情況，獲取客站圖紙資料和基本信息，并根據現場調查，了解客站的室內外光環境現狀;通過現場測試，研究人員獲得了室內照度、圍護結構做法和光熱性能參數、照明能耗等數據。

2.1 采光形式和基本做法

從現場調研來看，客站的設計中比較重視天然采光，而圍護結構設計各具特點，采光的形式和透光圍護結構的構造形式多樣，有的采用側面采光，有的采用頂部采光，采光的設計中同時也考慮了遮陽的需要 (圖1～4)。

圖1 G站具有地域特色的外窗

圖2 O站天窗設計

圖3 L站南向幕墻設置的外遮陽

圖4 K站西向挑檐設計

各客站候車室的采光設計情況如表1所示:

表1 所調研客站的采光設計情況

2.2 現場實測結果

各客站主要功能空間的采光實測結果如表2所示。

圖5給出了兩個具有不同采光形式的客站的采光系數分布的實測結果。

表2 各客站主要功能空間的采光系數

圖5 實測的采光系數分布

從實測結果來看，大多數客站的候車室和進站大廳采光狀況較好，采光系數平均值分別為2.82%和3.51%，白天一般不需要開啟人工照明;售票廳的采光系數略低，為1.37%，白天需要部分開啟人工照明進行補充;客站的站臺作為半室外區域，采光比較充足，可避免乘客在換乘時由于明暗對比引起的視覺不舒適。

為了解采光對于照明能耗的影響，我們對各客站的照明用電情況進行了測試調研，如圖6所示。

圖6 各客站的單位面積照明能耗情況

所調研客站的單位面積照明耗電量約為8.9kWh/m2～68.2kWh/m2，差異較大;調研中發現其照明功率密度值在9～12 W/m2之間，差異較小。因而照明能耗的差異主要來自于開燈的時間和運行方式。對比采光的實測結果可以看到，采光較好的客站，開啟照明的時間短，其單位面積照明能耗相對更低。

從圖6中也可大致判斷各站照明開啟時間與天然采光利用的情況。假設照明功率密度為12 W/m2，當日運行時間為6h時，照明能耗為26.3 kWh/m2，日運行時間為12h時，照明能耗為52.6 kWh/m2，其中J、L、F三個客站的能耗超過了該數值，意味著其照明開啟時間較長，超過了12h/天。

2.3 采光設計實例

在現場調研的過程中，課題組發現了一些較好的設計實例，既考慮了節能的因素，也取得了較好的光環境效果。以下是一些客站的實例分析。

(1)A站

該客站的進深較小，采用了雙側面采光 (圖7)。

圖7 A站候車室采光效果

經現場實測，候車室的天然采光效果良好，白天基本不需要開燈，節能效果顯著;同時由于采光水平較高且比較均勻，主觀感覺較好。

(2)C站

C站利用中庭的天窗解決大廳內的采光，效果較好，如圖8所示。

圖8 C站天窗采光效果

(3)K站

客站為線上式車站，為改善站臺的采光，一層地面采用了透光的鋼化玻璃，如圖9、圖10所示。

圖9 K站候車廳地面玻璃

圖10 K站站臺采光效果

天氣晴好的條件下，天窗下方的站臺區域的地面照度可達248 lx，可滿足照明的要求，不用開啟人工照明。從現場主觀感覺來看，由于加強了自然采光，降低了明暗對比，在不開燈的情況下也能保證較好的視覺舒適性。

2.4 調研情況小結

通過對客站采光進行調研，我們發現客站的采光具有以下特點:

(1)客站采光對于其照明能耗有著重要的影響。一般來說，采光較好的客站照明能耗較低，反之則偏高;

(2)客站常用的采光形式包括側面和頂部采光;

(3)透光圍護結構的常用材料包括中空Low-E玻璃、中空夾膠玻璃、聚碳酸酯陽光板等，個別采用了ETFE等新材料。

進一步對調研和實測數據進行分析，可以發現現有客站的采光設計中還存在以下一些問題:

(1)各客站的窗墻比差異較大，即使是在相同氣候區的客站也如此。

(2)從實測數據來看，各客站的采光水平差異較大。

(3)采光設計時，缺少對建筑總體能耗的考慮。部分客站過于追求采光效果，采用了大面積的外窗或天窗，使得過多的太陽輻射進入室內，導致室內過熱，并大量增加了空調能耗。

現有的采光設計標準中未對客站各空間的采光做出明確要求，在客站的采光設計中存在突出采光效果，忽略采光對空調能耗的影響的情況。

因此，根據客站的采光需求，從建筑節能的要求出發，確定合理的采光設計標準、窗墻比、采光形式、開窗方式以及窗的光熱參數等，是十分必要的。其中，采光設計標準是需要首先解決的問題，也是采光設計的前提。

根據現場實測和主觀感受，并參照照明設計標準和類似功能空間 (如大堂、展廳等)的采光設計標準，候車室和進站大廳的采光系數不宜低于2%，售票廳的采光系數不宜低于1%，而站臺由于是半室外空間，為了不至于產生強烈的明暗對比，其采光系數值不宜低于5%。

根據場所的空間特點和使用要求，參照表3確定合理照明功率密度值、照明方式及設備:

表3 客站主要功能空間的照明設計建議

3 模擬分析

通過實測調研，我們掌握了客站的采光現狀，并參考相關標準，提出了合理的采光需求和設計標準。但是，現場調研的結果不能定量反映采光對于照明能耗和建筑總體能耗的影響;同時，在不改變窗戶面積的情況下，是否可以實現更好的采光效果，也難以通過實測驗證。為此，課題組通過計算機模擬的技術手段，定量分析采光對于建筑總體能耗的影響，并通過不同開窗設計方案的分析比較，提出采光優化設計的建議。

3.1 優化設計方法和工具

優化設計可以分為兩個階段，第一階段即基于建筑總體能耗的優化設計階段，通過改變圍護結構方案，如窗墻比、光熱參數、遮陽設置等等，給出不同方案下采暖、空調和照明能耗的分布情況，并根據建筑總體能耗變化的趨勢確定合理的窗墻比、光熱參數等;第二階段即窗的優化設計階段，根據能耗優化設計情況，在確定窗墻比等因素的條件下，通過改變窗的形式以及分布等因素，優化光環境。

第一階段我們利用DeST軟件對建筑總體能耗進行模擬，并進行節能優化;第二階段在第一階段的基礎上，利用Radiance軟件對不同采光設計方案的室內光分布情況進行模擬分析和優化，使得室內采光滿足要求且均勻。

3.2 客站模型

由于不同規模的客站在進深和層高等方面存在較大差異，其采光策略和設計要點具有明顯的區別，需要分別加以分析。為此，以下挑選了一個大型客站和中型客站，對其采光進行優化設計，圖11、圖12分別是兩個客站的計算機模型。

圖11 大型客站DeST分析模型

圖12 中型客站DeST分析模型

其中，大型客站候車室的平面尺寸為180m×180m，層高為21m，中型客站候車室的平面尺寸為100m×31.2m，首層層高6m，二層層高10m。為便于分析，對模型進行了必要的簡化。

3.3 基于能耗的優化設計

在建筑設計中，圍護結構的遮陽系數及窗墻比、天窗比都會對建筑的照明和空調采暖能耗產生影響，以下我們分別對圍護結構的遮陽系數、建筑的窗墻比和天窗比進行模擬分析和優化設計。

結合我國幾個典型氣候區的特點，并參考現有節能標準，根據不同的氣候區給出常用的幾組外窗、透明屋頂遮陽系數的參數 (0.4～0.8)和幾組窗墻比 (0.2～0.7)、天窗比 (0～0.5)，通過模擬計算分析在不同的遮陽系數和窗墻比 (天窗比)的條件下，客站的冷熱負荷、室內照度的情況，進而得到相對應的空調電耗及照明電耗，從整體趨勢的變化總結出遮陽系數和窗墻比 (天窗比)的最優化設計建議。

以下給出了在溫和地區的一個大型客站的模擬實例，說明如何通過分析對比，確定合理的遮陽系數和窗墻比。

從圖13可以看到，位于溫和地區的大型客站，由于以冷負荷為主，隨著遮陽系數的增大，耗熱量變化不明顯，耗冷量增大顯著，采暖空調能耗增加，且空調采暖能耗的增加大于照明能耗的減少，因此溫和地區大型客站全年總耗電量隨著遮陽傳熱系數的增大而增大，總耗電量在第一、二組遮陽系數工況下的變化不明顯，考慮到采光的需求，推薦取第2組參數。

圖13 溫和地區大型客站能耗變化趨勢(不同的遮陽系數工況)

從圖14可以看到，位于溫和地區的大型客站，隨著天窗比的增大，空調能耗大幅增加，而照明能耗變化不大 (有側面采光)，因此溫和地區大型客站全年總耗電量隨著天窗面積的增大而增大，故推薦取天窗比為0.1(當采用遮陽系數即SC值為0.5的普通透光材料時)。

圖14 溫和地區大型客站能耗變化趨勢(不同的天窗比工況)

通過對建筑總體能耗的模擬分析，我們可以得到不同氣候區大中型客站的圍護結構遮陽系數和窗墻比的推薦值，如表4所示。

表4 透明圍護結構的推薦設計參數

3.4 客站采光優化設計

在能耗優化設計的基礎上，我們得到了客站圍護結構設計參數和窗墻比的優化設計值。為了驗證在上述窗墻比 (天窗比)及窗性能參數下，客站的采光是否能夠滿足要求，我們利用Radiance軟件對客站的采光進行了校核計算，并通過采光優化設計，改善室內的采光效果。這里以客站的主要功能空間候車室為例，并根據不同規模客站的特點，分別建立了大型和中型客站候車室的模型，進行計算機模擬分析。

3.4.1 中型客站采光優化設計

我們在Radiance中建立了中型客站的模型，通過改變窗的形式 (側窗和高側窗)和布置 (集中式開窗和分散式開窗)，通過對比分析，確定優化設計方案，并給出相應的建議 (圖15)。

這里我們給出了三種對比方案，這3種方案的開窗總面積相同，窗墻比約為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的首層側窗為分散式布置，二層的部分高側窗為集中式布置。材料的參數設定如表5所示。

圖15 中型客站采光優化分析模型

表5 材料光學性能參數

經過計算，各方案首層和二層的采光計算結果如表6所示。

表6 中型客站不同方案的采光計算結果

可以看到，三種方案的采光水平均能滿足采光設計標準要求 (≥2%)，但各方案的最大值和最小值存在一定的差異，這表明不同方案的采光均勻度是不同的，為了解其差別，以下給出了這幾種方案下的首層和二層采光分布情況。

從圖16來看，方案2、3的采光均勻性均優于方案1，這表明對于首層 (層高6m)而言，分散式的布置方式對于提高室內采光的均勻性是有利的。從圖17來看，方案1和方案3的采光均勻性要優于方案2，這表明對于二層 (層高10m)而言，當窗高增加時，采用偏集中式的布置方案對于改善采光有利。三個方案中，方案3的采光效果最佳，其低層窗采用了分散式布置，而高側窗采用了集中式布置。同時也說明，對于進深不大的客站，采用側面采光即可滿足要求，本實例中進深是窗高的5倍左右 (本案例為雙側采光)。

圖16 中型客站不同方案的首層采光分布

圖17 中型客站不同方案的二層采光分布

3.4.2 大型客站采光優化設計

根據同樣的方法可對大型客站的采光進行優化，為此我們在Radiance中建立了大型客站的模型，通過改變窗的形式 (側窗和天窗)以及布置方式 (集中式和分散式)，通過對比分析，確定優化設計方案，并給出相應的建議。所有模型中的窗墻比為0.3，天窗與地面面積比為0.1，天窗的透射比為50%，其他計算參數與小型客站的相同，此處不再贅述。

首先，我們對只有側面采光和頂部采光的情況進行了分析，模型如圖18所示。

圖18 只采用側窗或天窗的大型客站采光分析模型

這幾種方案下的采光分布如圖19所示。

圖19 只采用側窗或天窗的采光分布

可以看到，當只有側窗采光時，室內采光分布很不均勻，且存在大量采光較差的區域 (采光系數低于1%或0.5%)。同樣當只有天窗采光時，室內采光分布很不均勻，尤其是天窗集中布置時。而且由于客站中的乘客需要與室外有視線的交流，完全不用側窗的采光設計也難以令人接受。

為此，我們對同時采用天窗和側窗的幾種方案進行了對比 (圖20)。

其中，方案5采用了集中的天窗和集中的側窗布置;方案6采用了集中的天窗和分散的側窗布置;方案7采用了分散的天窗和集中的側窗布置;方案8采用了分散的天窗和分散的側窗布置。這幾種方案的采光計算結果如表7所示:

圖20 同時采用天窗和側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計算結果

這幾種方案的采光水平均能滿足采光設計標準要求，但均勻性有差異，這四種方案的采光分布如圖21所示。

可以看到，當天窗面積比為0.1時，即可滿足采光要求，從室內光環境和熱環境的要求來看，不宜采用過大面積的天窗;采用分散布置方案，室內采光的均勻性得到了明顯的改善，尤其是天窗采用分散布置后的效果更好。值得說明的是，方案8仍然存在優化的空間，通過進一步分散天窗，還可改善室內采光的均勻性。

3.5 小結

通過上述模擬分析，可以得到以下結論:

(1)從減低建筑總體能耗的角度，不宜采用過大面積的透光圍護結構，綜合考慮節能以及室內光環境等因素，客站的窗墻比取0.3，天窗與地面面積比取0.1(當采用SC值為0.5的普通透光材料時)是較為適宜的參數值，當取值增加時應采取相應的節能措施。

(2)客站透明圍護結構的SC值應根據氣候區和客站特點進行選擇。寒冷地區建議取為0.6～0.8，夏熱冬冷和夏熱冬暖地區建議取為0.5～0.6，溫和地區建議取為0.5～0.8。

圖21 同時采用天窗和側窗的采光分布

(3)在上述窗墻比 (天窗比)和窗性能參數的條件下，通過采光優化設計，能夠滿足采光的要求。

(4)對于中型客站，應優先采用側面采光的方式，同時增加窗戶的高度有利于增加房間內進深較大區域的采光水平;當采用單側采光時，房間的進深宜控制在窗高的2.5倍左右，當采用雙側采光時，房間的進深可增加到窗高的5倍左右;當客站層高較高時，采用側窗與高側窗結合的設計可改善室內的采光效果。

(5)對于進深較大的大型客站，僅依靠側面采光難以獲得滿意的采光效果，采用天窗的效果較好，但透光圍護結構面積應予以控制，不宜過大，同時采用分散布窗的方式可以改善室內的采光均勻度。

4 總結

客站的采光對其室內環境和能耗均有著重要的影響，因而采光的設計需要綜合考慮光環境效果和節能的因素。為定量分析采光對建筑能耗的影響情況，并提供相應的優化設計方法，課題組采用了現場調研和模擬分析相結合的研究方法。

通過對全國不同氣候區的16個客站進行現場調研和測試，課題組掌握了既有客站的采光照明現狀，得出以下結論:

(1)客站采光設計標準有待統一。開窗面積偏小，不能充分利用天然采光，會導致照明能耗偏高;開窗面積過大導致過多的太陽輻射進入室內，會造成室內過熱和空調能耗增加。

(2)客站的照明功率密度值應根據空間特點和使用功能要求確定合理的照明功率密度設計值、照明方式及照明設備。建議6m以下的客站空間照明功率密度值建議取為9～12W/m2，6～12m的空間取為12～15W/m2，12m以上的空間取為15～18W/m2。

(3)建議候車室和進站大廳的采光系數不宜低于2%，售票廳的采光系數不宜低于1%，站臺的采光系數值不宜低于5%。

(4)客站透明圍護結構的SC值應根據氣候區和客站特點進行選擇。寒冷地區建議取為0.6～0.8，夏熱冬冷和夏熱冬暖地區建議取為0.5～0.6，溫和地區建議取為0.5～0.8。

(5)從室內環境和節能的要求出發，客站透明圍護結構的面積不宜過大。當屋頂透光材料SC值為0.25、K值 (傳熱系數)為1.65時，天窗比宜不大于0.2。當采用SC值為0.5的普通透光材料時，天窗比宜不大于0.1。當天窗比大于0.2時，建筑能耗將顯著增加，應采取降低透光材料的SC值、更改遮陽方式或天窗形式等優化措施，并進行全年熱性能權衡判斷以實現節能目標;

(6)中型客站宜優先采用側面采光的方式，并應盡量增加窗戶的高度以改善房間內進深較大區域的采光。當客站層高較高時，采用分散的側窗與集中的高側窗布置可改善室內的采光效果。

(7)進深較大的大型客站宜采用頂部采光與側面采光相結合的設計，但透光圍護結構面積不宜過大，采用分散布窗的方式可以改善室內采光的均勻性。

通過現場調研和模擬分析，課題組掌握了現有客站的采光狀況，分析確定了合理的采光需求，并從室內環境和節能要求出發，給出了若干建議及優化設計的要點，對于客站采光設計具有重要的參考價值。

［1］建筑采光設計標準.GB/T 50033—2001.

［2］建筑照明設計標準.GB 50034—2004.

［3］管亞敏.鐵路大型客站大空間照明方案研究.鐵道工程學報，2008年4期.

［4］廖宇.鐵路客站照明節能設計的研究.建筑電氣，2009年7期.

［5］王磊，徐玉黨.某火車站自然采光與照明能耗的經濟性探討.2008鐵路暖通空調學術年會.

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［7］馬杰，谷立靜，林波榮，朱穎心.模擬技術在新廣州火車站節能設計中的應用.2009年全國暖通空調專業委員會空調模擬分析學組學術交流會論文集.

［8］清華大學DeST開發組著.建筑環境系統模擬分析方法——DeST.中國建筑工業出版社，2006年.