夏熱冬冷地區高鐵站房被動式采光與節能設計研究

程佳陽，唐 萌

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

1 引言

建筑的圍護結構在阻擋部分太陽輻射進入室內的同時改善了室內光環境，也改變了建筑的能量系統構成。圍護結構的熱工性能和光學性能是兩項重要的參數。熱工性能關系到建筑的采暖制冷能耗，而光學性能關系到室內光環境質量、照明能耗與系統的輸出電量。建筑采暖制冷能耗，照明能耗和輸出電量耦合形成了新的建筑能量特性。本文采用數值模擬和數學計算的方法對光熱性能耦合進行研究。在建筑性能模擬與優化過程中，選擇敏感程度高的設計參量作為建筑優化參量可提升建筑性能，提高建筑使用舒適度。敏感性分析是對不確定參數確定一個基礎值，在其附近進行敏感性分析，探究單參數的變化對整體帶來的影響。

2 研究思路及模型參數設置

2.1 天窗形式

針對候車大廳屋頂天窗的分布，設定了4種不同的工況，每種工況的天窗位置各不相同，總面積一致。進行模擬計算，得出各工況下的候車大廳室內光熱環境和能耗的數據進行對比分析，得出較優的工況作為對候車大廳的優化設計。

工況1：天窗的區域有1個，集中式天窗面積為40 m×300 m；工況2：天窗的區域有4個，分散式天窗每個區域面積都為60 m ×50 m；工況3：天窗的區域有8個，分散式天窗每個區域面積都為50 m ×30 m；工況4: 天窗的區域有16個，分散式天窗每個區域面積都為50 m×15 m。

2.2 高寬比

由相關研究可知，我國夏熱冬冷地區部分大型鐵路客站候車大廳的高度在20～40 m 之間，寬度在 50～180 m 之間，高寬比在 0.2～0.4左右。本文基于高寬比0.2～0.4的適宜區間，選取0.15、0.20、0.25和0.30共4種高寬比變量進行光熱環境和能耗對比研究。模型寬為150 m。

2.3 圍護結構

雙層玻璃組合幕墻，室外側幕墻為6+12A+6鋼化LOW-E中空玻璃，室內側幕墻為6 mm單片鋼化玻璃，雙層構造的組合玻璃幕墻之間有600 mm的空氣層，傳熱系數為0.60W/(m2·K)。屋頂天窗材料采用聚碳酸酯高強度板，透光率達到82%；密度1.2 g/cm3。

3 基于高寬比變化和天窗傳熱系數變化的全年能耗分析

敏感性分析各需要一組基礎值，因此本文結合設計標準設定參數，研究鐵路站房主要對5種不同的高寬比和4種不同的天窗傳熱系數進行了敏感性分析，以0.10～0.30和2.0～2.3兩個變化閾值建立20個模型，進行建筑模擬分析，并將全年能耗進行對比，見表1。

表4 能耗綜合統計 單位面積能耗W/(m2·K)

由表1可知，模擬能耗隨著天窗傳熱系數的增大和高寬比的增加呈遞增趨勢，由于高寬比的增大，通過圍護結構進入室內的導熱量增大，暖通空調的能耗隨之變大。為了分析大空間公共建筑的能耗特征，進一步研究不同工況的天窗形式對冷熱能耗的影響，本文選擇高寬比為0.25的工況舉例進行冷熱能耗對比分析。

在夏熱冬冷地區，大型鐵路站房夏季的供冷能耗量巨大，遠超冬季的供熱能耗，如何減少供冷能耗是值得重點研究的問題。由表1看出在傳熱系數為2.1時能耗增加明顯，在傳熱系數為2.2及以后能耗趨于穩定。因此，在綜合考慮規定的圍護結構傳熱系數參考值、實際節能效果的前提下，夏熱冬冷地區公共建筑外墻保溫材料可選擇石墨聚苯乙烯保溫板。

4 基于高寬比變化和天窗傳熱系數變化的敏感性分析

根據能耗計算結果，對建筑高寬比和天窗傳熱系數進行了敏感性系數計算。采用了敏感性分析法，在簡化條件下, 對于夏熱冬冷地區大型公共建筑能耗分組的影響因素，以取值范圍為準，將數據歸一化，再進行敏感性分析，得出相應敏感度進行比較研究。

其中，ei為基準模型外墻傳熱系數歸一化數值，Δei為對比模型對比與基準模型所產生的變化量數值，計算得出不同高寬比變化和傳熱系數變化對能耗影響的敏感度系數(表2、3)。

表2 高寬比模型敏感性分析計算

在常規的節能標準中，建筑高度對于建筑能耗的影響難以衡量。在鐵路站房建筑中，高寬比的變化又直接影響著建筑的整體能耗，因此在研究中，以普適性模型為基準，分別建立高寬比0.10～0.30共5個的建筑模型進行對比，分析建筑高寬比變化對建筑能耗敏感性影響。

由敏感性系數計算和權重計算可知，隨著建筑高寬比的變化，建筑單位面積能耗遞增。高寬比從0.20增加到0.25時，敏感性系數由0.605增長到0.825，敏感度系數的增加，說明高寬比的減小對單位面積年總能耗的影響變得更明顯，對于建筑整體的能耗影響更大。在綜合考慮實際節能效果的前提下，高寬比為0.25的模型在得到更大的空間時，其能耗增長較低。因此，在夏熱冬冷地區進行大型鐵路站房設計時選擇高寬比為0.25是比較合適的。

表3 傳熱系數模型敏感性分析計算

從前面的能耗計算結果和敏感性分析中，將不同天窗傳熱系數的敏感度系數同建筑能耗變化對比來看，如表3所示，在K值為2.0W/(m2·k)基礎上，傳熱系數的降低對于建筑單位面積供熱能耗的減少十分明顯，對于建筑單位面積供冷能耗的影響不大。相對于基準模型， K值為2.3W/(m2·k)情況下，單位面積的建筑供熱能耗增加了37.39%。因此，降低天窗的傳熱系數，提高其熱工性能對建筑節能有利。從不同天窗傳熱系數對于敏感度系數的影響分析來看，說明了傳熱系數的減少對于建筑的能耗影響大。

由敏感性系數計算和權重計算可知，建筑高寬比變化的權重系數在0.39～1.05之間，天窗傳熱系數變化的權重系數在0.258～0.269之間。相比傳熱系數，建筑高寬比對建筑能耗具有更強的敏感性。傳熱系數為2.3時能耗的敏感性系數最大，傳熱系數為2.3時權重系數增加較小，對整體能耗影響較小。隨著天窗傳熱系數的變化，建筑單位面積能耗遞增。在綜合考慮實際節能效果的前提下，天窗傳熱系數為2.3的模型對比天窗傳熱系數為2.2，單位時間傳遞進入室內的熱量更多，且其能耗增長較低，敏感性系數增長較低。因此，在夏熱冬冷地區進行大型鐵路站房設計時選擇天窗傳熱系數為2.3是合適的。

5 候車廳主要參數正交實驗

以中央候車大廳為例，采用上文數據，構建正交試驗表。影響空調負荷的主要影響因素為：建筑高寬比、天窗K值與SHGC值、天窗比4個因素；而對于進站廳而言，影響的因素為：窗墻比、外窗K值與SHGC值、外墻K值，構建正交實驗表。每個因素取3個水平，分別計算各對應工況下的空調負荷。

利用9次正交試驗的數值，計算出各因素的回歸系數，將回歸系數放入到的正交試驗表，可得到擬合公式：

(1)

根據擬合公式，可以得出影響空調負荷的因素排序及影響程度，如表4所示，影響鐵路客運站候車廳空調負荷因素的重要性排序為：天窗K值>天窗的SHGC值>屋面K值。

表4 影響因素分析

6 結論

本文以能耗和采光為導向，分析了天窗形式和建筑高寬比2種參數的采光情況和能耗情況。對面積相同，聚散形式不同的4種天窗以及3種建筑高寬比工況下的采光分析和能耗分析。對建筑高寬比和4種天窗傳熱系數進行了能耗計算，基于能耗計算結果進行敏感性分析，對敏感性系數進行計算，依據各參數對能耗的影響對其進行排序。通過敏感度系數的計算對比，然后通過正交實驗進行了驗證。結論如下。

(1)在工況1(集中式天窗)下，相比分散式天窗工況室內采光系數高1%～2%，總體采光能力更強；4種工況在同一高寬比下能耗相差不大，分散式能耗較低，相比工況1，工況4分散式天窗可減少2%的能耗。

(2)權重計算結果顯示建筑高寬比變化的權重系數在0.39～1.05之間，天窗傳熱系數變化的權重系數在0.15～0.30之間。相比天窗傳熱系數，建筑高寬比對建筑能耗具有更強的敏感性。

(3)3種傳熱系數下，總能耗值基本相同，由于夏季傳熱系數大時空調能耗小，而冬季采暖能耗又隨傳熱系數的增大而增大，夏季和冬季能耗的增減量相互抵消，全年總能耗傳熱系數對總能耗的影響很小。在夏熱冬冷地區大空間進行天窗設計時，宜采取2.3的傳熱系數。

(4)通過正交實驗對候車廳各參數進行了影響程度排序，結論為：候車廳高寬比>天窗K值>天窗的SHGC值>屋面K值。