重庆地区单层厂房适用天窗类型分析及优化设计初探*

严永红周治宏王 宁

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆400045;2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆400045;3.北京清华城市规划设计研究院，北京100085)

1 引言

重庆是全国六大老工业基地之一，也是西南地区近代工业的发祥地、中国重要的工业城市［1，2］。十一五期间，重庆市建成市级特色工业园区41个，2011年1～9月这些园区实现工业总产值5702.6亿元，同比增长45.7%。2011年度计划工业固定投资1500亿元，上半年已完成工业固定投资765.7亿元，其中，园区完成基础设施投达138.6亿元。截止到9月，全市工业园区新建成标准厂房164.7万平方米(不含代建出租厂房)，累计建成标准厂房838.9万平方米［3］。在新一轮的重庆市“十二五”规划纲要中提出“2020年前形成五大万亿元工业板块”，相应的工业建设在未来几年将得到更多政策支持和发展空间。随着工业园区的发展，能耗也随之不断增加:2009年规模以上工业企业综合能源消耗2767.01×10 000吨标准煤，占全市能耗总量的43%;2010年规模以上工业企业综合能源消耗3207.27×10 000吨标准煤，占全市能耗总量的45%［4］。在不断加剧的能源危机背景下，工业厂房设计如何做到既降低能耗，同时又有效地改善室内物理环境，是一个值得深入探讨的问题。

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、提高工作学习效率。由于人眼的非视觉效应，光谱差异可影响人体的昼夜节律、体温、机敏程度，进而影响工作效率及人体健康［5］。Tom DeMarco等人研究发现天然采光下的办公环境会使人的工作效率、工作能力明显提高［6］。Mustafa Kemal Alimoglu等人通过对141名医学院护士进行的样本实验调查，发现每天至少接受3小时日光照射有利于减少工作压力并提升工作满意度［7］。因此，如何以节能和人性化设计为前提，同时兼顾光、热环境而引入更优质合理的天然光，是现代工厂设计和改造的一个重点。

单层厂房室内天然光主要来源为侧面采光和顶部采光，由于单层厂房跨度、进深普遍较大，顶部采光(天窗采光)可更有效地提高天然光利用率。常见天窗主要有以下三种形式:矩形天窗、锯齿形天窗及平天窗。国内学者曾对这三类天窗进行过对比研究，如:山东建筑大学王刚、邵伟等对比了平天窗窗地比、天窗数量及间距等参数变化对室内体育馆的采光系数、均匀度、光线方向性等的影响［8］。重庆大学彭鹏、郑洁等分析了不同天窗面积的供冷、供热及照明能耗节约量的变化规律［9］;严永红、王宁等通过能耗模拟软件进一步研究了平天窗的最佳窗地比取值范围和排列方式［10］;华东交通大学彭小云等分析探讨了天窗类型、倾角、朝向与能耗的关系［11］。研究显示，平天窗采光效率最高，但眩光和过热问题难以解决;矩形天窗、锯齿形天窗采光效率略低，但在照度均匀度、防止眩光和控制热量摄入等方面有明显优势。笔者对这几种天窗在重庆地区单层厂房中的实际使用状况进行了调查，希望从中找出更适合重庆地区气候特点的天窗类型，并对其进行进一步优化设计研究。

2 重庆地区单层厂房天窗采光现状调研

笔者选择了重庆市茶园新区工业园区的部分单层厂房进行实地调查和相关数据搜集分析。

重庆市茶园工业园规划面积120平方公里，主要为机械装备和电子电器(IT)制造业(见图1)。园区内单层厂房天窗类型以平天窗居多，有少量矩形天窗，无锯齿形天窗。从中选取了五个2005年后建成的典型单层厂房车间进行天然采光现状调研。

图1 重庆市茶园工业园鸟瞰图

2.1 调研内容

2.1.1 调研对象

重庆茶园工业园区5个单层厂房

2.1.2 调研内容

(1) 厂房典型区域内天然光采光状况、天窗形式;(2) 室内外温、湿度;(3) 全年厂房内光热环境的评价。

2.1.3 测量工具及方法

(1) 室内外温度及湿度:采用日产KANOMAX空气质量检测仪测量;

(2) 室内外照度值:采用国产远方YF2006型照度计测量;

(3) 室内采光状况及夏季热舒适度状况主观评价:采用问卷调查。

2 .2 调研结果及分析

调研的五个单层厂房均为机加工车间，采光现状如图2所示。其中A、B、C三个车间测量当天为阴天，有小雨;D、E为同一联合厂房的两个不同典型区域，测量当天为多云天。

图2 五个单层厂房采光现状

2.2.1 调研数据与主观评价

对五个车间的采光、通风现状进行了测试，通过发放问卷，让工人对空间的物理环境(明暗程度、眩光程度、通风状况、热环境)做出相应的评价，同时对五个车间的典型区域进行了光、热数据采集，本文仅列出采光部分的调研数据(见表1):

表1 五个车间的采光状况及主观评价

2.2.2 调研结果分析

五个被测车间中，B车间使用了矩形天窗，调查中工人反映这个车间最昏暗。对比B、E两个车间，在窗地比相同的情况下，E车间的采光系数、照度均匀度及平均照度值均优于B车间，但眩光较B车间重。证明平天窗的效率明显高于矩形天窗，但如何解决眩光问题是一个较棘手的问题。分析三个使用平天窗的A、D、E车间的测试数据则进一步证明了这一点。

五个车间中，工人反映照度尚可、眩光较轻的为C车间，也是其中唯一一个采用组合天窗形式的车间。

根据(GB/T 50033—2001)《建筑采光设计标准》，上述五个车间应分别达到表2要求:

对照表1可知，尽管调研的五个车间室内平均照度值基本满足规范要求，但采光系数及照度均匀度却未达到规范要求(仅D车间的采光系数达标)。而问卷调查则反映出空间使用者(工人)普遍对光、热环境不满意，认为车间不少区域光线不足，另一些区域则眩光严重，且所有车间均存在夏季过热问题。

表2 五个车间对应的天然采光规范要求

2.3 调研结论

通过本次调研，结合对重庆市相关设计院的走访，对重庆地区单层厂房天然采光存在的问题总结如下:

(1) 重庆地区既有单层厂房的天然采光状况并不理想，比较突出的问题是采光系数和照度均匀度指标没有达到国家规范要求，不少室内工作区域必须靠人工照明补足。

(2) 三种天窗类型中平天窗的应用最广泛，但与其他地区使用相同的标准化定型天窗产品，未考虑地区气候差异，室内眩光和夏季过热问题难以解决。组合天窗的综合性能较单一平天窗更好，但在实践中应用较少。

(3) 厂房方案设计阶段普遍缺乏建筑物理技术支撑，在进行屋架构造、采光设计时，主要依靠经验、套用标准图进行设计，导致光、热环境不佳。

3 单层厂房适用天窗类型分析

3.1 国外工厂天窗采光案例

与国内形成对比的是，在国外单层厂房中，锯齿形天窗的应用却十分普遍(见表3)。以下是笔者搜集的一些案例(图3～图7)，可以看出采用锯齿形天窗的厂房类型很多，但这些锯齿形天窗均在传统天窗基础上进行了一定的改进，使采光效率得到了很大提高。

与国内的锯齿形天窗相比，国外的锯齿形天窗无论从构造形式还是安装方式，及与其他装置(如人工照明装置，屋顶太阳能板)的结合来看，都更为成熟且多样化。上述实例也证明了传统天窗形式经过改良和升级是完全可以满足现代工业厂房高标准室内光、热环境需求的。

表3 国外锯齿形天窗使用案例

图3 美国Ford组装工厂

图4 意大利法拉利生产车间

3.2 单层厂房适用天窗类型分析

平天窗的优点是采光效率高、结构简单、施工方便，适用于多种厂房结构形式。但其缺陷也十分明显:照度均匀度差、眩光严重、照度变化剧烈，难以形成相对稳定的光环境、热环境差等。因此，在国外新建的单层厂房中，使用平天窗的厂房数量已大大减少。

图5 德国哈斯激光厂

图6 伊朗Paykar Bonyan Panel工厂

图7 加拿大Niigon Technologies制造车间工厂

而锯齿形天窗利用倾斜顶棚作为反光面，光线均匀柔和，光环境相对稳定;北向锯齿形天窗还可防止直射阳光进入造成眩光和过热。此外，锯齿形天窗形式丰富，可创造出富于变化、更为有趣的室内空间环境，有利于塑造高品质、特色突出、更为人性化的现代厂房环境。

4 锯齿形天窗优化探索

目前，锯齿形天窗未在国内各类单层厂房中得到广泛应用，其主要原因一是采光效率低于平天窗，另一个原因在于其结构、施工相对复杂，成本较高。由于国内多年以来一直沿用传统平天窗，未对锯齿形天窗架及相应的配套构件进行开发，造成目前锯齿形天窗的设计、研发、制造及应用大大落后于国外的现状。要改变这种状况，必须首先解决如何通过合理的优化设计，有效提高采光效率这一问题。

4.1 提升采光效率和光环境品质

4.1.1 材料优化

锯齿形天窗通常由一个倾斜反光面、两个三角形侧面和一个开窗面组成。为保证采光效率，应选择透射比高的采光材料及高反射比的室内表面材料。如图8所示，通过提高倾斜反光面及相邻屋面反射比，可提高采光效率。

图8 提高材料透射比及反射比

4.1.2 结构优化

(1) 改变倾斜面曲率以增强光线的漫反射，可提高采光效率、改善采光均匀度。图9为Ecotect软件模拟对比结果。

图9 改变倾斜面曲度后的采光效果对比模拟

(2) 改变开窗面的角度也可有效提高采光效率，如图10所示。曾有实验表明，在采光效率均为2%时，玻璃面有一定倾斜度的锯齿形天窗比玻璃面垂直的情况下开窗面积减少了约1/3［13］。Ecotect软件的对比模拟结果证明了这一点，见图10。采用这种方式时需加强防雨措施。

4.1.3 增加辅助采光构件

(1) 屋面可调光反射板

锯齿形天窗为单向采光系统，无论朝向如何，在全天某些时段都可能存在采光较弱的情况。在合适位置安置屋面光反射板可获得更多反射光。反射板可为铝制薄板等高反射率材料，反射板应可根据需要调节角度，以适应不同时刻太阳高度角的变化(见图11)。

(2) 可控室内扩散挡板

使用室内扩散挡板一方面可使工作区域内的光线分布更均匀，另一方面可避免直射眩光。挡板间距的设计既要防止正午阳光直射，同时还要考虑当太阳高度角较低时，也无直射入人眼的阳光。如图12［14］。挡板材质通常为高反射率的半透明哑光材料。

4.2 天窗—建筑节能一体化措施

4.2.1 照明节能

(1) 天然采光与人工照明的结合

在锯齿形天窗附近设置传感器，利用人工智能控制系统的连续调光模式，根据天然光照度变化及时调节人工照明的照度水平，使室内照度水平始终保持在一个适度的区域内。这一措施可有效降低照明能耗。

(2) 与太阳能的结合

将锯齿形天窗与太阳能装置组合，实现对太阳能的利用，也是近年来建筑节能一体化设计中常用的手段。锯齿形天窗为太阳能的转换提供了理想的场所:如，可在天窗倾斜面上铺设太阳能光电板，为人工照明提供能量来源;而随着既可透光、又可发电的太阳能玻璃的出现，使锯齿形天窗由单纯的采光功能升级为一个多功能的能量收集器;如果最近正在研发中的太阳能薄膜电池在不久的将来实现了商业化，则可使太阳能利用的成本大大降低，有利于新型多功能锯齿形天窗的推广。

图10 不同开窗面角度采光模拟

图11 屋面可调光反射板

图12 可控室内扩散挡板

4.2.2 改善热工性能

与平天窗相比，锯齿形天窗除可提供更优质的室内光环境外，如设计得当，通过对天窗构造的改进及选择热工性能更为优越的采光材料，可使室内热环境得到很大的改善。如，在天窗内部构造设计中考虑对夏季直射阳光的遮挡;采用热工性能良好的新型节能玻璃，如Low-E玻璃、调光玻璃等减少夏季热量的摄入及冬季室内热量的逃逸。

5 结语

目前重庆地区单层厂房的室内光、热环境普遍较差，天窗形式单一。本文的研究表明，实践中大量使用的平天窗并不适合重庆地区，锯齿形天窗具有更好的光、热性能。但锯齿形天窗难以推广的主要原因在于，一是建筑设计环节中缺乏专业采光设计团队的参与，设计院在进行采光设计时依据惯例，套用以往厂房的设计模式，导致厂房采光模式几十年不变;二是由于建筑师对厂房新型天窗形式缺乏足够的了解，导致各天窗生产厂家对开发新品缺乏动力。因此，即使有少数建筑师或照明专家希望采用性能更好的新型锯齿形天窗，却购买不到合适的成品，也找不到有足够经验的施工单位进行施工。要改变这一状况，需要建筑师、采光照明专家、生产企业的共同努力。

研究、开发并推广新型多功能锯齿形天窗，是一项艰苦的工作。本文仅进行了初步的探索，旨在抛砖引玉，希望引起相关领域专家对这一工作的重视，共同努力来改善厂房的光、热环境，为工人提供节能、环保、更为人性化的工作环境。

本项目受校企合作项目《重庆地区工业厂房天然采光及室内照明研究》(深圳市金照明实业有限公司)、《嘉陵集团公司整体迁建及技改项目联合厂房/造型室天窗采光及室内照明研究》(中国机械工业第三设计研究院)项目资助。在此对合作方表示感谢!

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