郑州东站天窗系统的采光和节能设计方案

赵俊波

(北京清华同衡规划设计研究院有限公司)

绿色和可持续建筑的本质在于平衡与协调内外环境，及用户之间不同的要求，而达成建筑与环境的自然融合。设计出与自然环境相和谐的建筑方案并不容易，合理解决天然采光，与热量平衡已经成为建筑设计中的一个亟待解决的问题。我国住宅在民用建筑面积中比重最高，且建设量大，因此建筑节能工作一直围绕住宅展开，却鲜有公共建筑节能的专题研究 (包括窗地比，各建筑的朝向，间距，材料等)。普通公共建筑的供热能耗与住宅基本相同，电耗指标却是普通居民住宅的2～3倍，这主要用于白天照明和制冷方面。郑州东站项目是通过天窗采光降低照明能耗和热能耗的一个探索与尝试。

1 建筑及照明情况介绍

郑州东站位于城市东部的郑东新区，是国家高速铁路网中的重要枢纽，车站总建筑面积41万平米，其中站房建筑面积约15万平米，站台雨蓬面积8万平米。候车厅位于高架层，中央为旅客候车区，候车区面积达27000平米 (见图1)。

图1 郑州东站候车大厅实景

为了获得良好的采光效果，降低日间人工照明能耗，建筑师设计了超大面积的顶向采光天窗，面积达到8800m2，占天花面积的1/3。顶向采光天窗虽然解决了白天的采光问题，但也会带来大量的直射太阳光进入，造成地面照度分布不均，并且增大空调负荷的附加影响。选择恰当天窗的透光性能将实现良好舒适的光环境并降低直射光辐射带来的热量。

目前，国内外常用的天窗透光材料见表1:

表1 常见天窗透光材料运用

综合材料的运用广泛度和造价等因素，郑州东站屋顶透光材料初步确定为Low-E中空玻璃。在此基础上，进行郑州东站天窗采光设计分析，步骤包括:

(1)确定适宜的大厅天然采光设计目标;

(2)确定最接近设计目标的天窗玻璃性能及构造方式;

(3)分析天窗光学性能与节能关系，并讨论2种天窗形式的能耗情况。

2 规范值的设定

《建筑采光设计标准》中没有对车站候车厅提供天然采光设计标准值，因此，大厅的采光设计应该满足:在不利状况下，天然采光提供的照度不低于人工照明提供的照度。

根据《建筑照明设计标准》规定，候车厅地面最小照度值为150 lx。同时，铁道部规定，候车厅室内地面最小照度值为200 lx。

《建筑采光设计标准》中规定，郑州处于Ⅲ类光气候区，室外天然光临界照度值为5000 lx。因此大厅采光设计应满足全阴天室外临界照度为5000 lx情况下，室内工作面最小照度值150 lx，条件许可的情况下应达到200 lx。根据《建筑采光设计标准》有关条文，顶部采光时室内采光均匀度不宜小于0.7。

综上，郑州东站天窗透光率总体控制目标为:

(1)天窗最小透光率应满足:在室外最不利情况下 (全阴天)大厅平均照度不小于200 lux;

(2)天窗最大透光率应满足:在室外最不利情况下 (夏至日正午)大厅平均照度不大于3000 lux。

3 天窗形式的设计

Low-E玻璃是公共建筑天窗中常用的透光材料。但对于本项目中的超大面积屋顶天窗，需要对天窗的采光和热工性能进行模拟分析，来指导天窗的材料选择和遮阳设计。以下将对使用low-E中空磨砂玻璃天窗和low-E中空安全玻璃天窗+可变角度穿孔板外遮阳系统，从采光和节能的综合性能，分析研讨解决方案。

郑州地处寒冷地区，本项目体型系数低于0.3，根据《河南省公共建筑节能设计标准实施细则》(DBJ 41/075－2006)的要求，天窗传热系数不高于2.7W/(m2K)，遮阳系数不高于0.50;外窗及透明幕墙传热系数不高于2.3 W/(m2K)，遮阳系数不高于0.60(以下所有分析计算外窗及透明幕墙采用low-E中空玻璃，透光率0.7)。天窗材料应满足室内全阴天情况下铁道部推荐的200lx的照度值。

3.1 方案一:low-E中空磨砂玻璃天窗

常规的low-E中空玻璃，采用断热型铝合金框架，其传热系数能做到低于2.3W/(m2K)。满足遮阳系数小于0.50，可选择的low-E中空玻璃其可见光透过率一般在0.50～0.62之间。磨砂玻璃天窗构造方案为:low-E夹胶安全中空磨砂玻璃 (6low-E+12A+6+PVB+6磨砂)，玻璃天窗系统遮阳系数低于0.5，可见光透过率0.336，全散射型。方案一的优点是造价相对低，缺点为透光率固定，无法根据太阳光调整进光量。

3.2 方案二:low-E中空安全玻璃天窗+可变角度穿孔板外遮阳系统

在常规的low-E中空安全玻璃天窗之上，设置特殊构造的外遮阳板。遮阳板由电脑系统控制，可根据不同太阳高度角，调整遮阳板的开闭状态。此方案的设计核心目的，是阻止大量的太阳直射光进入室内形成眩光;通过遮阳板的开启角度控制天窗的进光量，平衡早晚与中午以及不同天气条件下室内照度和均匀度。

遮阳板的形式如图2所示，由两片穿孔铝板组成，遮阳板可以绕轴旋转。

遮阳板轴向南北布置，上午太阳从东边射入，轴东侧的遮阳板水平横卧，轴西侧的遮阳板直立，西侧遮阳板法向与太阳光线入射角度一致 (即遮阳板追踪太阳)。在正午时候室外阳光太强烈，则所有遮阳板水平横卧，挡住大部分太阳光线。下午时太阳从西边射入，遮阳板变化正好跟上午时相反。

图2 可变角度穿孔板外遮阳构造示意图

方案二的优点是可以根据太阳高度角度，来调节进光量，缺点是对遮阳板的机械控制精度要求高，工程造价高。

以下是对两种天窗方案进行计算分析。相关光学、热工参数如表2所示。

表2 两种天窗方案参数列表

4 两种照明系统的选择

4.1 单独使用low-E夹胶安全中空磨砂玻璃(6low-E+12A+6+PVB+6磨砂)时

首先对单独使用low-E夹胶安全中空磨砂玻璃时的室内采光情况进行模拟分析:

全阴天时的照度情况分布见图3:

图3 全阴天时的照度情况分布

夏至日正午的照度情况分布见图4:

图4 夏至日正午的照度情况分布

根据全阴天条件下的计算结果可以看出，大厅室内平均照度高于200lx，天窗投影区域照度最高，照度值为400lx。天窗投影区以外区域，地面照度迅速降低，进站口附近照度为120lx。由计算可知，在天窗透光率0.336的条件下，大厅平均照度基本满足200lx，均匀度为0.3，均匀度偏低。

在晴天条件下，夏至日正午的计算结果可以看出，大厅室内平均照度为8000lx，天窗投影区域照度最高，照度值为10000lx。显然在目前的透光率下，大厅不能满足要求。根据线性关系推算出:要满足室内最大照度为3000lx的要求，天窗透光率应该为0.13。

根据以上模拟计算得出，使用low-E夹胶安全中空磨砂玻璃 (6low-E+12A+6+PVB+6磨砂)，不能满足照度和均匀度要求。同时根据推导得出:(1)在全阴天下，天窗最小透光率应大于0.336;(2)在夏至日正午，天窗最小透光率应为0.13左右。

4.2 使用Low-E玻璃加可变角度穿孔板外遮阳系统

下面将详细对比使用Low-E玻璃加可变角度穿孔板外遮阳系统，在冬至日和夏至日早中晚室内照度、亮度分析 (视野方向是大厅正中，由西向东)

从以上结果得出，在冬季，大厅地面照度全天都基本都在200～3000lx以内，照度分布较均匀。室内亮度除幕墙口、天窗口外，分布均匀，视觉舒适。郑州冬季中午太阳高度角低 (31.5度)，阳光很容易通过南侧幕墙进入室内，造成大厅南侧，尤其是天花区域亮度高于其它区域，但室内地面无明显亮斑。

在夏季，室内除透过遮阳板小孔的阳光外，其它区域照度分布比较均匀，室内照度基本在3000lx以下。除商业夹层以下的部分区域，需要补充人工照明，总体来看室内照度分布基本达到设计目标。亮度分布除天窗口、以及透过遮阳板形成的小面积局部亮斑外，其它表面亮度在全天变化分布均匀。

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5 能耗分析

通过全年能耗模拟计算得到阳光板天窗和玻璃天窗大厅冷负荷、热负荷、照明负荷各月统计表(表3)。从表3可以看出:

采用天窗方案二的用电总能耗更低，比方案一低约23%。这主要是得益于采用天窗外遮阳能根据日照情况进行进光量的调节，大大降低了夏季尤其是正午前后太阳辐射的热量，空调冷负荷降低了14%。冬季遮阳板打开角度与太阳光平行，尽可能多的保持进光量，冬季热负荷降低了6%。因为可变角度遮阳板的调节，大厅照明负荷也降低了3%。

从以上的能耗模拟计算看，天窗采用外遮阳系统可以有效降低空调系统的负荷，降低照明负荷，天窗的意义将不只是改善室内光环境，对本项目的节能亦是有贡献。

6 投资分析

通过经济指标对比分析两种天窗方案 (表4):

表3 候车大厅两种天窗方案的冷负荷、热负荷、照明负荷各月统计对比表

表4 两种天窗方案经济指标对比分析

7 小结

本项目大厅天窗面积、位置已经确定，天窗集中分布于屋面中间区域，采光设计的重点即控制一天里室内照度的均匀性，尽可能提高室内天然光视觉舒适性。

本项目固定透光率式天窗系统不能满足本项目宽幅的采光变化需要，适宜的天窗系统其透光率调节范围应能满足既大于0.336，又小于0.13的变化。本项目采用方案二:low-E中空安全玻璃天窗+可变角度穿孔板外遮阳系统

构造:low-E中空安全玻璃天窗 (6low-E+12A+6+PVB+6)，遮阳系数0.5，可见光透过率0.5，穿孔板穿孔率0.3，整个天窗系统的可见光透过率可以在0.15～0.5之间变化，遮阳系数也可以在0.15～0.5之间变化。

遮阳板穿孔率为0.3，控制方式为定时控制，节约了工程造价，具体方式根据计算结果确定为:

(1)在夏季，上午10点以前东侧遮阳板横卧，西侧遮阳板直立，10～15时全部横卧，14时以后与10时前相反;亦可采用较精确的方式:遮阳板轴向南北布置，上午太阳从东边射入，轴东侧的遮阳板水平横卧，轴西侧的遮阳板倾斜，西侧遮阳板法向与太阳光线入射角度一致 (即遮阳板追踪太阳)，在正午时候室外阳光太强烈则所有遮阳板水平横卧，挡住大部分太阳光线。下午太阳从西边射入，遮阳板变化正好跟上午时相反。

(2)在冬季，上午10点以前西侧遮阳板横卧，东侧遮阳板直立，10～15时全部直立，14时以后与10时前相反;亦可采用较精确的方式:遮阳板轴向南北布置，上午太阳从东边射入，轴东侧的遮阳板倾斜，轴西侧的遮阳板水平横卧，东侧遮阳板法向与太阳光线入射角度平行 (遮阳板追踪太阳)，在正午时候室外所有遮阳板水平直立，保证进光量。下午太阳从西边射入，遮阳板变化正好跟上午时相反。

本项目天窗方案不仅能较传统方案大大提升室内光环境，而且可以降低大厅照明负荷3%，降低大厅总体能耗23%，具有现实的节能意义。