夏热冬冷地区高铁站房被动式采光与节能设计研究

程佳阳，唐 萌

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068)

1 引言

建筑的围护结构在阻挡部分太阳辐射进入室内的同时改善了室内光环境，也改变了建筑的能量系统构成。围护结构的热工性能和光学性能是两项重要的参数。热工性能关系到建筑的采暖制冷能耗，而光学性能关系到室内光环境质量、照明能耗与系统的输出电量。建筑采暖制冷能耗，照明能耗和输出电量耦合形成了新的建筑能量特性。本文采用数值模拟和数学计算的方法对光热性能耦合进行研究。在建筑性能模拟与优化过程中，选择敏感程度高的设计参量作为建筑优化参量可提升建筑性能，提高建筑使用舒适度。敏感性分析是对不确定参数确定一个基础值，在其附近进行敏感性分析，探究单参数的变化对整体带来的影响。

2 研究思路及模型参数设置

2.1 天窗形式

针对候车大厅屋顶天窗的分布，设定了4种不同的工况，每种工况的天窗位置各不相同，总面积一致。进行模拟计算，得出各工况下的候车大厅室内光热环境和能耗的数据进行对比分析，得出较优的工况作为对候车大厅的优化设计。

工况1：天窗的区域有1个，集中式天窗面积为40 m×300 m；工况2：天窗的区域有4个，分散式天窗每个区域面积都为60 m ×50 m；工况3：天窗的区域有8个，分散式天窗每个区域面积都为50 m ×30 m；工况4: 天窗的区域有16个，分散式天窗每个区域面积都为50 m×15 m。

2.2 高宽比

由相关研究可知，我国夏热冬冷地区部分大型铁路客站候车大厅的高度在20～40 m 之间，宽度在 50～180 m 之间，高宽比在 0.2～0.4左右。本文基于高宽比0.2～0.4的适宜区间，选取0.15、0.20、0.25和0.30共4种高宽比变量进行光热环境和能耗对比研究。模型宽为150 m。

2.3 围护结构

双层玻璃组合幕墙，室外侧幕墙为6+12A+6钢化LOW-E中空玻璃，室内侧幕墙为6 mm单片钢化玻璃，双层构造的组合玻璃幕墙之间有600 mm的空气层，传热系数为0.60W/(m2·K)。屋顶天窗材料采用聚碳酸酯高强度板，透光率达到82%；密度1.2 g/cm3。

3 基于高宽比变化和天窗传热系数变化的全年能耗分析

敏感性分析各需要一组基础值，因此本文结合设计标准设定参数，研究铁路站房主要对5种不同的高宽比和4种不同的天窗传热系数进行了敏感性分析，以0.10～0.30和2.0～2.3两个变化阈值建立20个模型，进行建筑模拟分析，并将全年能耗进行对比，见表1。

表4 能耗综合统计 单位面积能耗W/(m2·K)

由表1可知，模拟能耗随着天窗传热系数的增大和高宽比的增加呈递增趋势，由于高宽比的增大，通过围护结构进入室内的导热量增大，暖通空调的能耗随之变大。为了分析大空间公共建筑的能耗特征，进一步研究不同工况的天窗形式对冷热能耗的影响，本文选择高宽比为0.25的工况举例进行冷热能耗对比分析。

在夏热冬冷地区，大型铁路站房夏季的供冷能耗量巨大，远超冬季的供热能耗，如何减少供冷能耗是值得重点研究的问题。由表1看出在传热系数为2.1时能耗增加明显，在传热系数为2.2及以后能耗趋于稳定。因此，在综合考虑规定的围护结构传热系数参考值、实际节能效果的前提下，夏热冬冷地区公共建筑外墙保温材料可选择石墨聚苯乙烯保温板。

4 基于高宽比变化和天窗传热系数变化的敏感性分析

根据能耗计算结果，对建筑高宽比和天窗传热系数进行了敏感性系数计算。采用了敏感性分析法，在简化条件下, 对于夏热冬冷地区大型公共建筑能耗分组的影响因素，以取值范围为准，将数据归一化，再进行敏感性分析，得出相应敏感度进行比较研究。

其中，ei为基准模型外墙传热系数归一化数值，Δei为对比模型对比与基准模型所产生的变化量数值，计算得出不同高宽比变化和传热系数变化对能耗影响的敏感度系数(表2、3)。

表2 高宽比模型敏感性分析计算

在常规的节能标准中，建筑高度对于建筑能耗的影响难以衡量。在铁路站房建筑中，高宽比的变化又直接影响着建筑的整体能耗，因此在研究中，以普适性模型为基准，分别建立高宽比0.10～0.30共5个的建筑模型进行对比，分析建筑高宽比变化对建筑能耗敏感性影响。

由敏感性系数计算和权重计算可知，随着建筑高宽比的变化，建筑单位面积能耗递增。高宽比从0.20增加到0.25时，敏感性系数由0.605增长到0.825，敏感度系数的增加，说明高宽比的减小对单位面积年总能耗的影响变得更明显，对于建筑整体的能耗影响更大。在综合考虑实际节能效果的前提下，高宽比为0.25的模型在得到更大的空间时，其能耗增长较低。因此，在夏热冬冷地区进行大型铁路站房设计时选择高宽比为0.25是比较合适的。

表3 传热系数模型敏感性分析计算

从前面的能耗计算结果和敏感性分析中，将不同天窗传热系数的敏感度系数同建筑能耗变化对比来看，如表3所示，在K值为2.0W/(m2·k)基础上，传热系数的降低对于建筑单位面积供热能耗的减少十分明显，对于建筑单位面积供冷能耗的影响不大。相对于基准模型， K值为2.3W/(m2·k)情况下，单位面积的建筑供热能耗增加了37.39%。因此，降低天窗的传热系数，提高其热工性能对建筑节能有利。从不同天窗传热系数对于敏感度系数的影响分析来看，说明了传热系数的减少对于建筑的能耗影响大。

由敏感性系数计算和权重计算可知，建筑高宽比变化的权重系数在0.39～1.05之间，天窗传热系数变化的权重系数在0.258～0.269之间。相比传热系数，建筑高宽比对建筑能耗具有更强的敏感性。传热系数为2.3时能耗的敏感性系数最大，传热系数为2.3时权重系数增加较小，对整体能耗影响较小。随着天窗传热系数的变化，建筑单位面积能耗递增。在综合考虑实际节能效果的前提下，天窗传热系数为2.3的模型对比天窗传热系数为2.2，单位时间传递进入室内的热量更多，且其能耗增长较低，敏感性系数增长较低。因此，在夏热冬冷地区进行大型铁路站房设计时选择天窗传热系数为2.3是合适的。

5 候车厅主要参数正交实验

以中央候车大厅为例，采用上文数据，构建正交试验表。影响空调负荷的主要影响因素为：建筑高宽比、天窗K值与SHGC值、天窗比4个因素；而对于进站厅而言，影响的因素为：窗墙比、外窗K值与SHGC值、外墙K值，构建正交实验表。每个因素取3个水平，分别计算各对应工况下的空调负荷。

利用9次正交试验的数值，计算出各因素的回归系数，将回归系数放入到的正交试验表，可得到拟合公式：

(1)

根据拟合公式，可以得出影响空调负荷的因素排序及影响程度，如表4所示，影响铁路客运站候车厅空调负荷因素的重要性排序为：天窗K值>天窗的SHGC值>屋面K值。

表4 影响因素分析

6 结论

本文以能耗和采光为导向，分析了天窗形式和建筑高宽比2种参数的采光情况和能耗情况。对面积相同，聚散形式不同的4种天窗以及3种建筑高宽比工况下的采光分析和能耗分析。对建筑高宽比和4种天窗传热系数进行了能耗计算，基于能耗计算结果进行敏感性分析，对敏感性系数进行计算，依据各参数对能耗的影响对其进行排序。通过敏感度系数的计算对比，然后通过正交实验进行了验证。结论如下。

(1)在工况1(集中式天窗)下，相比分散式天窗工况室内采光系数高1%～2%，总体采光能力更强；4种工况在同一高宽比下能耗相差不大，分散式能耗较低，相比工况1，工况4分散式天窗可减少2%的能耗。

(2)权重计算结果显示建筑高宽比变化的权重系数在0.39～1.05之间，天窗传热系数变化的权重系数在0.15～0.30之间。相比天窗传热系数，建筑高宽比对建筑能耗具有更强的敏感性。

(3)3种传热系数下，总能耗值基本相同，由于夏季传热系数大时空调能耗小，而冬季采暖能耗又随传热系数的增大而增大，夏季和冬季能耗的增减量相互抵消，全年总能耗传热系数对总能耗的影响很小。在夏热冬冷地区大空间进行天窗设计时，宜采取2.3的传热系数。

(4)通过正交实验对候车厅各参数进行了影响程度排序，结论为：候车厅高宽比>天窗K值>天窗的SHGC值>屋面K值。