重慶地區單層廠房適用天窗類型分析及優化設計初探*

嚴永紅周治宏王 寧

(1.重慶大學建筑城規學院，重慶400045;2.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶400045;3.北京清華城市規劃設計研究院，北京100085)

1 引言

重慶是全國六大老工業基地之一，也是西南地區近代工業的發祥地、中國重要的工業城市［1，2］。十一五期間，重慶市建成市級特色工業園區41個，2011年1～9月這些園區實現工業總產值5702.6億元，同比增長45.7%。2011年度計劃工業固定投資1500億元，上半年已完成工業固定投資765.7億元，其中，園區完成基礎設施投達138.6億元。截止到9月，全市工業園區新建成標準廠房164.7萬平方米(不含代建出租廠房)，累計建成標準廠房838.9萬平方米［3］。在新一輪的重慶市“十二五”規劃綱要中提出“2020年前形成五大萬億元工業板塊”，相應的工業建設在未來幾年將得到更多政策支持和發展空間。隨著工業園區的發展，能耗也隨之不斷增加:2009年規模以上工業企業綜合能源消耗2767.01×10 000噸標準煤，占全市能耗總量的43%;2010年規模以上工業企業綜合能源消耗3207.27×10 000噸標準煤，占全市能耗總量的45%［4］。在不斷加劇的能源危機背景下，工業廠房設計如何做到既降低能耗，同時又有效地改善室內物理環境，是一個值得深入探討的問題。

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、提高工作學習效率。由于人眼的非視覺效應，光譜差異可影響人體的晝夜節律、體溫、機敏程度，進而影響工作效率及人體健康［5］。Tom DeMarco等人研究發現天然采光下的辦公環境會使人的工作效率、工作能力明顯提高［6］。Mustafa Kemal Alimoglu等人通過對141名醫學院護士進行的樣本實驗調查，發現每天至少接受3小時日光照射有利于減少工作壓力并提升工作滿意度［7］。因此，如何以節能和人性化設計為前提，同時兼顧光、熱環境而引入更優質合理的天然光，是現代工廠設計和改造的一個重點。

單層廠房室內天然光主要來源為側面采光和頂部采光，由于單層廠房跨度、進深普遍較大，頂部采光(天窗采光)可更有效地提高天然光利用率。常見天窗主要有以下三種形式:矩形天窗、鋸齒形天窗及平天窗。國內學者曾對這三類天窗進行過對比研究，如:山東建筑大學王剛、邵偉等對比了平天窗窗地比、天窗數量及間距等參數變化對室內體育館的采光系數、均勻度、光線方向性等的影響［8］。重慶大學彭鵬、鄭潔等分析了不同天窗面積的供冷、供熱及照明能耗節約量的變化規律［9］;嚴永紅、王寧等通過能耗模擬軟件進一步研究了平天窗的最佳窗地比取值范圍和排列方式［10］;華東交通大學彭小云等分析探討了天窗類型、傾角、朝向與能耗的關系［11］。研究顯示，平天窗采光效率最高，但眩光和過熱問題難以解決;矩形天窗、鋸齒形天窗采光效率略低，但在照度均勻度、防止眩光和控制熱量攝入等方面有明顯優勢。筆者對這幾種天窗在重慶地區單層廠房中的實際使用狀況進行了調查，希望從中找出更適合重慶地區氣候特點的天窗類型，并對其進行進一步優化設計研究。

2 重慶地區單層廠房天窗采光現狀調研

筆者選擇了重慶市茶園新區工業園區的部分單層廠房進行實地調查和相關數據搜集分析。

重慶市茶園工業園規劃面積120平方公里，主要為機械裝備和電子電器(IT)制造業(見圖1)。園區內單層廠房天窗類型以平天窗居多，有少量矩形天窗，無鋸齒形天窗。從中選取了五個2005年后建成的典型單層廠房車間進行天然采光現狀調研。

圖1 重慶市茶園工業園鳥瞰圖

2.1 調研內容

2.1.1 調研對象

重慶茶園工業園區5個單層廠房

2.1.2 調研內容

(1) 廠房典型區域內天然光采光狀況、天窗形式;(2) 室內外溫、濕度;(3) 全年廠房內光熱環境的評價。

2.1.3 測量工具及方法

(1) 室內外溫度及濕度:采用日產KANOMAX空氣質量檢測儀測量;

(2) 室內外照度值:采用國產遠方YF2006型照度計測量;

(3) 室內采光狀況及夏季熱舒適度狀況主觀評價:采用問卷調查。

2 .2 調研結果及分析

調研的五個單層廠房均為機加工車間，采光現狀如圖2所示。其中A、B、C三個車間測量當天為陰天，有小雨;D、E為同一聯合廠房的兩個不同典型區域，測量當天為多云天。

圖2 五個單層廠房采光現狀

2.2.1 調研數據與主觀評價

對五個車間的采光、通風現狀進行了測試，通過發放問卷，讓工人對空間的物理環境(明暗程度、眩光程度、通風狀況、熱環境)做出相應的評價，同時對五個車間的典型區域進行了光、熱數據采集，本文僅列出采光部分的調研數據(見表1):

表1 五個車間的采光狀況及主觀評價

2.2.2 調研結果分析

五個被測車間中，B車間使用了矩形天窗，調查中工人反映這個車間最昏暗。對比B、E兩個車間，在窗地比相同的情況下，E車間的采光系數、照度均勻度及平均照度值均優于B車間，但眩光較B車間重。證明平天窗的效率明顯高于矩形天窗，但如何解決眩光問題是一個較棘手的問題。分析三個使用平天窗的A、D、E車間的測試數據則進一步證明了這一點。

五個車間中，工人反映照度尚可、眩光較輕的為C車間，也是其中唯一一個采用組合天窗形式的車間。

根據(GB/T 50033—2001)《建筑采光設計標準》，上述五個車間應分別達到表2要求:

對照表1可知，盡管調研的五個車間室內平均照度值基本滿足規范要求，但采光系數及照度均勻度卻未達到規范要求(僅D車間的采光系數達標)。而問卷調查則反映出空間使用者(工人)普遍對光、熱環境不滿意，認為車間不少區域光線不足，另一些區域則眩光嚴重，且所有車間均存在夏季過熱問題。

表2 五個車間對應的天然采光規范要求

2.3 調研結論

通過本次調研，結合對重慶市相關設計院的走訪，對重慶地區單層廠房天然采光存在的問題總結如下:

(1) 重慶地區既有單層廠房的天然采光狀況并不理想，比較突出的問題是采光系數和照度均勻度指標沒有達到國家規范要求，不少室內工作區域必須靠人工照明補足。

(2) 三種天窗類型中平天窗的應用最廣泛，但與其他地區使用相同的標準化定型天窗產品，未考慮地區氣候差異，室內眩光和夏季過熱問題難以解決。組合天窗的綜合性能較單一平天窗更好，但在實踐中應用較少。

(3) 廠房方案設計階段普遍缺乏建筑物理技術支撐，在進行屋架構造、采光設計時，主要依靠經驗、套用標準圖進行設計，導致光、熱環境不佳。

3 單層廠房適用天窗類型分析

3.1 國外工廠天窗采光案例

與國內形成對比的是，在國外單層廠房中，鋸齒形天窗的應用卻十分普遍(見表3)。以下是筆者搜集的一些案例(圖3～圖7)，可以看出采用鋸齒形天窗的廠房類型很多，但這些鋸齒形天窗均在傳統天窗基礎上進行了一定的改進，使采光效率得到了很大提高。

與國內的鋸齒形天窗相比，國外的鋸齒形天窗無論從構造形式還是安裝方式，及與其他裝置(如人工照明裝置，屋頂太陽能板)的結合來看，都更為成熟且多樣化。上述實例也證明了傳統天窗形式經過改良和升級是完全可以滿足現代工業廠房高標準室內光、熱環境需求的。

表3 國外鋸齒形天窗使用案例

圖3 美國Ford組裝工廠

圖4 意大利法拉利生產車間

3.2 單層廠房適用天窗類型分析

平天窗的優點是采光效率高、結構簡單、施工方便，適用于多種廠房結構形式。但其缺陷也十分明顯:照度均勻度差、眩光嚴重、照度變化劇烈，難以形成相對穩定的光環境、熱環境差等。因此，在國外新建的單層廠房中，使用平天窗的廠房數量已大大減少。

圖5 德國哈斯激光廠

圖6 伊朗Paykar Bonyan Panel工廠

圖7 加拿大Niigon Technologies制造車間工廠

而鋸齒形天窗利用傾斜頂棚作為反光面，光線均勻柔和，光環境相對穩定;北向鋸齒形天窗還可防止直射陽光進入造成眩光和過熱。此外，鋸齒形天窗形式豐富，可創造出富于變化、更為有趣的室內空間環境，有利于塑造高品質、特色突出、更為人性化的現代廠房環境。

4 鋸齒形天窗優化探索

目前，鋸齒形天窗未在國內各類單層廠房中得到廣泛應用，其主要原因一是采光效率低于平天窗，另一個原因在于其結構、施工相對復雜，成本較高。由于國內多年以來一直沿用傳統平天窗，未對鋸齒形天窗架及相應的配套構件進行開發，造成目前鋸齒形天窗的設計、研發、制造及應用大大落后于國外的現狀。要改變這種狀況，必須首先解決如何通過合理的優化設計，有效提高采光效率這一問題。

4.1 提升采光效率和光環境品質

4.1.1 材料優化

鋸齒形天窗通常由一個傾斜反光面、兩個三角形側面和一個開窗面組成。為保證采光效率，應選擇透射比高的采光材料及高反射比的室內表面材料。如圖8所示，通過提高傾斜反光面及相鄰屋面反射比，可提高采光效率。

圖8 提高材料透射比及反射比

4.1.2 結構優化

(1) 改變傾斜面曲率以增強光線的漫反射，可提高采光效率、改善采光均勻度。圖9為Ecotect軟件模擬對比結果。

圖9 改變傾斜面曲度后的采光效果對比模擬

(2) 改變開窗面的角度也可有效提高采光效率，如圖10所示。曾有實驗表明，在采光效率均為2%時，玻璃面有一定傾斜度的鋸齒形天窗比玻璃面垂直的情況下開窗面積減少了約1/3［13］。Ecotect軟件的對比模擬結果證明了這一點，見圖10。采用這種方式時需加強防雨措施。

4.1.3 增加輔助采光構件

(1) 屋面可調光反射板

鋸齒形天窗為單向采光系統，無論朝向如何，在全天某些時段都可能存在采光較弱的情況。在合適位置安置屋面光反射板可獲得更多反射光。反射板可為鋁制薄板等高反射率材料，反射板應可根據需要調節角度，以適應不同時刻太陽高度角的變化(見圖11)。

(2) 可控室內擴散擋板

使用室內擴散擋板一方面可使工作區域內的光線分布更均勻，另一方面可避免直射眩光。擋板間距的設計既要防止正午陽光直射，同時還要考慮當太陽高度角較低時，也無直射入人眼的陽光。如圖12［14］。擋板材質通常為高反射率的半透明啞光材料。

4.2 天窗—建筑節能一體化措施

4.2.1 照明節能

(1) 天然采光與人工照明的結合

在鋸齒形天窗附近設置傳感器，利用人工智能控制系統的連續調光模式，根據天然光照度變化及時調節人工照明的照度水平，使室內照度水平始終保持在一個適度的區域內。這一措施可有效降低照明能耗。

(2) 與太陽能的結合

將鋸齒形天窗與太陽能裝置組合，實現對太陽能的利用，也是近年來建筑節能一體化設計中常用的手段。鋸齒形天窗為太陽能的轉換提供了理想的場所:如，可在天窗傾斜面上鋪設太陽能光電板，為人工照明提供能量來源;而隨著既可透光、又可發電的太陽能玻璃的出現，使鋸齒形天窗由單純的采光功能升級為一個多功能的能量收集器;如果最近正在研發中的太陽能薄膜電池在不久的將來實現了商業化，則可使太陽能利用的成本大大降低，有利于新型多功能鋸齒形天窗的推廣。

圖10 不同開窗面角度采光模擬

圖11 屋面可調光反射板

圖12 可控室內擴散擋板

4.2.2 改善熱工性能

與平天窗相比，鋸齒形天窗除可提供更優質的室內光環境外，如設計得當，通過對天窗構造的改進及選擇熱工性能更為優越的采光材料，可使室內熱環境得到很大的改善。如，在天窗內部構造設計中考慮對夏季直射陽光的遮擋;采用熱工性能良好的新型節能玻璃，如Low-E玻璃、調光玻璃等減少夏季熱量的攝入及冬季室內熱量的逃逸。

5 結語

目前重慶地區單層廠房的室內光、熱環境普遍較差，天窗形式單一。本文的研究表明，實踐中大量使用的平天窗并不適合重慶地區，鋸齒形天窗具有更好的光、熱性能。但鋸齒形天窗難以推廣的主要原因在于，一是建筑設計環節中缺乏專業采光設計團隊的參與，設計院在進行采光設計時依據慣例，套用以往廠房的設計模式，導致廠房采光模式幾十年不變;二是由于建筑師對廠房新型天窗形式缺乏足夠的了解，導致各天窗生產廠家對開發新品缺乏動力。因此，即使有少數建筑師或照明專家希望采用性能更好的新型鋸齒形天窗，卻購買不到合適的成品，也找不到有足夠經驗的施工單位進行施工。要改變這一狀況，需要建筑師、采光照明專家、生產企業的共同努力。

研究、開發并推廣新型多功能鋸齒形天窗，是一項艱苦的工作。本文僅進行了初步的探索，旨在拋磚引玉，希望引起相關領域專家對這一工作的重視，共同努力來改善廠房的光、熱環境，為工人提供節能、環保、更為人性化的工作環境。

本項目受校企合作項目《重慶地區工業廠房天然采光及室內照明研究》(深圳市金照明實業有限公司)、《嘉陵集團公司整體遷建及技改項目聯合廠房/造型室天窗采光及室內照明研究》(中國機械工業第三設計研究院)項目資助。在此對合作方表示感謝!

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