基于光熱環(huán)境的工業(yè)建筑屋頂天窗參數(shù)優(yōu)化

魏貝貝 孟曉靜 王怡

1 西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安建筑科技大學(xué)）

2 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

3 西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院

工業(yè)建筑由于進(jìn)深和面積都較大，單純的側(cè)窗采光往往不能滿足室內(nèi)采光要求，屋頂一般都設(shè)置有一定面積的采光天窗[1]。采光天窗除了引入可見(jiàn)光之外，還會(huì)給室內(nèi)帶來(lái)大量太陽(yáng)輻射熱量，通常會(huì)造成工業(yè)建筑夏季過(guò)熱現(xiàn)象[2-3]，因此廠房天窗設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能地保證天窗采光和集熱作用的平衡，天窗面積大小應(yīng)將室內(nèi)的采光需要和室內(nèi)熱環(huán)境綜合考慮，屋頂天窗面積大小用屋頂天窗面積比反映，定義為屋頂透光部分面積與屋頂總面積之比。本文針對(duì)自然通風(fēng)類工業(yè)建筑，以夏熱冬冷地區(qū)為例，選取武漢為代表城市。利用EnergyPlus 軟件對(duì)工業(yè)建筑室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行模擬，分析天窗面積比對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。并利用Radiance 進(jìn)行采光模擬，給出在不同窗墻比下最優(yōu)天窗面積比，為工業(yè)建筑天窗優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模擬方法

1.1 熱環(huán)境模擬方法

采用EnergyPlus v8.1 對(duì)工業(yè)建筑室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行分析和模擬，EnergyPlus 是由美國(guó)能源部和勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在軟件BLAST 和DOE-2 基礎(chǔ)上共同開(kāi)發(fā)的一款建筑能耗模擬軟件，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性已通過(guò)驗(yàn)證[4]。根據(jù)對(duì)既有工業(yè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)分布特征調(diào)研的結(jié)果[5]，建立典型工業(yè)建筑模型如圖1所示，模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖1 基準(zhǔn)建筑EnergyPlus 模型

表1 工業(yè)建筑模型參數(shù)設(shè)置

由于工作環(huán)境溫度超過(guò)30 ℃時(shí)可能會(huì)造成工作效率的下降并對(duì)健康產(chǎn)生危害[6]，定義空氣溫度超過(guò)30 ℃的小時(shí)數(shù)為高溫小時(shí)數(shù)。室內(nèi)余熱強(qiáng)度設(shè)置為3 W/m3，通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)置為冬季0.5 次/h，夏季1.5次/h，過(guò)渡季1 次/h，研究了不同窗墻面積比條件下屋頂天窗面積比對(duì)室內(nèi)高溫小時(shí)數(shù)的影響。

1.2 采光模擬方法

采用Ecotect 軟件調(diào)用Radiance 程序的方法進(jìn)行采光模擬。Ecotect 是由英國(guó)開(kāi)發(fā)的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)軟件，被廣泛應(yīng)用于生態(tài)節(jié)能、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，但是其計(jì)算精度均較差[7]。Radiance 是美國(guó)勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的靜態(tài)光環(huán)境模擬軟件，計(jì)算精度高，擴(kuò)展性強(qiáng)，Radiance 采用的是反向射線追蹤算法（Reverse raytracing algorithm），被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛的用在各方面的采光研究中，得到學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可[8]。

對(duì)于跨度和進(jìn)深都較大的工業(yè)建筑，側(cè)窗選擇高側(cè)窗更有工作面的采光均勻度[9]。因此模型側(cè)窗全部采用高側(cè)窗，窗臺(tái)底部距地面的高度為8 m。為了保證采光的均勻度，在建立工業(yè)建筑模型時(shí)將側(cè)窗和天窗盡可能均勻的排布，示意圖如圖2。

圖2 采光計(jì)算模型示意圖

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033-2013[10]的規(guī)定，采光參考平面距地面為1 m，參考平面網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m，參考平面網(wǎng)格總數(shù)為6000 個(gè)。采光效果除了受模型幾何尺寸的影響外，還受到模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)透光率、反射率等系數(shù)的影響，影響采光效果的主要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 采光模型參數(shù)設(shè)置

Radiance 提供的四種天空模型分別為CIE 晴天空模型、CIE 全陰天模型、Intermediate 過(guò)度季節(jié)天空模型Uniform Sky 模型。由于冬至日代表了一年當(dāng)中日照的最不利工況，選擇冬至日作為采光計(jì)算日期，從9:00～17:00 對(duì)工作面照度進(jìn)行逐時(shí)模擬，對(duì)應(yīng)的天空模型為CIE 全陰天模型。氣象文件加載武漢市典型氣象年數(shù)據(jù)，該氣象文件的數(shù)據(jù)與EnergyPlus 所用的氣象文件來(lái)源相同，保證了室內(nèi)熱環(huán)境模擬與采光模擬的氣象條件一致性。

標(biāo)準(zhǔn)[10]根據(jù)作業(yè)精確度將工業(yè)廠房的采光要求分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個(gè)等級(jí)，不同采光等級(jí)對(duì)工作面平均照度提出了不同的要求，并給出不同采光等級(jí)下單獨(dú)側(cè)窗采光的窗地面積比推薦值和單獨(dú)頂部采光的窗地面積比推薦值。但工業(yè)建筑常常是以側(cè)窗和天窗結(jié)合的方式進(jìn)行采光，根據(jù)文獻(xiàn)[11]對(duì)工業(yè)建筑的分類，自然通風(fēng)類工業(yè)建筑主要對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[10]中采光等級(jí)為Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)工業(yè)建筑。因此，針對(duì)采光等級(jí)為Ⅲ級(jí)和Ⅳ的工業(yè)建筑，給出不同窗墻面積比下最優(yōu)的天窗面積比取值。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 天窗面積比對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響

本文以高溫小時(shí)數(shù)作為夏季室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)，利用Python 編程語(yǔ)言對(duì)EnergyPlus 的模擬結(jié)果CSV 文件中的逐時(shí)空氣溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得夏季（6 月15 號(hào)～9 月30 號(hào)）8:00～21:00 的高溫小時(shí)數(shù)，不同窗墻面積比（WWR）條件下屋頂天窗面積比對(duì)室內(nèi)高溫小時(shí)數(shù)的影響如圖3 所示。

圖3 天窗面積比對(duì)高溫小時(shí)數(shù)的影響

從圖3 中可以看出，當(dāng)窗墻面積比和室內(nèi)余熱強(qiáng)度一定時(shí)，高溫小時(shí)數(shù)隨著天窗面積比的增大顯著增加，而窗墻比對(duì)高溫小時(shí)數(shù)的影響不明顯。這是由于對(duì)于側(cè)窗，夏季白天室內(nèi)的熱量要通過(guò)窗戶傳熱向室外散發(fā)，同時(shí)太陽(yáng)輻射會(huì)透過(guò)窗戶玻璃使室內(nèi)獲得熱量，由于窗戶的雙向傳熱使得總體上的絕對(duì)得熱量很小，因此窗墻面積比對(duì)高溫小時(shí)數(shù)影響很小。夏季天窗太陽(yáng)光入射角大于側(cè)窗入射角，通過(guò)天窗的太陽(yáng)輻射得熱量大于側(cè)窗的太陽(yáng)輻射得熱量，因此天窗面積比對(duì)夏季室內(nèi)熱環(huán)境影響很大。

所以對(duì)于工業(yè)建筑，在滿足室內(nèi)工作面所需照度的前提下，從室內(nèi)熱環(huán)境的角度考慮，應(yīng)盡量減小屋頂天窗面積比。

2.2 采光計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)Ecotect 調(diào)用Radiance 進(jìn)行采光模擬計(jì)算，得到冬至日9:00-17:00 的工作面逐時(shí)平均照度。當(dāng)窗墻面積比為0.05～0.2 時(shí)，計(jì)算天窗面積比(SSR)為0.05～0.1 時(shí)的工作面逐時(shí)平均照度。當(dāng)窗墻面積比為0.2～0.3 時(shí)，計(jì)算天窗面積比為0.03～0.06 時(shí)的工作面逐時(shí)平均照度。模擬結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在全陰天天空狀態(tài)下，冬至日工作平面的平均照度在一天當(dāng)中隨時(shí)間呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是受太陽(yáng)高度角的影響，室內(nèi)平均照度在12:00-13:00 時(shí)達(dá)到峰值。

圖4 不同天窗面積比冬至日照度

對(duì)于采光等級(jí)為Ⅲ級(jí)的工業(yè)建筑，標(biāo)準(zhǔn)[10]規(guī)定其室內(nèi)工作面照度標(biāo)準(zhǔn)值為300 Lux。由圖4 可知，在窗墻面積比為0.05～0.3，通過(guò)改變天窗面積比并不能使室內(nèi)工作面平均照度在17:00 時(shí)滿足要求，因此以室內(nèi)工作面平均照度在9:00～16:00 時(shí)間段內(nèi)滿足照度要求為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同窗墻面積比下最優(yōu)天窗面積比進(jìn)行取值。當(dāng)窗墻面積比WWR≤0.1 時(shí)，天窗面積比取0.09，冬至日室內(nèi)工作面平均照度在9:00-16:00 都能滿足照度標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)窗墻面積比0.1＜WWR≤0.2 時(shí)，天窗面積比取0.06，冬至日室內(nèi)工作面平均照度在9:00-16:00 都能滿足照度標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)窗墻面積比0.2＜WWR≤0.3 時(shí)，天窗面積比取0.03，冬至日室內(nèi)工作面平均照度在9:00-16:00 都能滿足照度標(biāo)準(zhǔn)值。因此，對(duì)于采光等級(jí)為Ⅲ級(jí)的工業(yè)建筑，在不同窗墻面積比下其天窗面積比推薦值如表3 所示。

表3 Ⅲ級(jí)采光要求時(shí)天窗面積比推薦值

對(duì)于采光等級(jí)為Ⅳ級(jí)的工業(yè)建筑，標(biāo)準(zhǔn)[10]規(guī)定其室內(nèi)工作面照度標(biāo)準(zhǔn)值為150 Lux。從圖3 中可以看出當(dāng)窗墻面積比WWR≤0.1 時(shí)，天窗面積比取0.05 可滿足冬至日9:00～16:00 工作面的照度要求。當(dāng)單獨(dú)采用側(cè)窗采光，窗墻面積比WWR＞0.2 時(shí)，冬至日參考平面平均照度如圖5 所示。由圖5 可以看出，當(dāng)窗墻面積比大于0.2 且屋頂不設(shè)置采光天窗時(shí)，冬至日工作面平均照度在9:00-16:00 能夠滿足采光的照度需求。當(dāng)窗墻面積比0.1 ＜WWR ≤0.2 時(shí)，天窗面積比為0.02～0.05 時(shí)的工作面逐時(shí)平均照度如圖6 所示。由圖6 可以看出，當(dāng)窗墻面積比0.1＜WWR≤0.2 時(shí)，天窗面積比取0.03 冬至日工作面平均照度除16:30 以后的時(shí)間都能滿足采光照度標(biāo)準(zhǔn)值。因此，對(duì)于采光等級(jí)為Ⅳ級(jí)的工業(yè)建筑，在不同窗墻面積比下天窗面積比推薦值如表4 所示。

表4 Ⅳ級(jí)采光要求時(shí)天窗面積比推薦值

圖5 單獨(dú)側(cè)窗采光冬至日照度

圖6 Ⅳ級(jí)采光要求不同天窗面積比冬至日照度

4 結(jié)論

針對(duì)自然通風(fēng)類工業(yè)建筑，利用能耗軟件EnergyPlus 和采光模擬軟件Radiance 分別對(duì)工業(yè)建筑進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境模擬和自然采光模擬，給出了工業(yè)建筑在不同窗墻面積比下最優(yōu)的屋頂天窗面積比，主要結(jié)論如下：

1）屋頂天窗比例對(duì)工業(yè)建筑夏季室內(nèi)熱環(huán)境影響很大，在滿足采光照度需求的前提下，應(yīng)盡量減小天窗面積比。

2）對(duì)采光等級(jí)為Ⅲ級(jí)的工業(yè)建筑，當(dāng)窗墻面積比WWR≤0.1 時(shí)，天窗面積比推薦值為0.09。當(dāng)窗墻面積比0.1＜WWR≤0.2 時(shí)，天窗面積比推薦值為0.06。當(dāng)窗墻面積比0.2＜WWR≤0.3 時(shí)，天窗面積比推薦值為0.03。

3）對(duì)采光等級(jí)為Ⅳ級(jí)的工業(yè)建筑，當(dāng)窗墻面積比WWR≤0.1 時(shí)，天窗面積比推薦值為0.05。當(dāng)窗墻面積比0.1＜WWR≤0.2 時(shí)，天窗面積比推薦值為0.03。當(dāng)窗墻面積比0.2＜WWR≤0.3 時(shí)，依靠側(cè)窗采光即可滿足室內(nèi)采光要求，可不設(shè)屋頂采光天窗。