夏热冬暖地区中小型铁路客站候车厅自然采光优化设计——以海口某高铁站为例.pdf
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1、GreenBuildingsJournalofBEENo.7 in 2023(Total Vol.51.No.389)绿色建筑2023年第7 期(总第51卷第3 8 9期)建筑节能(中英文doi:10.3969/j.issn.2096-9422.2023.07.001夏热冬暖地区中小型铁路客站候车厅自然采光优化设计以海口某高铁站为例范征宇,徐徐若变”,刘加平b(西安建筑科技大学a.西部绿色建筑国家重点实验室;b.建筑学院,西安710055)摘要:中小型铁路客站作为建设需求日益增长的典型交通建筑,因其空间体量大、人流密集且运营持续时间长,故而照明能耗高;夏热冬暖地区因太阳辐射强度高而具备较高的建
2、筑遮阳需求,与自然采光利用常形成矛盾。为改善中小型铁路客站这一体量代表的典型公共建筑在夏热冬暖地区的自然采光问题,验证常见设计策略的采光优化实效,选取海口市某高铁车站典型案例开展物理实测,并通过基于Rhino平台的Ladybug+Honeybee插件完成了静态与动态光环境数值模拟。结果表明:测试客站自然采光水平总体偏低且采光不均严重,通高空间的引入对改善平面内部的采光状况有一定作用。针对该气候区南北线侧式中小型铁路客站,相同窗地比下,较小单一纵向和矩阵型天窗的引入均可显著提升其全年自然采光水平;相较于集中式和单一纵向天窗的不利影响,较小的矩阵型天窗即可显著提升室内自然采光均匀度。挑檐设置虽对采
3、光均匀度无太大助益,但应尤其避免在西侧设置过大的挑檐深度,以保证其全年自然采光水平。基于如上结论提出了适宜夏热冬暖地区南北线侧式中小型铁路客站的针对性自然采光优化设计策略,研究可为其设计决策提供有效的科学依据。关键词:中小型铁路客站;自然采光;采光模拟中图分类号:TU113文献标志码:A文章编号:2096-9422(2023)07-0001-07Optimal Design of Natural Daylighting for Waiting Halls of Small and Medium-sized Railway Stations in Hot Summer and Warm Wint
4、er Area:Taking a Railway Station in Haikou as an ExampleFAN Zhengyuc,XU Ruoluan,LIU Jiaping.(a.State Key Laboratory of Green Building in Western China;b.School of Architecture,Xi an University of Architecture and Technology,Xi an 710055,China)Abstract:As a typical traffic building with growing deman
5、d for construction,small and medium-sized railway stations have high energy consumption of lighting due to their large space volume,dense flowof people and long operation duration.Besides,there is high solar radiation intensity in hot summer andwarm winter area.Therefore,building shading needs often
6、 conflict with the use of natural lighting.Inorder to improve the natural lighting of a typical public building represented by the volume of a small andmedium-sized railway station in the hot summer and warm winter area,the daylighting optimization effectof common design strategies is verified.A typ
7、ical case of a high-speed railway station in Haikou wasselected to carry out physical measurement,and the static and dynamic light environment numericalsimulation was completed through the Ladybug+Honeybee plug-in based on the Rhino platform.Theresults show that the natural lighting level of the tes
8、t station is generally low and the daylighting uniformity收稿日期:2 0 2 2-0 3-0 7;修回日期:2 0 2 3-0 7-19*基金项目:国家自然科学基金资助项目(52 0 0 8 3 2 5);国家重点研发计划资助项目(2 0 17 YFC0702303);陕西省教育厅重点实验室科学研究计划项目(Z20180399);陕西省建设厅科技发展计划项目(Z20180246)2范征宇,等:夏热冬暖地区中小型铁路客站候车厅自然采光优化设计is poor.The introduction of the double-height spa
9、ce has a certain effect on improving the lightingconditions.For the small and medium-sized railway station on the north-south line in this climate area,theintroduction of smaller single longitudinal and matrix skylights can significantly improve the annual naturallighting level under the same window
10、-to-ground ratio.And compared with the centralized and singlelongitudinal skylights,smaller matrix skylight can significantly improve the uniformity of indoor naturaldaylighting.Although the setting of overhangs does not help much the uniformity of daylighting,it shouldbe avoided to set too large de
11、pths of overhangs,especially on the west side,to ensure the level of naturallighting throughout the year.Based on the above conclusions,a targeted natural lighting optimizationdesign strategy suitable for small and medium-sized railway stations on the north-south line in hot summerand warm winter ar
12、ea is proposed,and the research can provide an effective scientific basis for its designdecisions.Keywords:small and medium-sized railway station;natural daylighting;daylighting simulation0引言夏热冬暖地区较高的太阳辐射照度决定了其较强的地域性建筑遮阳设计需求,但外遮阳的引人会使年平均照度大幅降低,因此采光不足的问题反而时有发生。同时,随着中国进人“十四五”发展阶段,国家发改委明确指出到2 0 2 5年,铁路
13、规模将达到17.5万公里左右,相应带来的中小铁路客站比例超过85%2,而该地区当前大量同类建筑并未对采光遮阳平衡优化做足够的考量,同时许多建设年代较早的中小型铁路客站同样严重缺乏对自然采光设计的考虑,巫需重建或改造 3 。尤其是候车厅等人流密集空间对采光需求较高,如能有效利用天然采光,将对降低建筑照明能耗及提升视觉舒适度产生积极影响 4。目前,很多学者针对铁路客站的光环境改善给予了指导性建议。例如,清华大学罗涛课题组对全国16个铁路客站进行了测试,并选取其中典型客站以采光系数为指标进行了窗墙比和窗地比优化 5。李晓波选取了寒冷地区的大型高铁站进行了实测调研,并利用模拟软件Ecotect对光热环
14、境设计要素的优化策略进行了探讨 6 。张兴艳以林芝站为例,从围护结构、建筑遮阳等多个方面定性地提出了适合于中小型铁路客站的绿色建筑节能手段 7 。2 0 19年,住建部在绿色建筑评价标准中将动态采光作为了重要的评级依据 8 ,针对住宅和教育建筑的动态光环境研究逐渐增多(9.10 1。由此可知,现有研究仍集中于大型铁路客站,对中小型铁路客站的研究较少,且主要以静态指标作为衡量依据,缺乏全年采光表现的全面动态评估研究,且对于气候区差异带来的结论偏差也缺乏验证。针对上述研究缺失,考虑典型线侧式中小型铁路客站建设趋势,本研究选取夏热冬暖地区常见南北线侧式中小型高铁站进行了采光实测分析,并针对其出现的采
15、光问题确定关键变量,利用基于Rhino平台的Ladybug+Honeybee插件完成了静态和动态光环境模拟,以验证变量对室内光环境的优化实效,针对性地提出了具有地域适宜性的自然采光优化设计建议客站实例光环境物理测试本文的测试对象为海口某线侧式中小型铁路客站,建筑面积为98 8 9m,高度约3 1m,1层为进站大厅及其他服务空间,2 层主要功能为候车空间,临窗伴有商业设施及部分辅助设施。其白天的照明方式为全自然采光且仅依靠侧窗采光,候车区域围护结构为玻璃幕墙结合遮阳百叶,东西两侧设有挑檐分别为25m和15m,屋顶无天窗。根据采光测量方法 的要求,选取测试天气为全阴天,测试时间为2 0 2 0 年
16、8 月5日9:0 0 18:0 0,数据读数间隔为3 0 min。测试仪器为HOBO-UX100-011型照度计,其测量范围在0 3 2 0 0 0 1x,精度控制在51x。测试区域选择为人流聚集时间长,对自然采光需求较高的2 层候车空间,并将2 0 个仪器均匀布置于候车区域各关键点位,高度选取为0.7 5m,具体测点分布情况见图1。整理数据可知,测试高铁站候车厅的整体照度偏低,仅12:0 0 15:0 0 阶段有少部分达到采光设计要求。照度水平较高的测点位于临窗侧,照度变化大多集中在2 0 0 50 0 1x区间,最大不超过6 0 0 1x,而位于候车厅中部的测点,照度则更低,基本不足10
17、0 1x,候车厅空间整体照度变化情况见图2。候车厅在阴天的平均照度仅为16 0.41x,很难满足建筑采光设计标准所规定的候车厅采光标准值450 1x112。结合该高铁站的实际设计情况,推测该高铁站的整体照度过低可能与该站挑檐过深、遮阳过度有关。除此之外,临窗侧的照度水平要高出候车厅内部深处测点3 4倍,采光均匀度较低。这主要是候车厅FAN Zhengyu,et al.Optimal Design of Natural Daylighting for Waiting Halls of Small and Medium-sized Railway Stations in Hot Summer an
18、d Warm VWinterArea101215184111351691436图1候车空间平面测试点分布情况Fig.1 Distribution of plane test points in waiting space空间体量较大,侧窗采光难以照射到深处,中部区域又缺少光源导致的。通高处测点照度相较于其他内部进深较大处的测点更大,但对两侧候车区域的采光增益效果仍然有限(见图3)。综上,该高铁站在自然采光时主要有两方面的问题,首先是采光水平总体偏低,室内自然采光不足;其次是采光均匀度一般,临窗侧采光较好,但内部偏暗。600临窗测点中部测点500标准照度40030020010009:009:30
19、 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00测量时间6-0-8-114137-0-10-12-14-15-16 17-18-0-19 42 0图2 候车空间整体照度变化情况Fig.2Illumination variation in waiting space350通高处测点300候车区测点250200150100500-509:009:3010:00 10:30 11:00 11:3012:00 12:3013:00 13:3014:
20、00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:3018:00测量时间-2-5-口-8-0-11-13-0-16-4-19图3内部测点照度变化情况Fig.3 Illumination variation of the internal measuring point2光环境优化仿真模拟及分析2.1模型建立及参数设置本文选取海口某车站的候车空间作为研究对象,同时通过仿真模拟对影响该空间自然采光的不同优化措施效果进行验证。模型按照实际测量尺寸建立,平面尺寸为3 3.5m140m,总高度为3 1m。为便于分析,研究对模型遮阳构件及周围的商业空间进行了合理的忽略与简
21、化(见图4)。模拟过程采用基于Rhino平台的Ladybug+Honeybee 插件,其以Radiance为计算核心,在精确度上有较高的保障,且可以同时进行动态与静态光环境模拟,并将结果可视化 13 。同时,本文通过DesignBuilder对该模型的照明、采暖和制冷总负荷进行了模拟,并按照公共建筑节能计算标准141 的相应要求对围护结构的传热性能等进行了设置,并选取夏热冬暖地区的COP为5.7 进行了能耗折算。在边界条件设置上,模拟过程采用了符合CIE标准的全阴天天空。围护结构设定则根据民用建筑绿色性能计算标准的规定,将相关参数设定为:地面反射比0.3,墙面0.6,顶棚0.7 5;窗户选取为
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