广州地铁设计研究院有限公司广州510010
摘要：本文以某地下站开设天窗的方案为背景，研究站厅顶部开设天窗对公共区冷负荷及车站能耗的影响。
关键词：站厅天窗；冷负荷；能耗
1.前言
某地铁车站结合周边环境位置和传统建筑“天圆地方”的设计思想，在站厅层顶部设置自然采光天窗，天窗在站厅层顶板为方形，出地面为圆形。天窗材质主要采用low-e双层反射中空玻璃+内遮阳设施，突出地面部分外墙为混凝土墙体+外保温材料。
图1：加天窗后车站效果图
车站天窗在满足美观、增加自然采光的同时，也加大了车站室内与外界环境的接触面积，造成空调冷负荷的增加，增大车站空调能耗。
2.天窗产生空调负荷分析及其对公共区逐时负荷的影响
设置天窗增加的负荷，主要由low-e中空玻璃和墙体的太阳辐射负荷、室内外对流负荷和导热负荷组成。相关文献[1]指出：天窗面积比、玻璃特性是影响天窗太阳辐射负荷的主要因素，天窗的遮阳系数对负荷及能耗的影响很大，必要时应采用外遮阳设施。
采用鸿业负荷计算软件计算天窗在标准日的逐时空调负荷。设置条件为：列车运行时间6：00-23：00；按天窗开设面积226m²、100m²、350m²及500m²4种情况分别计算，其中226m²为本站目前方案设置的两扇天窗面积之和；天窗中空玻璃传热系数为1.61W/（㎡•K），内遮阳铝活动百叶遮阳系数为0.6，导热延迟时间0.5h，衰减系数1；墙体为加气混凝土，传热系数为0.71W/（㎡•K），导热延迟时间10h，衰减系数0.36。
1）有无遮阳天窗方案负荷分析
（1）有无遮阳天窗逐时负荷分析
以天窗面积226m²为例，分别对设内遮阳和不设遮阳设施两种情况进行逐时负荷计算，结果如图2所示：
图2：226m²天窗有无遮阳标准日逐时冷负荷对比图
根据计算结果：天窗在有内遮阳和无遮阳设施两种情况下，最大负荷值（负荷峰值）均处在13：00，此时天窗产生的空调冷负荷主要由low-e中空玻璃接收的太阳辐射产生，所占比例为99.9%，墙体负荷所占比例几乎可忽略。
（2）有无遮阳天窗对公共区逐时负荷的影响
以开设天窗面积226m²为例，分析天窗在设内遮阳和无遮阳设施两种情况对地下车站公共区逐时负荷的影响。计算结果如图3所示。
图3：226m²天窗有无遮阳公共区冷负荷对比图
可以看出，天窗无遮阳设施时车站公共区的冷负荷比有遮阳时明显增大。
由图2、3可以看到，天窗产生的负荷最大值出现在13：00；增加天窗后车站总冷负荷最大值出现在17：00。此时，根据计算设内遮阳天窗产生的辐射负荷占公共区总负荷的7%，不设遮阳天窗产生的冷负荷占公共区总冷负荷的相对比例增大到12%，因此，采用天窗时应该设置遮阳措施。
2）不同面积天窗方案负荷分析
（1）不同面积天窗逐时负荷的分析
通过照明系统计算分析，将500m²天窗面积分成5个100m²的天窗均匀布置，可满足1460m²站厅白天所需的照明要求。同时，《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015和《公共建筑节能设计标准》DGJ32/J96-2010强制性条文规定：屋顶透光部分面积不应大于屋顶总面积的20%。因此，把500m²天窗面积作为能耗分析上限。
本文对226m²、100m²、350m²及500m²4种天窗开设面积方案的逐时负荷进行对比计算，以分析天窗面积对天窗负荷的影响，结果如图4所示。
图4：天窗不同面积标准日逐时负荷值
由图4可知：4种天窗面积对应逐时负荷的变化趋势基本一致，但随着天窗面积的加大，其产生的逐时冷负荷也随之增大。
（2）不同天窗面积对公共区逐时负荷的影响
分别计算不设天窗和设4种不同面积天窗的情况下车站公共区逐时负荷，对5种情况负荷值进行对比以分析开设天窗对车站公共区负荷的影响。计算结果如图5所示。
图5：车站公共区逐时负荷率变化趋势图
图5表示了4种天窗面积方案和无天窗时公共区逐时负荷的变化趋势，结果表明，随着天窗面积的加大，车站公共区冷负荷也随之增大，这表明天窗开设面积应控制在一定的开启范围内。
3.天窗产生空调负荷对公共区能耗的影响
通过标准日逐时空调负荷来计算公共区月空调冷负荷和全年空调冷负荷。在计算时，考虑天气等因素的影响并进行修正。修正系数具体设置如下：空调季节7、8月运行负荷为设计负荷的90%，6、9月运行负荷为设计负荷的70%，5、10月运行负荷为设计负荷的50%。根据计算得到4种不同面积的有遮阳天窗及226m²无遮阳天窗每年在空调季分别增加的负荷，具体如表1所示：
天窗造成的附加负荷导致相应空调设备功率的增大。根据各设备的功率值及逐时负荷率，可得出因负荷增加的逐时功耗增加量。4种有遮阳天窗及226m²无遮阳天窗方案的功耗相对于不设天窗而增加的总耗电量及增加的总电费如表2所示。其中电费按0.65元/度计算。
由表2中结果可知，空调系统年耗电量随着天窗面积的增大而增大，且226m²天窗无遮阳方案比有遮阳方案年耗电量增加24401kWh相应年电费增加15861元。
4.天窗对照明电耗的影响
本站站厅层面积约1460m2，以天窗面积226m2，设置2面玻璃天窗为例。白天由自然光照明的区域约为500m2，时间为早8点至晚6点共十个小时，其余时间照明由车站LED灯具提供，照度为200lx，照明功率密度LPD上限为12W/m2（参照标准为《城市轨道交通照明》GBT16275-2008）。
由平均照度Eav=可得N==≈74
据此估算站厅层白天可节省电能W=P×t=74×0.04×1.1×10=39.16kW•h
N：为灯具数量；
Ф：单灯光通，Ф=灯具功率×灯具光效，在此取40W的LED灯，光效为65lm/W进行测算；
CU：利用系数，取0.65；
K：维护系数，取0.8；
S：照明区域面积；
Eav：平均照度，站厅层照度要求为200lx；
1.1：考虑LED灯具驱动的电源功耗后整灯功率系数。
电费按0.65元/kW•h，则每天节省照明电费=39.16×0.65=25.454元
考虑到本地处于长江下游，全年阴雨天气较多，需要灯具补光以达到照明效果要求，据此测算天窗方案对于照明节省投资为：
25.454×365×0.87=8082.9元
其中校正系数0.87=1-
此外，LED灯具使用寿命为3W小时，未设置天窗时，该区域灯具年使用时间为365×17×100=6205小时，需每4-5年更换一次；设置天窗后使用时间为365×7+120×8×0.5=3035W小时，需每9-10年更换一次。
由于早晨与夜间皆需要灯具进行照明，故所需灯具数量与未设置天窗时一致，即初期建设成本无减少。
当设置天窗数量与面积不同时，自然光照明的区域面积有所不同，每日节省的电费大约如下（天窗面积和位置均匀布置）：
由上表可见，当设置的天窗数量较少且分布均匀，入射自然光在站厅层无交汇时，节省电量与天窗面积及数量基本呈线性关系。
5.结论
通过对4种不同天窗面积方案空调负荷及其耗电量、节省照明耗电量的计算和分析，得出空调系统增加的耗电量和电费及节省照明耗电量和电费的结果如表4所示。
注：表格中的“-”表示耗电及其电费，无符号数据表示节省电量及其费用。226m²天窗方案年省（耗）电量一列中的数据分别为有遮阳和无遮阳的数据，年省（耗）电费一列中的数据与之相对应。
总计车站实际增加耗电量和电费如表5所示：
注：表格中的“-”表示耗电及其电费，无符号数据表示节省电量及其费用。226m²天窗方案年耗电量一列中的数据分别为有遮阳和无遮阳的数据，年耗电费一列中的数据与之相对应。
综上所述，地下车站开设天窗虽然可以节省照明耗电量及费用，但空调系统耗电量随着天窗开设面积的增加而增大，且总的耗电量及费用也呈现增大的趋势。设置天窗时，可通过采用遮阳设施和控制天窗开设面积以降低车站能耗及费用，或采用可开启形式的天窗，过渡季节利用自然通风减少车站能耗及费用。
天窗的日常清洁、维护、安全、防水措施也不容忽视，这可能导致需增设其他相关设备设施，同时增加相应的能耗及费用。
综上所述，开设天窗应综合考虑各种因素，分析比较不同的天窗设置方案，达到既可实现采光要求及增强美观效果，又能控制能耗及费用的双赢结果。
参考文献：
[1]黄丽君等.玻璃外围护对地铁车站空调负荷的影响分析.城市轨道交通研究.2009，12