广州城市轨道高架站站厅围护结构节能策略分析

广州城市轨道高架站站厅围护结构节能策略分析*

李晓歌1郑林涛2金 蓉3黄洁涛4赵立华5

Li Xiaoge Zheng Lintao Jin Rong Huang Jietao Zhao Lihua

摘要：文章基于相关工程实践，采用现场实测、机理分析和数值模拟等研究手段，分析高架站站厅围护结构的热工性能对过渡季室内热、光环境和夏季空调能耗的影响。探究广州城市轨道高架站站厅围护结构的节能策略，优化外窗太阳得热系数、窗墙面积比、外窗传热系数、外墙传热系数、屋顶传热系数、外窗有效通风换气面积等性能指标，为后续高架站站厅设计提供指导或参考。

关键词：城市轨道高架站站厅；围护结构热工性能；过渡季热环境；光环境；空调能耗

引言

近年来，城市轨道交通高架站发展迅速，针对这种新的建筑形式，国内不同地区相继开展了一系列的节能策略研究。

2005年，李兴旺[1]以广州市滘口站为研究对象，结合梭形金属外壳设计了金属百叶窗，构建自然通风、采光、遮阳良好的室内和半室内空间。2011年刘瑛[2]提出在高架站侧墙位于站台面下0.5m至站台面上2.5m的范围用百叶代替墙体，以充分利用自然通风。同年，唐亚琳[3]根据工程实例，以广州市蕉门站为例，探讨建筑方位、百叶外遮阳板宽度及颜色、自然通风对高架站热环境的影响，强调用自然手段维持室内热舒适的必要性。2015年赵新华[4]等人以北京地铁高架站15号线为例，从整体布局入手，采取站台顶板中部设置保温材料、预留风扇洞口、屏蔽门上部开窗等举措，营造舒适、节能的站台候车空间。

综上所述，目前对城市轨道高架站节能策略的研究大部分是介绍某个具体车站站台项目的实例，对高架站站厅节能策略的研究，涉及范围宽泛、对象特征不突出，对实际高架站站厅的节能设计指导作用较为薄弱。因此本文运用现场实测和数值模拟相结合的研究手段，探究围护结构热工性能对站厅热环境的影响，供后续高架站站厅设计借鉴。

1 研究方法

首先对某站厅（以下称为验证模型）进行现场实测，验证所采用的CFD模拟方法的准确性，继而运用该方法研究广州典型城市轨道高架站站厅（以下称为分析模型）过渡季的节能策略；并利用DeST探究夏季降低分析模型空调能耗的策略。

1.1 验证模型

广州城市轨道高架站站厅形式大体相同，基本为规则长方体的组合，外围护结构材料主要为玻璃幕墙，可开启率低，有效通风换气面积约为窗面积的7.0%，站厅处通常设有2～4个对外出口。本文以沙贝站为例进行实测及模拟验证。沙贝站是广州市轨道交通六号线的首期工程，共三层，首层架空，二层站厅，三层站台，朝向北偏西61°。站厅层公共区面积744.8m2，点支式玻璃幕墙，外窗为铝合金双层中空Low-E玻璃，其东南向紧邻设备区（图1）。

实测内容包括站厅内温度、风速及室外温度、风速、风向，实测仪器参数见表1。室内共布置六处测点，室外无遮挡处放置便携式气象站，室内测点的布置见图2。

1.2 分析模型

结合广州市城市轨道高架站的主要特征，参考广州市最新城市轨道高架站的设计方案，建立如图3所示的分析模型，其站厅层面积1862m2，层高5.0m，朝向北偏东61°，有效通风换气面积与窗面积的比值R为5.0%。

（1）采用DeST探究高架站站厅夏季围护结构的节能策略，按相关标准设置基准建筑热工参数：太阳得热系数为0.239，窗墙面积比为0.7，外窗传热系数为2.5 W/（m2·K），外墙传热系数为1.5 W/（m2·K），屋顶传热系数为0.8 W/（m2·K）[5]，空调运行时间为5月1日至10月31日的早上6:00至晚上23:00。通过改变围护结构的热工参数，获得其对能耗的影响主次关系，以便于对影响较大的因素进行热环境模拟，具体模拟工况见表2。

（2）利用Phoenics对过渡季室内热环境进行模拟分析。室外边界条件为室外主导风向西北向，风速3.0m/s，温度27℃[6]。依据相关标准建立了表3所示的模拟方案[5、7]。

方案1，固定窗墙面积比Cm为0.85，有效通风换气面积与窗面积的比R为5.0%，改变外窗太阳得热系数。

方案2，固定窗墙面积比Cm为0.85、外窗太阳得热系数SHGC为0.239，改变有效通风换气面积与窗面积的比值R。实际工程中开启面积总是被希望尽量小，因此设定的R的变化范围为2.5%～5%。

方案3，固定外窗太阳得热系数SHGC为0.239，有效通风换气面积与窗面积的比R为5.0%，改变窗墙面积比。

① 不同太阳得热系数通过改变日射辐射得热量的大小来实现，内热源的设置考虑了站厅内的设备热扰、人员散热量及灯光热扰。

② 经计算，在模拟工况中，墙体及楼板热工性能对室内热环境影响较小，为简化模型，将其设置为绝热墙体。

③ 出风口outlet为自由流出边界条件，进风口inlet按不同高度上平均风速的经验公式设置为：

表1 测试仪器和精度

所用仪器 型号测试参数量程精度热指数仪 HD32.3黑球温度-10～100℃±0.2℃风速0.05～5m/s 0.05m/s便携式气象站--40℃～65℃±0.5℃风速1～68m/s ±5%风向0～360° ±7° Davis Vantage Pro2

表2 不同模拟工况

工况1234太阳得热系数0.2390.2180.1740.131窗墙比0.70.60.50.4外窗传热系数W/（m2·K）2.52.01.51.0外墙传热系数W/（m2·K）1.51.21.00.8屋顶传热系数W/（m2·K）0.80.70.60.5

图1 验证模型示意图

图3 分析模型示意图

表3 不同的模拟方案

注：SHGC为外窗太阳得热系数，Cm为窗墙面积比，R为有效通风换气面积与窗面积的比值。

方案1方案2方案3 Cm=0.85 R=5.0% SHGC=0.239 R=5.0% SHGCRCm 0.2394.25%0.85 0.2183.50%0.70 0.1743.00%0.60 0.1312.50%0.50 Cm=0.85 SHGC=0.239

2 验证结果

式中：

v：任一高度z处的平均风速，m/s；

ν0：基准高度处的平均风速，m/s；

Z：离地面任意高度,m；

Z0：基准高度，通常取为10m；

α：与地面粗糙度有关的指数，根据广州市实际情况，α值取0.16[9]。

（3）利用Ecotect对过渡季室内光环境进行模拟分析。广州属于IV类光气候区，光气候系数K为1.1，站厅侧面采光采光系数不得低于3.3%。模拟有关参数确定如下：墙面反射率0.80；地面反射率0.20；屋顶反射率0.75，自然采光分析面为0.75m高度处[10]。

1.3 过渡季室内热环境的评价指标的选取

采用标准有效温度SET＊作为高架站站厅室内热舒适的评价指标，张宇峰等[11]以广州地区的自然通风建筑为研究对象，通过实地调研及现场实测分析获得热感觉与标准有效温度的对应关系，如表4所示，比寒带地区广为接受的标准有效温度范围整体提高约1.5℃[12]。

图4和图5为模拟得到的验证模型的温度和风速云图。对应测点的模拟值和实测值见表5及表6。

由图4及表5可知，风速的模拟值与实测值均较低。模拟值和实测值的偏差基本小于仪器精度，模拟值高于实测值，原因是模型存在一定的简化，没有考虑站厅内的进出闸机、自动售票机、自动贩卖机等各种物体的阻挡作用。由图5及表6可知，测点B1、B4偏差较大，原因是B1测点旁的楼梯间正在改建，靠近出口处的外窗玻璃尚未安装，室内热量向室外传递，导致温度实测值低于模拟值；B4处靠近自动扶梯及公共卫生间，设备热扰大，温度实测值高于模拟值。

总体来看，绝大部分测点的模拟值与实测值较为吻合。因此，本文所使用的数值模拟方法，基本能准确反映室内热环境的真实状况，可作为后续研究的手段。

3 空调季能耗影响因子模拟结果

应用DeST模拟分析模型的空调能耗，对表3中各工况进行模拟，得出各能耗影响因子与分析模型空调能耗节能率的关系，见图6。

由图6可知：太阳得热系数、窗墙面积比及外窗传热系数对建筑节能率的影响较大，对比基准建筑，当太阳得热系数从0.239减少到0.131，节能率为5.53%；窗墙面积比从0.7降低到0.4时，节能率为2.93%。外窗传热系数越小，建筑空调能耗越高，建筑节能率随着外墙传热系数与屋顶传热系数的减小而减小，但墙体与屋顶对空调季建筑能耗的影响幅度均较小。

4 过渡季节站厅热环境和光环境的模拟结果

4.1 不同外窗太阳得热系数的影响

对方案1不同的工况进行模拟得到图7，外窗太阳得热系数越大，站厅内的平均温度和标准有效温度SET＊越高，风速虽有增大，但不明显。

外窗太阳得热系数从0.239降至0.131，站厅平均温度降低了2.13℃，SET＊降低了2.4℃；人的热感觉从暖、不适、不可接受，改变为稍暖、有点不可接受。可见，外窗太阳得热系数对室内人的热感觉影响较大，在高架站设计时应重点考虑外窗的遮阳设计。

4.2 不同有效通风换气面积与窗面积比的影响

对方案2不同的工况进行模拟得到图8，开启扇有效通风换气面积与窗面积的比值增大，站厅的平均温度和标准有效温度SET＊随之降低。

开启扇有效通风换气面积与窗面积的比值R从2.50%升至4.25%，站厅平均温度降低2.04℃，SET＊降低2.2℃，人的热感觉从热、不可接受改变为暖、不适、不可接受。但因模拟工况开启扇的开启率均较小，室内风速变化并不显著。

图4 站厅内1.5m高处风速分布

图5 站厅内1.5m高处温度分布

图6 各工况与节能率的关系

图7 太阳得热系数对站厅热环境的影响

表4 热感觉与标准有效温度对应关系[11]

热感觉标准有效温度/℃很热，很不适＞39.1热，非常不可接受35.2～39.1暖、不适、不可接受31.3～35.2稍暖，有点不可接受27.4～31.3舒适，可接受23.5～27.4稍凉，有点不可接受19.6～23.5凉，不可接受15.7～19.6冷，非常不可接受11.8～15.7

表5 风速模拟值与实测值比较（单位：m/s）

测点B1 B2B3B4B5B6实测值0.1 0.150.050.070.230.19模拟值0.14 0.160.060.090.180.21差值0.04 0.010.010.020.050.03

表6 温度模拟值与实测值比较（单位：℃）

测点B1B2B3B4B5B6实测值20.820.6721.1421.4421.0321.13模拟值21.820.5520.7920.3121.320.99差值1.00-0.12-0.35-0.830.27-0.14

经调研，广州市现已建成的高架站，外窗有效通风面积大多不足窗面积的7%。忽略开窗形式及可开启方式的限制，根据相关标准[5]，进一步研究不同比例下的R值对室内热环境的影响，设定以下工况：当窗墙面积比为0.5，太阳得热系数为0.239时，对R分别为30%、50%、70%、90%条件下的室内热环境进行模拟，结果如图9。

当有效通风换气面积与窗面积的比值从2.5%增大至90%，SET＊降低了将近10℃，室内舒适度大幅度提升，故应加大有效通风换气面积与窗面积的比值。当有效通风换气面积与窗面积的比值从30%增至90%，风速提高了0.14m/s，SET＊降低了0.41℃；当R值从50%升至90%，SET＊变化不明显，为节约成本，建议窗墙面积比为0.5时，有效通风换气面积与窗面积的比值为50%。

4.3 不同窗墙面积比的影响

对方案3不同的工况进行模拟得到图10，外窗太阳得热系数，开启扇有效通风换气面积与窗面积的比R一定时，窗墙面积比越小，站厅内的平均温度和标准有效温度SET＊越低。

窗墙面积比从0.85降至0.5，站厅内平均温度降低3.56℃，窗墙面积比越小，人体感觉越舒适。因此在高架站设计中，应尽量减小窗墙面积比。

4.4 光环境分析结果

窗墙面积比越小，室内热感觉越舒适。但窗墙面积比的大小影响室内光环境，图11为不同窗墙面积比、可见光透射比τ下，采光系数大于3.3%的面积占总面积的百分比。可见，影响室内光环境的主要因素是窗墙面积比，当窗墙面积比为0.5、τ值取0.4时，已基本满足站厅层主要空间的自然采光需求。

图8 有效通风换气面积与窗面积比对站厅热环境的影响

图9 有效通风换气面积与窗面积比与站厅热环境的关系

图10 不同窗墙面积比对站厅热环境的影响

图11 满足采光要求的面积百分比

结论

（1）外围护结构的传热系数对夏季站厅的空调能耗有一定影响，其中外窗传热系数与节能率呈反比，外窗传热系数越大，节能效果越好。外墙传热系数、屋顶传热系数与节能率亦呈反比，但对空调能耗的影响程度较小。

（2）外窗太阳得热系数越小，过渡季节站厅内人体感觉越舒适，热感觉变化明显，空调季建筑能耗越低。因此高架站设计时应重点做好外窗的遮阳设计。

（3）窗墙面积比越小，过渡季节站厅内SET＊越低，人体感觉越舒适，空调季建筑的能耗越低，节能效果越显著，但当窗墙面积比低于50%，室内自然采光不能完全满足规范要求的建议值。综合考虑，高架站站厅宜采用50%的窗墙面积比。

（4）有效通风换气面积与窗面积比R越小，过渡季节站厅内SET＊越大；当窗墙比为0.5，R值达到50%后，再增大有效通风面积，SET＊变化不明显。

图、表来源

文章插图与表格均为作者绘制。

参考文献：

[1] 李兴旺.案例研究：高架地铁站建筑设计[D].广州：华南理工大学,2005.

[2] 刘瑛.城轨高架侧式车站研究[D].广州：华南理工大学,2011.

[3] 唐亚琳.广州轨道交通4号线高架站建筑围护系统节能设计[J].建筑节能,2009(8):8-12.

[4] 赵新华,余乐.高架车站创新设计——北京地铁15号线高架车站[J].建筑技艺,2015(12):111-113.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.公共建筑节能设计标准[S].2015.

[6] 张晴原.中国建筑用标准气象数据库[M].北京：机械工业出版社, 2004.

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Energy-saving Strategy Analysis of Building Envelope of Urban Elevated Railway Station Halls in Guangzhou

abstract：Based on engineering practices, this article analyzed the influence of thermal performance of building envelope of the elevated railway station on its indoor thermal and lighting environment, and its energy consumption of air-conditioning during summer through field measurement, mechanism analysis and numerical simulation. This article also explored energy-saving strategies of urban elevated railway station in Guangzhou, and optimized the heat gain coefficient of exterior windows, window-to-wall area ratio, heat transfer coefficient of exterior windows, exterior wall and roof, and effective ventilation area of exterior windows. The conclusion of this article could provide guidance or reference for future design of elevated railway station halls.

KeY Words：urban elevated railway station hall; thermal performance of building envelope; thermal environment in transitional seasons; lighting environment; energy consumption of air conditioning

*越秀区科技局项目：住区园林环境微气候改善关键技术创新与应用，项目编号：2016-GX-013；亚热带建筑科学国家重点实验室自主课题，课题编号：2017KB10。

中图分类号：TU111.19

文献标识码：A

文章编号：issn.1000-0232.2017.02.062

文章编号：1000-0232（2017）02-0062-04

作者简介：1&3硕士研究生；2博士研究生；4广州市地铁设计研究院有限公司，高级工程师；5教授，通讯作者，电子邮箱：[e-mail]；1&2&3&5华南理工大学建筑学院、亚热带建筑科学国家重点实验室