發(fā)達(dá)國(guó)家建筑采光方法和節(jié)能設(shè)計(jì)

夏 斐 譯

（英國(guó)艾克福建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，英國(guó)）

建筑大師密斯凡德羅說(shuō)過(guò)，“建筑的歷史就是人類(lèi)為光而斗爭(zhēng)的歷史，即窗的歷史”。今天，這一斗爭(zhēng)隨著新技術(shù)和設(shè)計(jì)方法的發(fā)展仍在延續(xù)，建筑師和照明專(zhuān)家將有機(jī)會(huì)取得一些進(jìn)展。這里我們討論的采光是指運(yùn)用直接、反射或其他輔助手段為建筑物內(nèi)部提供自然光的技術(shù)。

研究自然采光的目的是為了獲得一個(gè)更加令人滿意的室內(nèi)環(huán)境，使得建筑使用者更好地感受到與戶外環(huán)境的連接。同時(shí)合理有效地利用自然光也是為了降低不斷提高的能源成本。照明能耗在建筑能耗中占有很大的比例，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)照明用電量約占總用電量的12%。另外，在得到了更舒適、節(jié)能環(huán)保的環(huán)境后，該房屋或物業(yè)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值會(huì)得到一定程度的提升。

無(wú)可否認(rèn)，一些室內(nèi)空間需要戲劇化的美學(xué)效果，如教堂、劇場(chǎng)。然而，在大量商業(yè)、辦公、教育、醫(yī)療、居住等建筑中，我們需要一個(gè)好的采光方案，能夠在陰晴天氣讓自然光滲透到建筑物內(nèi)部，并且避免過(guò)多地吸收直接或反射的眩光，避免不必要的陰影以及過(guò)度的光線亮度和不均勻度。

一個(gè)簡(jiǎn)單的方式來(lái)看待自然采光是將設(shè)計(jì)問(wèn)題分解成靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2個(gè)部分。靜態(tài)部分包括太陽(yáng)和建筑。太陽(yáng)是我們最強(qiáng)大、最活躍的光源，我們要有效地采集和分配這些寶貴的日光。在晴朗的天氣下日光可以被直接捕獲，而在陰天，日光可以作為一個(gè)被反射元素捕捉到。靜態(tài)部分還包括一個(gè)固定的建筑形體和電力照明系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)部分則包含光的傳輸介質(zhì)和控制手段。為了利用直接和反射的日光并將其引入建筑內(nèi)需要的地方，我們可以利用建筑中光的傳輸介質(zhì)，這些介質(zhì)包括窗戶、玻璃、天窗、光反射板、百葉窗、室內(nèi)表面等，我們利用這些傳輸介質(zhì)來(lái)直射、擴(kuò)散和反射陽(yáng)光。

眾所周知，太陽(yáng)在帶來(lái)了光的同時(shí)也帶來(lái)了熱，建筑節(jié)能需要綜合考慮建筑的各項(xiàng)指標(biāo)，在降低能耗的同時(shí)提供給使用者一個(gè)舒適的工作環(huán)境。如何利用被動(dòng)的方式控制和調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部熱量和溫度，我們將在以后的文章中闡述。本文我們將重點(diǎn)論述自然光的采集和分配，并且可以進(jìn)一步將其劃分為2類(lèi)，被動(dòng)采光和主動(dòng)采光。

1 被動(dòng)采光

1.1 建筑設(shè)計(jì)

建筑物的外部表面越多從頂部和側(cè)面滲透進(jìn)建筑內(nèi)部的光線則越多，比如窗戶、天窗、中庭、穹頂、半透明的膜屋頂?shù)?。在?fù)雜的建筑物中，把自然光從外部引入較深入的內(nèi)部空間具有一定的挑戰(zhàn)性。另外，建筑物南面接收日光最穩(wěn)定，北邊獲取最少，但光的質(zhì)量更加穩(wěn)定。此外，大樓的設(shè)計(jì)決定了建筑結(jié)構(gòu)組件阻擋了多少面積的日光，多少樓層面積可以獲取自然光照明。建筑設(shè)計(jì)方案中可以利用中庭，將大量的太陽(yáng)光分配進(jìn)建筑物內(nèi)部，小的空間也可通過(guò)天窗、高窗或窗墻引入自然光。對(duì)于窗戶，理想的方式是大面積的開(kāi)窗并盡量接近天花板，因?yàn)榇翱谳^高，日光滲透能更加深入。理想的情況是具有多個(gè)窗口，并適當(dāng)間隔，以提高光分布的均勻度。夏季和冬季日光照射中庭建筑示意如圖1所示。

圖1 夏季和冬季日光照射中庭建筑示意

1.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)

高大的物體會(huì)阻擋光，深色的表面會(huì)吸收光線。天花板和墻壁都是照明系統(tǒng)本身的一部分，它們可以起到漫反射作用幫助日光滲透到更深的內(nèi)部空間。因此，天花板應(yīng)有高反射率，墻壁表面應(yīng)該是淺色。避免深色的家具可以使室內(nèi)的亮度均勻性更舒適。同樣，建筑物外部周邊的淺色地面可以提高向上反射到窗戶和室內(nèi)天花板的光量，并且影響光線的顏色。

1.3 窗戶材質(zhì)

窗戶的材質(zhì)可以控制進(jìn)入室內(nèi)的日光和熱量并使他們保持恒定的數(shù)值。大部分新的建筑現(xiàn)在使用中空玻璃，有一個(gè)空氣層夾在2片玻璃之間。一些窗戶空氣層中的百葉、棱鏡和光傳輸纖維可以將日光擴(kuò)散照射到天花板上，然后重新反射到工作平面。反射的角度可根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況而定。在溫暖的氣候中，具有光譜選擇性的建筑玻璃可以用來(lái)引入可見(jiàn)光，同時(shí)反射不需要的紅外線，在寒冷的氣候，用低輻射涂層的窗戶可以將熱量反射回建筑內(nèi)部。

1.4 傳輸介質(zhì)

把光線引入高層建筑物內(nèi)部具有一定的挑戰(zhàn)性，尤其是朝北底層的房間。有很多手段可以幫助完成這一挑戰(zhàn)。例如，在窗口上方安裝的反射板能夠?qū)⒐饩€朝天花板上反射，可以將光線向房間內(nèi)傳遞得更深。在建筑物內(nèi)部，窗簾、百葉窗、百葉、擋板等裝置可以將光線控制得非常協(xié)調(diào)。在建筑物外部，一些外部的建筑構(gòu)件，比如懸挑板、擋板、屏幕和格架等，可以化解或阻止直射的日光。另一種類(lèi)型是傳輸光管，這些設(shè)備可以為多層建筑物的底層內(nèi)部或者難以采光的區(qū)域提供一個(gè)“天窗”。某建筑采光設(shè)計(jì)方案和窗口設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 某建筑采光設(shè)計(jì)方案和窗口設(shè)計(jì)示意圖

2 主動(dòng)采光

2.1 定日鏡和跟蹤設(shè)備

定日鏡是一種碟形鏡，跟蹤太陽(yáng)，將日光集中反射到另一個(gè)固定的鏡子上。定日鏡可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整主反射鏡來(lái)跟蹤太陽(yáng)，以最大限度地在白天捕捉和利用太陽(yáng)光。定日鏡利用一個(gè)光傳感器，脈沖電動(dòng)機(jī)和一個(gè)計(jì)算機(jī)程序跟蹤太陽(yáng)的變化。一旦光線被捕捉到會(huì)使用具有高反射性能的光管將光線分配到建筑物需要的地方。這一裝置的缺點(diǎn)是必須經(jīng)常維護(hù)，以防止污垢和灰塵影響其效果。定日鏡外觀及原理圖分別見(jiàn)圖3、圖4所示。

圖3 定日鏡外觀效果

圖4 定日鏡工作原理

瑞士Heliobus公司設(shè)計(jì)的某定日鏡裝置，通過(guò)特制的鏡面從大樓頂層收集陽(yáng)光，光線通過(guò)高反射率的光管引入大樓內(nèi)部無(wú)法獲取自然光的部分。密執(zhí)安理工大學(xué)設(shè)計(jì)的定日鏡方案見(jiàn)圖5。

圖5 密執(zhí)安理工大學(xué)設(shè)計(jì)的定日鏡方案

密執(zhí)安理工大學(xué)設(shè)計(jì)的某高層建筑方案，其利用了定日鏡技術(shù)原理將從建筑立面獲取的自然光線集中收集并通過(guò)鏡面反射進(jìn)入建筑中庭的底層空間。

2.2 傳輸介質(zhì)

現(xiàn)代的科技可以讓建筑構(gòu)件，例如百葉窗、遮陽(yáng)板、玻璃、天窗等，在不同的季節(jié)通過(guò)手動(dòng)或由電腦控制的方式來(lái)調(diào)節(jié)部件的性能或角度，由此控制太陽(yáng)光和熱進(jìn)入建筑內(nèi)部的多少?，F(xiàn)代建筑的日光控制構(gòu)件如圖6所示。

圖6 現(xiàn)代建筑立面上的日光控制構(gòu)件

2.3 “聰明窗”

這種含有光敏疊層的“聰明窗”正在被開(kāi)發(fā)中，在這些具有微疊層的玻璃上可以積極響應(yīng)環(huán)境的變化，主動(dòng)地控制進(jìn)入建筑內(nèi)部的日光和熱量的強(qiáng)度變化。

不論被動(dòng)還是主動(dòng)的方式，以上哪個(gè)才是合適的解決方案？這取決于客戶的目標(biāo)、預(yù)算和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件。無(wú)論哪一種方案都要為一個(gè)特定環(huán)境中的特定建筑量身定做。因?yàn)槲覀儾杉奶?yáng)光是光線的來(lái)源，不同地理氣候條件下，太陽(yáng)的角度，高度都有差別，當(dāng)?shù)氐臏囟?、濕度、風(fēng)向和周?chē)恼趽跷锏榷紩?huì)對(duì)采光設(shè)計(jì)的考慮構(gòu)成影響，一個(gè)成功的方案將很大程度上取決于好的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)之前，必須采集大量的數(shù)據(jù)，在采光設(shè)備安裝后，必須進(jìn)行有效地校準(zhǔn)和測(cè)試?，F(xiàn)在我們可以使用一些便捷的光線模擬電腦軟件來(lái)輔助設(shè)計(jì)采光，比如Ecotect，Radiance等。此外，把按比例制作的實(shí)物模型放置在專(zhuān)門(mén)的“人工天空”（artificial sky）實(shí)驗(yàn)室中，通過(guò)照度測(cè)量器測(cè)試也是常見(jiàn)的方法。Ecotect和Radiance軟件模擬見(jiàn)圖7所示。

圖7 Ecotect和Radiance軟件模擬

在Ecotect和Radiance中的電腦模型可以較為精確地模擬和計(jì)算一個(gè)工作面或是三維空間的亮度數(shù)據(jù)。

（資料來(lái)源：Christina Trauthwein，ARCHITECTURAL LIGHTING Magazine，April 1，2001；http://www.heliobus.com；http://www.ctbuh.org/Research/DesignResearch/tabid/118/language/en-GB/Default.aspx；http://www.cardiff.ac.uk/archi/skydome.php）

光的教堂 安藤忠雄 攝