基于節(jié)能目的的室內(nèi)自然光環(huán)境設(shè)計研究

余熙文

(合肥師范學(xué)院 藝術(shù)傳媒學(xué)院，安徽 合肥 230601)

馬爾科姆·韋爾斯在《溫和建筑》中提到要提供人類舒適的生活環(huán)境就要利用自然光創(chuàng)造有意義而且健康的空間。據(jù)統(tǒng)計，建筑在運行過程中照明能耗占總能耗的40%～50%，而合理地設(shè)計和運用天然采光能夠節(jié)約照明能耗50%～80%[1]。來自天空的漫射光線，光熱比是最高的，作為低價、清潔、永不枯竭的能源是人們開源節(jié)流的最佳選擇。為了在室內(nèi)充分運用自然光達到節(jié)能的目的，本文主要從窗洞設(shè)計、中庭采光、反光裝置、遮陽設(shè)施四個方面進行闡述。

一、窗洞設(shè)計

根據(jù)窗洞位置的不同可分為角窗采光、天窗采光及側(cè)窗采光。

天窗是頂面采光的主要方式，采光效率比側(cè)窗高出2～3倍，可以引入不同方向的自然光，但容易出現(xiàn)室溫過高，垂直照度不均勻，產(chǎn)生眩光等問題。天窗采光應(yīng)避免室內(nèi)熱能的損耗，根據(jù)所處地理位置不同采用合適的開窗比例，我國南方溫暖地區(qū)，開窗率為5%時節(jié)能率達到13%，節(jié)能效果明顯，而北方嚴寒地區(qū)節(jié)能效果不明顯[2]。天窗的位置設(shè)計要合理，盡量靠近需要照射的區(qū)域。為使室內(nèi)照度更加均勻，頂面開窗可以化整為零，將大的天窗分散為多個小天窗。

路易斯·康是運用自然光的大師，他在金貝爾藝術(shù)博物館的天窗設(shè)計中將德克薩斯州強烈的自然光優(yōu)雅地引入展廳的內(nèi)部空間，解決了在一個進深過大的直線性建筑里的采光問題。他在拱頂中央設(shè)計了一條水平的窄縫，下部安裝了弧形的反射板，自然光被反射到拱頂上，將直射的太陽光轉(zhuǎn)化成柔和的散射光，均勻地撒滿展廳的每個角落。他在菲利普·?？巳貓D書館的圓形天窗里面設(shè)置了一個三角形板，自然光經(jīng)過反射進入室內(nèi)，獲得柔和而優(yōu)雅的室內(nèi)漫反射光線。

側(cè)窗采光是在房間的側(cè)墻上開采光口，為最常用的一種采光方式。側(cè)窗光線方向性明確，容易在房間內(nèi)形成陰影，但是照度不均，從外往內(nèi)的衰減速度很快。當房間的窗洞上口至房間深處的連線與地面所成的角度大于26度時，則可以保證房間進深方向的均勻性。側(cè)窗通常做成矩形，就采光量而言，在相同房間，相同窗臺高的情況下，正方形側(cè)窗的采光量最高，豎形次之，扁形最少。窗戶的大小和形式應(yīng)根據(jù)所處地理位置和氣候條件選擇合適的窗墻比，提高窗周圍墻面的反射能力，減少與窗口的亮度對比，改善室內(nèi)亮度分布。

斯蒂文·霍爾在西雅圖大學(xué)的圣依格內(nèi)休斯禮拜堂的設(shè)計中利用各種彩色玻璃和涂有色彩的垂壁將側(cè)窗的自然光分解散布在室內(nèi)空間，呈現(xiàn)出各種不同的光照效果。東側(cè)圣壇上方有一扇巨大的高側(cè)窗，窗戶內(nèi)側(cè)懸掛的窗板背后被涂成明亮而厚重的黃色，陽光從高側(cè)窗射入，將明亮的黃色光線反射到室內(nèi)，十字架的輪廓也被清晰地投射在墻壁上，運用自然光便達到一種神秘的燈光效果。

角窗是建筑物四角的縱橫墻交接處的折線形窗戶，具有良好的視野和采光。意大利建筑師卡洛·斯卡帕在卡諾瓦石膏像博物館的改造設(shè)計中使用了獨特的角窗采光，將地中海充沛的陽光引入室內(nèi)。內(nèi)凹的玻璃角窗仿佛是一個發(fā)光體，照亮了四周的墻壁，墻壁的抹灰面層采用威尼斯抹灰工藝，具有極好的漫反射效果，將光反射到室內(nèi)每個角落，墻面和角窗之間設(shè)計成適宜的角度避免了眩光的產(chǎn)生。

二、中庭采光

中庭就像一個“光通道”，能夠讓天然的光線射入建筑的深處，使進深較大的建筑實現(xiàn)天然采光，天井、庭院、和建筑凹口是中庭的特殊形式。中庭頂部采光，在其它條件相同時，中庭采光面積越大，中庭采光系數(shù)就越大，但隨著高度和面積的增加，采光系數(shù)增長趨向緩慢。英國劍橋大學(xué)馬丁研究中心研究表明，中庭高寬比在3∶1數(shù)值范圍以內(nèi)，中庭相鄰空間就能得到符合工作照度要求的足夠的天然光線[3]。

德國國會大廈曾因戰(zhàn)火失去了中央的穹頂，只剩下幾尺厚的外墻。福斯特在改造時，利用新技術(shù)模擬了一個玻璃穹頂，同時保留了原來的兩個庭院。玻璃穹頂?shù)膬?nèi)側(cè)是可供市民參觀的盤旋坡道，底部是議會大廳的玻璃天窗，核心部位就是被稱為“光線雕刻家”的倒錐體光反射裝置。巨大的錐體上覆蓋著360塊各種角度的鏡子，將水平光線反射成柔和的漫射光，均勻地散射到下面的議會大廳里，再加上兩側(cè)庭院的天然采光，基本可以確保議會大廳的日間照明需要，降低了人工照明對電力的消耗。

在美國劍橋市的輝瑞中心，德國建筑師班尼士在中庭內(nèi)營造出了“光瀑布”。他將中庭內(nèi)側(cè)南向的墻面設(shè)計成反光欄板和光墻，增強自然光的反射。中庭內(nèi)懸掛的“枝形吊燈”，下面垂下768個可自由移動的光偏轉(zhuǎn)板，不僅能將光線折射到四周房間和中庭底部，還可以控制折射角度避免眩光，同時又成為中庭內(nèi)極具審美感的立體裝飾，兼具了節(jié)能性和藝術(shù)性。

三、導(dǎo)光裝置

導(dǎo)光裝置主要是利用光的反射、衍射、折射等特性，運用先進的技術(shù)、設(shè)備，將自然光引入到需要的地方，主要設(shè)備有導(dǎo)光管、反光板、導(dǎo)光棱鏡窗、光導(dǎo)纖維等。

反光板的應(yīng)用非常普遍，它是一種歷史悠久的天然采光構(gòu)件，是在立面窗口內(nèi)側(cè)安裝的一塊水平或者傾斜的擋板。反光板通常安裝于高側(cè)窗下方，根據(jù)窗戶形式的不同，又分為下部有觀景窗和無觀景窗兩種。反光板安裝于觀景窗和高側(cè)窗之間時，上部采光窗的玻璃透光率要高，以便使更多光線進入室內(nèi)被反射到房間后部，下部觀景窗的透光率要低，降低近窗處照度，并減少直接眩光。反光板的上表面要采用淺色飾面以提高反射率，表面光滑程度要適當，以避免晴天由于光滑程度過高導(dǎo)致天花板上產(chǎn)生過亮的光斑。

導(dǎo)光管主要由收集日光的集光器、傳輸光的管體和室內(nèi)出光口三部分組成，集光器有固定和移動之分，移動的集光器可以跟蹤太陽軌跡，最大限度地采集日光。導(dǎo)光管傳輸光線的距離可以達到十幾米甚至幾十米，而且易于安裝和維護、使用壽命長，是一種比較理想的天然采光裝置。美國華盛頓的摩根·劉易斯國際法辦公總部的中庭是一個高42.7m，寬僅2.4m的狹窄空間，自然光無法深入，利用導(dǎo)光管獲得了足夠的天然采光。這套導(dǎo)光管在屋頂有一個日光反射裝置，可以追蹤太陽軌跡，將陽光引入到導(dǎo)光管中；導(dǎo)光管的中心是由棱鏡玻璃組成的錐體，能夠向外折射陽光；導(dǎo)光管外層是合成彈力纖維制作的表皮，引入的光線透過這一表皮發(fā)散到中庭的墻面和窗戶上，最后還在底層休息廳的地面上投下美麗的放射狀圖案[4]。

光導(dǎo)纖維采光系統(tǒng)是由聚光部分、傳光部分和出光部分組成，聚光部分將太陽光聚在焦點上，對準光纖束，使光線進入光纖束后經(jīng)過不斷的全反射傳輸?shù)搅硪欢?，由室?nèi)的散光器輸出光線。光導(dǎo)纖維相對于導(dǎo)光管不僅要細很多，而且能隨意彎曲進入每個樓層的吊頂內(nèi)，還可以按照需要布置出光口。

導(dǎo)光棱鏡窗的一面是帶有平行的棱鏡而另外一面是平的，利用棱鏡的折射作用改變?nèi)肷涔獾姆较颍行У販p少窗戶附近的眩光，提高室內(nèi)照度的舒適度。由于棱鏡窗的折射作用，可以在建筑內(nèi)距較小時，獲得更多的陽光。由于導(dǎo)光棱鏡窗呈現(xiàn)的室外景象是模糊或變形的，所以多用于天窗。德國波恩國會大廈執(zhí)政黨廳使用了導(dǎo)光棱鏡窗作為天窗，室內(nèi)光線均勻柔和。

四、遮陽措施

太陽光雖然能給我們帶來光亮，但是過多的太陽輻射熱和眩光也會影響室內(nèi)環(huán)境的舒適度，采取適當?shù)恼陉柎胧┛杀苊庵鄙潢柟猓乐寡９猓覂?nèi)照度更均勻。常用的遮陽措施主要有選用鑲嵌材料、中空內(nèi)置百葉窗和使用遮陽設(shè)施。

采光窗的鑲嵌材料多以玻璃為主，我國北方采暖地區(qū)通常采用透光率較高的雙層中空玻璃，南方夏熱地區(qū)可以選擇折光型或漫射型的印花玻璃，單銀或雙銀Low-E玻璃，阻擋紫外線的光致變色玻璃或阻擋紅外線的電致變色玻璃，還可以選用環(huán)氧樹脂玻璃鋼替代普通平板玻璃，降低太陽輻射熱的同時減少眩光。

近幾年，我國已有廠家研制生產(chǎn)出中空內(nèi)置百葉窗，其實是把中空玻璃和百葉窗有機結(jié)合為一體，將可調(diào)百葉窗密封在中空玻璃的內(nèi)部空間，靠手動磁控變換葉片的方向。中空內(nèi)置百葉窗除了具有中空玻璃的全部功能外，還有更好的隔熱遮陽效果，用透明玻璃便可達到鍍膜玻璃制作中空玻璃的節(jié)能效果。

在室內(nèi)設(shè)計中宜采用結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、經(jīng)濟美觀、便于維護的遮陽設(shè)施，主要有遮陽百葉、遮陽簾和遮陽紗幕等。

遮陽百葉的材質(zhì)有帆布、玻璃鋼、玻璃、金屬等，其中金屬的遮陽效果最好，其次是玻璃鋼和厚帆布，最后是玻璃，而深色玻璃又比淺色玻璃的遮陽性能好。德國國會大廈玻璃穹頂內(nèi)安裝了一個巨大的弧形葉片狀遮陽設(shè)施，它可以跟隨太陽的運行軌跡運轉(zhuǎn)以更好地遮擋耀眼的陽光，圓形金屬管做成的百頁使透射下來的光影更加柔和。

遮陽簾有竹簾、布簾、紗簾或者再生材料等，最顯著的優(yōu)點就是可活動性，對光線的獲取完全隨心所欲。布簾的質(zhì)地厚薄疏密不同，能滿足遮光的不同需求，南通火車站玻璃幕墻利用可收縮的布簾減少室內(nèi)眩光。紗簾具有半透明的遮光效果，可以采用不同面料達到上部透光而下部遮光，增加房間深處光線的同時避免近窗工作面上形成眩光。

遮陽紗幕是一種新型遮陽材料，主要由玻璃纖維制作，在安裝上與防蟲紗窗類似，緊貼在窗外側(cè)，與窗戶融為一體，對外立面效果幾乎不產(chǎn)生影響。紗幕的稠稀度決定射入室內(nèi)陽光的多少，不僅保持了玻璃的可見度和天然采光，而且可以清晰的觀賞室外的景色，紗幕的顏色越深，視野越清晰。GSW總部大樓的遮陽紗幕密集而細小，窗外的柏林都市全景清晰可見，室內(nèi)光線驚人的和諧均勻，同時冬天又不會減少熱能的獲取。

結(jié)語

室內(nèi)設(shè)計中不僅可以通過調(diào)整采光口、設(shè)置采光裝置、適當遮陽等方法，還可以將工作區(qū)域靠近采光面，靠窗放置低矮家具，采用淺色飾面等合理的室內(nèi)裝飾手法，充分運用天然采光，節(jié)約人工照明能耗，在滿足室內(nèi)裝飾美的同時達到節(jié)能的目的，提高室內(nèi)光環(huán)境的舒適度，營造宜居室內(nèi)光環(huán)境。

[1]付祥釗.夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[2]彭鵬，鄭潔，周玉禮，朱磊．頂部采光的節(jié)能分析[J]．照明工程學(xué)報，2007,(3).

[3]楊倩苗，高輝．中庭的天然采光設(shè)計[J]．建筑學(xué)報，2007，(9).

[4]胡華，曾堅，馬劍．可持續(xù)的建筑天然采光技術(shù)[J]．新建筑，2006,(5).