自然采光對高層建筑的節(jié)能控制意義

彭 力，翁 季

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

0 引言

人眼在天然光下比在人工光下具有更高的視覺功效，這表明人類在長期的進(jìn)化過程中，眼睛已經(jīng)習(xí)慣于天然光。太陽能是一種安全的清潔能源，室內(nèi)充分利用自然光，就可起到節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的作用。而我國地處溫帶，氣候溫和，天然光豐富，也為充分利用自然光提供了有利的條件。在高層建筑的設(shè)計(jì)中，自然光能產(chǎn)生良好的光影變化和自然效果，給建筑物里的人以層次感。高層建筑的采光設(shè)計(jì)必須遵循一定的原則和方法，才能使建筑的綜合性得以提升，節(jié)能效率更高。

1 高層建筑自然采光的設(shè)計(jì)原則

1.1 滿足照明功能

高層建筑的采光首先應(yīng)該滿足的是其照明功能，這也是最基本的功能。高層建筑的臥室、客廳、書房都必須要有直接的采光，符合日常生活的視覺光照度要求即可。對于人們工作、學(xué)習(xí)的區(qū)域，它的照度應(yīng)該符合照明標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，亮度不應(yīng)變化太大，以免引起視覺疲勞。好的設(shè)計(jì)可以減少室內(nèi)工作區(qū)光線強(qiáng)度變化過大和眩光等現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 滿足藝術(shù)功能

一個(gè)人對于空間體型的視感，不僅出自物體本身的外形，還出自被光線修飾過的外形。在建筑設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者可以通過采光區(qū)域的設(shè)置，使某些表面被照明，突出它的存在;而將另一些處于暗處，使之退后，處于次要的位置，用以表達(dá)預(yù)期的空間藝術(shù)效果。這樣不僅滿足了生活在高層建筑里人們的視覺審美需求，還有利于保護(hù)他們的視力和身心健康。

1.3 滿足節(jié)能功能

我國現(xiàn)代高層辦公樓中的照明所耗電力占了總電力消耗的三成以上。相同照明度的自然光要比人工照明所產(chǎn)生的熱量少了很多，可使調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度所耗費(fèi)的能源大大減少。可見，采用自然光照明是高層建筑節(jié)能的重要途徑之一。

1.4 滿足環(huán)保功能

高層建筑的自然采光設(shè)計(jì)要注重環(huán)保理念，自然光除了照明，讓人們的視覺感到舒適之外，還可消除室內(nèi)霉氣，控制細(xì)菌滋生，促進(jìn)植物光合作用等，從而改善工作生活的環(huán)境。同時(shí)在采光設(shè)計(jì)中也應(yīng)注意到光污染問題，多使用構(gòu)造與技術(shù)相融合的玻璃幕墻，最大程度地減輕光污染，從而保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

2 高層建筑自然采光設(shè)計(jì)步驟

為了在建筑采光設(shè)計(jì)中，充分利用天然光，創(chuàng)造良好的光環(huán)境和節(jié)約能源，就必須按照一定的采光設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 搜集資料

在搜集資料的過程中，首先應(yīng)該了解設(shè)計(jì)對象對采光的具體要求。同一個(gè)房間的工作不一定是完全一樣的，可能有粗也有細(xì)。有的工作面可能處于垂直、水平或是傾斜的位置，不同的工作面位置與選擇窗的形式和位置有關(guān)。然后，要考慮工作對象的表面狀況，工作表面是光滑的還是粗糙的，都對確定窗的位置有一定的影響。由于光滑的物體表面產(chǎn)生規(guī)則反射，如果窗的位置布置不當(dāng)，可能使明亮的窗口形象恰好反射到人的眼中，造成眩光，嚴(yán)重影響可見度。最后，還要了解各功能分區(qū)對采光的要求，照度要求高的布置在窗口附近，照度要求低的區(qū)域遠(yuǎn)離窗口。

2.2 選擇窗洞口的形式

根據(jù)上一節(jié)搜集到的資料來選擇窗洞口的形式，同時(shí)還要結(jié)合建筑物的朝向、尺度、功能分區(qū)、周圍環(huán)境來對初選的形式加以改變。在一棟建筑物中可以采取幾種不同的窗洞口形式，以滿足不同的要求。在進(jìn)深大的房間，如客廳，一般配備玻璃陽臺(tái)門解決房屋中間采光不足的情況。房間的朝向?yàn)槟舷驎r(shí)，可采用小側(cè)窗來避免陽光直射。

2.3 選擇窗洞口的形式及開設(shè)面積

如果是在朝向南北的側(cè)墻上，盡量開設(shè)側(cè)窗，側(cè)窗建造方便，造價(jià)低廉，維護(hù)使用方便。如果采光不足，可以考慮開設(shè)玻璃幕墻等。開設(shè)面積應(yīng)該根據(jù)房間尺寸、朝向、窗洞口材料及厚度、表面污染程度、室內(nèi)表面反光程度等條件進(jìn)行采光計(jì)算。采光計(jì)算時(shí)，首先要確定無限長帶形窗洞口的采光系數(shù)，然后根據(jù)實(shí)際情況考慮各種影響因素，加以修正得到采光系數(shù)的最低值。

2.4 布置窗洞口

根據(jù)上一步驟初步計(jì)算出了需要的窗洞口面積，確定了高、寬等尺寸以后，就可以進(jìn)一步確定窗的位置，這里不僅考慮采光需要，還考慮通風(fēng)、美觀等要求，擬出幾個(gè)備選方案進(jìn)行比較，最后選出最優(yōu)方案。在完成采光設(shè)計(jì)之后，還應(yīng)采光驗(yàn)收，以便確認(rèn)最終方案是否滿足采光設(shè)計(jì)規(guī)范的各項(xiàng)要求。

3 高層建筑自然采光節(jié)能新技術(shù)

3.1 光導(dǎo)照明技術(shù)

光導(dǎo)照明又叫管道天窗照明。它是指室外自然光透過采光罩進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，然后經(jīng)過光導(dǎo)管高效傳輸?shù)焦艿赖撞?，再由高透光、高擴(kuò)散的漫射器將自然光均勻照射到室內(nèi)需要光線的任何地方的技術(shù)。從黎明到黃昏，甚至是陰雨天，光導(dǎo)照明系統(tǒng)導(dǎo)入室內(nèi)的光線仍然十分充足。

圖1 光導(dǎo)照明技術(shù)示意圖

安裝光導(dǎo)照明后，可以降低建筑物內(nèi)部80%以上白天照明能耗和10%以上的空調(diào)制冷消耗。同時(shí)，大量減少了二氧化碳和其他污染物的排放。另外，光導(dǎo)照明系統(tǒng)將陽光引入室內(nèi)，避免了人們長期在電光源下生活和工作，可避免許多疾病的產(chǎn)生。同時(shí)，光導(dǎo)照明也減少了白天因停電引起的安全隱患和用電引起的火災(zāi)隱患。有研究表明:光導(dǎo)照明技術(shù)(見圖1)每天不僅可以提供10 小時(shí)以上的自然光照明，還可以節(jié)省80% 以上的電能，改變了室內(nèi)必須依靠電力照明的單一方式。

3.2 光電玻璃幕墻

光電玻璃幕墻也稱為太陽能光電幕，它是一種高科技產(chǎn)品，集發(fā)電、隔音、隔熱、安全、裝飾功能于一身的新型建材，特別是太陽能電池發(fā)電不會(huì)排放二氧化碳或產(chǎn)生溫室效應(yīng)的有害氣體，也無噪音，是一種凈能源，與環(huán)境有很好的相容性。它不僅有時(shí)尚美觀的外觀，還將自然光與高層建筑完美融合。首先光電玻璃幕墻可以把自然光有效地轉(zhuǎn)化為電能，大大節(jié)省了高層建筑的電能;其次也可以避免光污染現(xiàn)象的產(chǎn)生;再次可以提高高層建筑幕墻的保溫隔熱性能與生態(tài)環(huán)保功能。但因價(jià)格比較昂貴，光電幕墻現(xiàn)多用于標(biāo)志性建筑的屋頂和外墻。充分體現(xiàn)了建筑的智能化與人性化特點(diǎn)，代表著國際上建筑光伏一體化技術(shù)的最新發(fā)展方向。

3.3 太陽能光纖照明裝置

雖然人們對太陽能的利用越來越廣泛，但是目前主要集中在將太陽能轉(zhuǎn)化為電能和熱能上，而光纖照明正是將太陽光直接加以利用的技術(shù)。自20 世紀(jì)30年代就被人們所認(rèn)識和接受的光纖照明技術(shù)由于材料成本和光衰減率太高等原因一直無法實(shí)現(xiàn)大批量的產(chǎn)業(yè)化和商品化，但是在20 世紀(jì)60年v代美國的杜邦公司初次采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為芯材制備出塑料光纖。在20 世紀(jì)70年v代末，日本三菱麗陽公司以高純MMA 單體聚合PMMA，使光纖損耗下降到200 dB/km。雖然這仍然沒有實(shí)現(xiàn)光纖照明的大批量產(chǎn)業(yè)和商品化，但是這將光纖裝飾照明真正推向了實(shí)用階段。

太陽能光纖燈利用太陽能作為能源主要有兩種方式:一是直接把太陽光引入室內(nèi)進(jìn)行照明，二是采取光伏發(fā)電，再通過光纖系統(tǒng)進(jìn)行照明。第一種方式也即直接把太陽光引入室內(nèi)進(jìn)行照明是現(xiàn)今運(yùn)用最廣的太陽能照明方式。

太陽能光纖照明系統(tǒng)是由聚光裝置、傳導(dǎo)裝置和放射裝置三部分構(gòu)成。如圖2 所示。

圖2 太陽能光纖照明技術(shù)示意圖

室外的自然光透過聚光裝置導(dǎo)入到照明系統(tǒng)中進(jìn)行重新分配，經(jīng)過傳導(dǎo)裝置(光纖)傳輸和強(qiáng)化后由系統(tǒng)底部的放射裝置(室內(nèi)末端投射裝置)把自然光均勻高效地照射到室內(nèi)，帶來自然光照明的特殊效果。

4 小 結(jié)

綜上所述，自然采光對于高層建筑的意義重大。人工采光易使人眼產(chǎn)生疲勞感，同時(shí)，也會(huì)耗費(fèi)大量的能源，給環(huán)境造成了巨大的壓力，而城市內(nèi)光環(huán)境的保護(hù)往往是人們忽視的地方。只有保護(hù)好了城市高層建筑的光環(huán)境，才能營造出良好的室內(nèi)工作生活環(huán)境，達(dá)到自然采光設(shè)計(jì)的初衷。相信經(jīng)過長期的努力，我國高層建筑的采光工作一定會(huì)走向節(jié)能環(huán)保的道路。

［1］陳仲林，等.建筑物理［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009:128～129

［2］邵雪軍.淺談高層建筑的自然采光設(shè)計(jì)與節(jié)能［J］.山西建筑，2008(14)

［3］陳紅兵，李德英，邵宗義，等.辦公建筑的天然采光實(shí)驗(yàn)研究［J］.建筑科學(xué)，2006(16):122

［4］蔡余萍，楊祖貴.高層寫字樓的自然采光設(shè)計(jì)［J］.四川建筑，2006(2):26