发达国家建筑采光方法和节能设计

夏 斐 译

（英国艾克福建筑设计咨询有限公司，英国）

建筑大师密斯凡德罗说过，“建筑的历史就是人类为光而斗争的历史，即窗的历史”。今天，这一斗争随着新技术和设计方法的发展仍在延续，建筑师和照明专家将有机会取得一些进展。这里我们讨论的采光是指运用直接、反射或其他辅助手段为建筑物内部提供自然光的技术。

研究自然采光的目的是为了获得一个更加令人满意的室内环境，使得建筑使用者更好地感受到与户外环境的连接。同时合理有效地利用自然光也是为了降低不断提高的能源成本。照明能耗在建筑能耗中占有很大的比例，据统计中国照明用电量约占总用电量的12%。另外，在得到了更舒适、节能环保的环境后，该房屋或物业的经济价值会得到一定程度的提升。

无可否认，一些室内空间需要戏剧化的美学效果，如教堂、剧场。然而，在大量商业、办公、教育、医疗、居住等建筑中，我们需要一个好的采光方案，能够在阴晴天气让自然光渗透到建筑物内部，并且避免过多地吸收直接或反射的眩光，避免不必要的阴影以及过度的光线亮度和不均匀度。

一个简单的方式来看待自然采光是将设计问题分解成静态和动态2个部分。静态部分包括太阳和建筑。太阳是我们最强大、最活跃的光源，我们要有效地采集和分配这些宝贵的日光。在晴朗的天气下日光可以被直接捕获，而在阴天，日光可以作为一个被反射元素捕捉到。静态部分还包括一个固定的建筑形体和电力照明系统。动态部分则包含光的传输介质和控制手段。为了利用直接和反射的日光并将其引入建筑内需要的地方，我们可以利用建筑中光的传输介质，这些介质包括窗户、玻璃、天窗、光反射板、百叶窗、室内表面等，我们利用这些传输介质来直射、扩散和反射阳光。

众所周知，太阳在带来了光的同时也带来了热，建筑节能需要综合考虑建筑的各项指标，在降低能耗的同时提供给使用者一个舒适的工作环境。如何利用被动的方式控制和调节建筑内部热量和温度，我们将在以后的文章中阐述。本文我们将重点论述自然光的采集和分配，并且可以进一步将其划分为2类，被动采光和主动采光。

1 被动采光

1.1 建筑设计

建筑物的外部表面越多从顶部和侧面渗透进建筑内部的光线则越多，比如窗户、天窗、中庭、穹顶、半透明的膜屋顶等。在复杂的建筑物中，把自然光从外部引入较深入的内部空间具有一定的挑战性。另外，建筑物南面接收日光最稳定，北边获取最少，但光的质量更加稳定。此外，大楼的设计决定了建筑结构组件阻挡了多少面积的日光，多少楼层面积可以获取自然光照明。建筑设计方案中可以利用中庭，将大量的太阳光分配进建筑物内部，小的空间也可通过天窗、高窗或窗墙引入自然光。对于窗户，理想的方式是大面积的开窗并尽量接近天花板，因为窗口较高，日光渗透能更加深入。理想的情况是具有多个窗口，并适当间隔，以提高光分布的均匀度。夏季和冬季日光照射中庭建筑示意如图1所示。

图1 夏季和冬季日光照射中庭建筑示意

1.2 室内设计

高大的物体会阻挡光，深色的表面会吸收光线。天花板和墙壁都是照明系统本身的一部分，它们可以起到漫反射作用帮助日光渗透到更深的内部空间。因此，天花板应有高反射率，墙壁表面应该是浅色。避免深色的家具可以使室内的亮度均匀性更舒适。同样，建筑物外部周边的浅色地面可以提高向上反射到窗户和室内天花板的光量，并且影响光线的颜色。

1.3 窗户材质

窗户的材质可以控制进入室内的日光和热量并使他们保持恒定的数值。大部分新的建筑现在使用中空玻璃，有一个空气层夹在2片玻璃之间。一些窗户空气层中的百叶、棱镜和光传输纤维可以将日光扩散照射到天花板上，然后重新反射到工作平面。反射的角度可根据当地的具体情况而定。在温暖的气候中，具有光谱选择性的建筑玻璃可以用来引入可见光，同时反射不需要的红外线，在寒冷的气候，用低辐射涂层的窗户可以将热量反射回建筑内部。

1.4 传输介质

把光线引入高层建筑物内部具有一定的挑战性，尤其是朝北底层的房间。有很多手段可以帮助完成这一挑战。例如，在窗口上方安装的反射板能够将光线朝天花板上反射，可以将光线向房间内传递得更深。在建筑物内部，窗帘、百叶窗、百叶、挡板等装置可以将光线控制得非常协调。在建筑物外部，一些外部的建筑构件，比如悬挑板、挡板、屏幕和格架等，可以化解或阻止直射的日光。另一种类型是传输光管，这些设备可以为多层建筑物的底层内部或者难以采光的区域提供一个“天窗”。某建筑采光设计方案和窗口设计示意图见图2。

图2 某建筑采光设计方案和窗口设计示意图

2 主动采光

2.1 定日镜和跟踪设备

定日镜是一种碟形镜，跟踪太阳，将日光集中反射到另一个固定的镜子上。定日镜可以动态地调整主反射镜来跟踪太阳，以最大限度地在白天捕捉和利用太阳光。定日镜利用一个光传感器，脉冲电动机和一个计算机程序跟踪太阳的变化。一旦光线被捕捉到会使用具有高反射性能的光管将光线分配到建筑物需要的地方。这一装置的缺点是必须经常维护，以防止污垢和灰尘影响其效果。定日镜外观及原理图分别见图3、图4所示。

图3 定日镜外观效果

图4 定日镜工作原理

瑞士Heliobus公司设计的某定日镜装置，通过特制的镜面从大楼顶层收集阳光，光线通过高反射率的光管引入大楼内部无法获取自然光的部分。密执安理工大学设计的定日镜方案见图5。

图5 密执安理工大学设计的定日镜方案

密执安理工大学设计的某高层建筑方案，其利用了定日镜技术原理将从建筑立面获取的自然光线集中收集并通过镜面反射进入建筑中庭的底层空间。

2.2 传输介质

现代的科技可以让建筑构件，例如百叶窗、遮阳板、玻璃、天窗等，在不同的季节通过手动或由电脑控制的方式来调节部件的性能或角度，由此控制太阳光和热进入建筑内部的多少。现代建筑的日光控制构件如图6所示。

图6 现代建筑立面上的日光控制构件

2.3 “聪明窗”

这种含有光敏叠层的“聪明窗”正在被开发中，在这些具有微叠层的玻璃上可以积极响应环境的变化，主动地控制进入建筑内部的日光和热量的强度变化。

不论被动还是主动的方式，以上哪个才是合适的解决方案？这取决于客户的目标、预算和当地的气候条件。无论哪一种方案都要为一个特定环境中的特定建筑量身定做。因为我们采集的太阳光是光线的来源，不同地理气候条件下，太阳的角度，高度都有差别，当地的温度、湿度、风向和周围的遮挡物等都会对采光设计的考虑构成影响，一个成功的方案将很大程度上取决于好的规划和设计。在设计之前，必须采集大量的数据，在采光设备安装后，必须进行有效地校准和测试。现在我们可以使用一些便捷的光线模拟电脑软件来辅助设计采光，比如Ecotect，Radiance等。此外，把按比例制作的实物模型放置在专门的“人工天空”（artificial sky）实验室中，通过照度测量器测试也是常见的方法。Ecotect和Radiance软件模拟见图7所示。

图7 Ecotect和Radiance软件模拟

在Ecotect和Radiance中的电脑模型可以较为精确地模拟和计算一个工作面或是三维空间的亮度数据。

（资料来源：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 摄