基于节能目的的室内自然光环境设计研究

2014-02-05余熙文

枣庄学院学报 2014年1期

余熙文

(合肥师范学院艺术传媒学院，安徽合肥 230601)

马尔科姆·韦尔斯在《温和建筑》中提到要提供人类舒适的生活环境就要利用自然光创造有意义而且健康的空间。据统计，建筑在运行过程中照明能耗占总能耗的40%～50%，而合理地设计和运用天然采光能够节约照明能耗50%～80%[1]。来自天空的漫射光线，光热比是最高的，作为低价、清洁、永不枯竭的能源是人们开源节流的最佳选择。为了在室内充分运用自然光达到节能的目的，本文主要从窗洞设计、中庭采光、反光装置、遮阳设施四个方面进行阐述。

一、窗洞设计

根据窗洞位置的不同可分为角窗采光、天窗采光及侧窗采光。

天窗是顶面采光的主要方式，采光效率比侧窗高出2～3倍，可以引入不同方向的自然光，但容易出现室温过高，垂直照度不均匀，产生眩光等问题。天窗采光应避免室内热能的损耗，根据所处地理位置不同采用合适的开窗比例，我国南方温暖地区，开窗率为5%时节能率达到13%，节能效果明显，而北方严寒地区节能效果不明显[2]。天窗的位置设计要合理，尽量靠近需要照射的区域。为使室内照度更加均匀，顶面开窗可以化整为零，将大的天窗分散为多个小天窗。

路易斯·康是运用自然光的大师，他在金贝尔艺术博物馆的天窗设计中将德克萨斯州强烈的自然光优雅地引入展厅的内部空间，解决了在一个进深过大的直线性建筑里的采光问题。他在拱顶中央设计了一条水平的窄缝，下部安装了弧形的反射板，自然光被反射到拱顶上，将直射的太阳光转化成柔和的散射光，均匀地撒满展厅的每个角落。他在菲利普·埃克塞特图书馆的圆形天窗里面设置了一个三角形板，自然光经过反射进入室内，获得柔和而优雅的室内漫反射光线。

侧窗采光是在房间的侧墙上开采光口，为最常用的一种采光方式。侧窗光线方向性明确，容易在房间内形成阴影，但是照度不均，从外往内的衰减速度很快。当房间的窗洞上口至房间深处的连线与地面所成的角度大于26度时，则可以保证房间进深方向的均匀性。侧窗通常做成矩形，就采光量而言，在相同房间，相同窗台高的情况下，正方形侧窗的采光量最高，竖形次之，扁形最少。窗户的大小和形式应根据所处地理位置和气候条件选择合适的窗墙比，提高窗周围墙面的反射能力，减少与窗口的亮度对比，改善室内亮度分布。

斯蒂文·霍尔在西雅图大学的圣依格内休斯礼拜堂的设计中利用各种彩色玻璃和涂有色彩的垂壁将侧窗的自然光分解散布在室内空间，呈现出各种不同的光照效果。东侧圣坛上方有一扇巨大的高侧窗，窗户内侧悬挂的窗板背后被涂成明亮而厚重的黄色，阳光从高侧窗射入，将明亮的黄色光线反射到室内，十字架的轮廓也被清晰地投射在墙壁上，运用自然光便达到一种神秘的灯光效果。

角窗是建筑物四角的纵横墙交接处的折线形窗户，具有良好的视野和采光。意大利建筑师卡洛·斯卡帕在卡诺瓦石膏像博物馆的改造设计中使用了独特的角窗采光，将地中海充沛的阳光引入室内。内凹的玻璃角窗仿佛是一个发光体，照亮了四周的墙壁，墙壁的抹灰面层采用威尼斯抹灰工艺，具有极好的漫反射效果，将光反射到室内每个角落，墙面和角窗之间设计成适宜的角度避免了眩光的产生。

二、中庭采光

中庭就像一个“光通道”，能够让天然的光线射入建筑的深处，使进深较大的建筑实现天然采光，天井、庭院、和建筑凹口是中庭的特殊形式。中庭顶部采光，在其它条件相同时，中庭采光面积越大，中庭采光系数就越大，但随着高度和面积的增加，采光系数增长趋向缓慢。英国剑桥大学马丁研究中心研究表明，中庭高宽比在3∶1数值范围以内，中庭相邻空间就能得到符合工作照度要求的足够的天然光线[3]。

德国国会大厦曾因战火失去了中央的穹顶，只剩下几尺厚的外墙。福斯特在改造时，利用新技术模拟了一个玻璃穹顶，同时保留了原来的两个庭院。玻璃穹顶的内侧是可供市民参观的盘旋坡道，底部是议会大厅的玻璃天窗，核心部位就是被称为“光线雕刻家”的倒锥体光反射装置。巨大的锥体上覆盖着360块各种角度的镜子，将水平光线反射成柔和的漫射光，均匀地散射到下面的议会大厅里，再加上两侧庭院的天然采光，基本可以确保议会大厅的日间照明需要，降低了人工照明对电力的消耗。

在美国剑桥市的辉瑞中心，德国建筑师班尼士在中庭内营造出了“光瀑布”。他将中庭内侧南向的墙面设计成反光栏板和光墙，增强自然光的反射。中庭内悬挂的“枝形吊灯”，下面垂下768个可自由移动的光偏转板，不仅能将光线折射到四周房间和中庭底部，还可以控制折射角度避免眩光，同时又成为中庭内极具审美感的立体装饰，兼具了节能性和艺术性。

三、导光装置

导光装置主要是利用光的反射、衍射、折射等特性，运用先进的技术、设备，将自然光引入到需要的地方，主要设备有导光管、反光板、导光棱镜窗、光导纤维等。

反光板的应用非常普遍，它是一种历史悠久的天然采光构件，是在立面窗口内侧安装的一块水平或者倾斜的挡板。反光板通常安装于高侧窗下方，根据窗户形式的不同，又分为下部有观景窗和无观景窗两种。反光板安装于观景窗和高侧窗之间时，上部采光窗的玻璃透光率要高，以便使更多光线进入室内被反射到房间后部，下部观景窗的透光率要低，降低近窗处照度，并减少直接眩光。反光板的上表面要采用浅色饰面以提高反射率，表面光滑程度要适当，以避免晴天由于光滑程度过高导致天花板上产生过亮的光斑。

导光管主要由收集日光的集光器、传输光的管体和室内出光口三部分组成，集光器有固定和移动之分，移动的集光器可以跟踪太阳轨迹，最大限度地采集日光。导光管传输光线的距离可以达到十几米甚至几十米，而且易于安装和维护、使用寿命长，是一种比较理想的天然采光装置。美国华盛顿的摩根·刘易斯国际法办公总部的中庭是一个高42.7m，宽仅2.4m的狭窄空间，自然光无法深入，利用导光管获得了足够的天然采光。这套导光管在屋顶有一个日光反射装置，可以追踪太阳轨迹，将阳光引入到导光管中；导光管的中心是由棱镜玻璃组成的锥体，能够向外折射阳光；导光管外层是合成弹力纤维制作的表皮，引入的光线透过这一表皮发散到中庭的墙面和窗户上，最后还在底层休息厅的地面上投下美丽的放射状图案[4]。

光导纤维采光系统是由聚光部分、传光部分和出光部分组成，聚光部分将太阳光聚在焦点上，对准光纤束，使光线进入光纤束后经过不断的全反射传输到另一端，由室内的散光器输出光线。光导纤维相对于导光管不仅要细很多，而且能随意弯曲进入每个楼层的吊顶内，还可以按照需要布置出光口。

导光棱镜窗的一面是带有平行的棱镜而另外一面是平的，利用棱镜的折射作用改变入射光的方向，有效地减少窗户附近的眩光，提高室内照度的舒适度。由于棱镜窗的折射作用，可以在建筑内距较小时，获得更多的阳光。由于导光棱镜窗呈现的室外景象是模糊或变形的，所以多用于天窗。德国波恩国会大厦执政党厅使用了导光棱镜窗作为天窗，室内光线均匀柔和。

四、遮阳措施

太阳光虽然能给我们带来光亮，但是过多的太阳辐射热和眩光也会影响室内环境的舒适度，采取适当的遮阳措施可避免直射阳光，防止眩光，室内照度更均匀。常用的遮阳措施主要有选用镶嵌材料、中空内置百叶窗和使用遮阳设施。

采光窗的镶嵌材料多以玻璃为主，我国北方采暖地区通常采用透光率较高的双层中空玻璃，南方夏热地区可以选择折光型或漫射型的印花玻璃，单银或双银Low-E玻璃，阻挡紫外线的光致变色玻璃或阻挡红外线的电致变色玻璃，还可以选用环氧树脂玻璃钢替代普通平板玻璃，降低太阳辐射热的同时减少眩光。

近几年，我国已有厂家研制生产出中空内置百叶窗，其实是把中空玻璃和百叶窗有机结合为一体，将可调百叶窗密封在中空玻璃的内部空间，靠手动磁控变换叶片的方向。中空内置百叶窗除了具有中空玻璃的全部功能外，还有更好的隔热遮阳效果，用透明玻璃便可达到镀膜玻璃制作中空玻璃的节能效果。

在室内设计中宜采用结构简单、安装方便、经济美观、便于维护的遮阳设施，主要有遮阳百叶、遮阳帘和遮阳纱幕等。

遮阳百叶的材质有帆布、玻璃钢、玻璃、金属等，其中金属的遮阳效果最好，其次是玻璃钢和厚帆布，最后是玻璃，而深色玻璃又比浅色玻璃的遮阳性能好。德国国会大厦玻璃穹顶内安装了一个巨大的弧形叶片状遮阳设施，它可以跟随太阳的运行轨迹运转以更好地遮挡耀眼的阳光，圆形金属管做成的百页使透射下来的光影更加柔和。

遮阳帘有竹帘、布帘、纱帘或者再生材料等，最显著的优点就是可活动性，对光线的获取完全随心所欲。布帘的质地厚薄疏密不同，能满足遮光的不同需求，南通火车站玻璃幕墙利用可收缩的布帘减少室内眩光。纱帘具有半透明的遮光效果，可以采用不同面料达到上部透光而下部遮光，增加房间深处光线的同时避免近窗工作面上形成眩光。

遮阳纱幕是一种新型遮阳材料，主要由玻璃纤维制作，在安装上与防虫纱窗类似，紧贴在窗外侧，与窗户融为一体，对外立面效果几乎不产生影响。纱幕的稠稀度决定射入室内阳光的多少，不仅保持了玻璃的可见度和天然采光，而且可以清晰的观赏室外的景色，纱幕的颜色越深，视野越清晰。GSW总部大楼的遮阳纱幕密集而细小，窗外的柏林都市全景清晰可见，室内光线惊人的和谐均匀，同时冬天又不会减少热能的获取。