光线偏转回复系统在建筑中的应用

赵小晴

摘要：通过对光线偏转回复技术的原理、设计及建筑中的应用进行研究和分析，指出了它在动态自然采光、建筑节能和在创造更加舒适的物理环境方面起到了重要的作用。并以此为基础，开发出了与自然通风和储热墙相结合的，新型太阳能墙体。

关键词：光线偏转回复；遮阳；自然采光

中图分类号： C93 文献标识码： A

1引言

太阳能是大自然赐予的宝贵财富，是一切能源之源，在漫长历史长河中，人类从早期的生火做饭、取暖照明，到如今的光热采暖、光伏发电，无论是量还是质上都有了跨越式的进步和发展。然而这一切并不意味着人类已经完全将太阳能的利用与开发牢牢的掌握在手中，在太阳能建筑的设计与开发过程中仍然面临着大量的问题与矛盾。特别是近年来人类对建筑高度要求的越来越高，可视化程度越来越大，及对西方现代建筑思潮的追随，当今的中国出现的大量的透明建筑。但这种建筑并非是人们想象中的既能夏季遮阳降温、冬季被动采暖，还能完成全年的自然采光需求。特别是自然采光在没有其它相应的技术支持单单依靠玻璃材料自身属性的前提下出现了很多问题，如内部空间深处照度低、日照时间短，靠窗位置眩光等问题，造成一边挂着杂乱的遮阳百叶或窗帘，一边开着室内的人工照明。尤其是在夏季，还必须加强室内制冷系统的功率来消除因照明而产生的热量（人类科技目前能够达到的当量值仅为50lm/W而太阳的辐射当量是100lm/W），且在有色玻璃建筑中，需要增加的人工照明更加普遍，浪费的能源更多。本文通过对光线偏转回复技术的原理、设计及在建筑中的应用进行分析和研究，并以此为基础，开发出了动态百叶窗及与自然通风和储热墙相结合的新型太阳能墙体，为我国未来的建筑节能改造和太阳能建筑设计提供了一种重要的技术选择。 图1.建筑中杂乱的遮阳帘

2设计分析

光线偏转回复系统就是将日光引入建筑内部，准确的控制并将其按照一定的方式进行分配（如图2）。光线偏转的目的是影响入射光线的方向和强度，从而提高视觉的舒适度和人体的热舒适性；回复技术的目标是反射过量的热辐射和过多阳光，以减少过度舒适的泛滥。光线偏转回复系统也称为被动的太阳能系统，它能在冬季对照度角度较低的光线进行透射，为室内进行被动的加热提供额外的热能；对夏季对照度角度高，辐射强度大的光线进行反复反射，以获得被动制冷。而目前的大多数遮阳系统只是在建筑的外立面上简单采用的水平式、垂直式、综合式等遮阳设计手法（大多数的业主由于建筑美观和透明度的追求不采用遮阳设施而使用者被迫自行设置遮阳帘,造成外立面杂乱感），主要以引导冬季和过渡季节光线的进入，阻挡夏日的太阳辐射，却忽视了夏季自然光线的利用。如传统的白色型百叶窗一到夏季为防止过度升温，会以一个较大的倾角（见图3）来阻挡过多的入射太阳光线，同时也包括所需的照明采光，结果导致室内黑暗。为避免此现状的继续蔓延，我们在建筑采用光线偏转回复系统，来创造更加舒适的室内环境。

图2.ecotect模拟光线偏转回复系统 图3. ecotect模拟大倾角夏季遮阳系统

光线偏转回复系统根据光线在全年中高度角高低不同的变化，对传统百叶进行改造，使其在太阳高度角较高的情况下既能以小角度倾斜，又能反射部分光线以满足建筑深处采光需求。改造方式是将原先的型百叶部件弯曲成W型（见图4）或V型（见图5），以期获得较高的系统透明系数和整体系统更高的隔热性。改进后的系统由反复反射器和光线支架两部分组成，它具有一次反射被动制冷；清除窗户眩光的高透明系数；理想的漫射光线；优良的可视性等优势。由于夏季反射器会吸收过多的能量且汇聚令人讨厌的热量，因此在反射器的材料选择上要求既能够反射光线又能反射热辐射的金属，此系统要求反射系数控制在82%左右，尺寸上宽度要求约为25mm,间隔约为17.5mm为宜；在系统的构造上要求表面光滑、有微型棱镜；以此既满足视觉通透，又满足动态采光。

图4.W型系统图5.V型系统

3系统应用

在系统与建筑侧窗相结合上，依据系统在建筑外围护结构中的不同位置可分为外置式，内置式，及玻璃窗格夹层式。这三种形式都有各自的特点，当太阳角度较高的时候，回复技术位于建筑物的外墙，90%以上的太阳能量会通过光线偏转技术向外墙偏转，只有少量的室内照明所需要的光线会到达室内，此时太阳辐射光线被反复反射而不是被吸收时，建筑物外墙的过度升温现象就会避免；安置在室内的光回复技术通过对光和热的反射，可以将大约入射能量的50%偏转回室外，又由于有玻璃层，最终只有13%~26%的太阳能量辐射入室内；安置在隔热玻璃中的回复技术，根据玻璃涂层的情况不同，90%的太阳会被阻挡，最多只有7%~10%的能量以光和热的形式被传输进去。因玻璃窗夹层式系统兼有抵挡灰尘和污物，而且还有只需要通过自动调整而不需任何可移动的部件，故在市场中此系统应用的较多。

通过对外墙的分析知，上部区域较适于低角度光线的入射，可用来提高光线分布至室内深入；中部区域主要用来给附近的工作空间提供照明，在保持遮光功能的同时兼顾与屋外保持视觉联系；下部栏杆区域虽不必为房间提供日光照明，但它能为空间的使用者提供下方的景致。因此上层窗区域，应用其角度较平的光线支架部分，使光线可以涌入室内更深处；下层窗区域，用一个更陡的光线支架部分将光线引至天花板；这样光线偏转回复系统的上下部分都只由一个单独的指令来控制。在对W型系统进行改造的过程中我们又优化出平缓型光型支架（见图6）主要为将光线偏转到建筑的深处（见图8）；及陡峭型光线支架（见图7）主要将光线偏转到顶棚，避免眩光及大量的热辐射（见图9）。

图6.平缓型光型支架图7.陡峭型光线支架

图8.上部区域光线的入射形式图9.中部区域光线的入射形式

同时，光线偏转回复系统也能对夜间的人工照明起到一定的调节作用。据研究显示由于工作空间几乎都是通过利用单面外墙来采光，当外部日光照明可自然分配时，若从窗户到室内的人造光强度出现减弱，用于办公建筑的夜间照明能耗就会有明显的下降。因此在外窗采光区域添加光线偏转与人工照明系统，使照明灯产生的人造光改变方向，偏转到建筑深处，产生光照过渡的现象，是充分、有效利用好人造光照明和自然光照明结合的方法之一。即便是在白天日照度较低的情况下系统也能应用人造光和来自建筑物外墙的直射自然光的合成光

图10.光线偏转回复系统在侧窗中的应用 束，来对因光照度明显下降而造成照明不足给予补充，而不仅是像通常情况下那样，只是简单的调节人造灯的明亮程度。左图10为常见的光线偏转回复系统在建筑中的利用形式。

4新型外墙开发

4.1通风窗与光线偏转回复系统结合

自然通风在现代建筑中已经成为一个首要话题。当前，平行的通风窗、铰链窗、“可呼吸的”外墙，以及其上有向外打开用于通风换气的类似于隔板的百叶窗，在现在的建筑中得到了较多的应用。此时将光线偏转回复系统嵌在隔热玻璃内部或位于结构内侧，既可以阻挡太阳光的过度辐射，满足室内照度值，又能在建筑需要被动冷却的时候，进行自然通风。其中双层通风地板处可作为冷空气的入口，对室内空间进行热辐射换热，并利用室内空间的热压差将内部污浊的空气排出室外（见图11）。

图11.通风窗与光线偏转回复系统结合

4.1蓄热墙与光线偏转回复系统结合

蓄热墙是一种充分利用太阳能以减少建筑能耗为目的建筑围护结构形式，它包括有内通风口和无内通风口两种形式。无内通风口式集热蓄热墙冬季蓄热层是密闭的，发挥了重质墙体的蓄热作用和空气间层的热阻作用，依靠导热向室内传递热量;有内通风口式集热蓄热墙依靠空气间层与室内的对流换热和墙体的导热两种方式向室内传递热量。在夏季光线偏转回复系统结合蓄热墙体形成遮阳阻挡过度的热辐射侵入，避免过热和实现降温（见图12）。

图12.蓄热墙与光线偏转回复系统结合

4总结

光线偏转回复系统能整年无休的满足建筑对自然采光的需求，在办公空间中当系统可以与有效的日光结合应用时，改进的日光应用技术将节省30%~70%用来提供人工照明的电力。因此它与一般的遮阳系统相比有着更好的利用效率，能提供更理想和高质量的照明，不仅节约了能源还提高了员工的工作效率，是未来太阳能建筑自然采光中推广的重要技术，具有较好的发展前途。

参考文献：

[1]赫尔穆特-考斯特注.王宏伟译. 动态采光建筑原理与应用. 中国电力出版社，2007，

[2](美)阿尔温德·克里尚等.建筑节能设计手册(气候与建筑)[K].刘加平,张继良,谭良斌,译.北京:中国建筑工业出版社,2005.

[3]张祖刚,陈衍庆.建筑技术新论[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[4]吕平,等. 新型装饰工程材料[M].上海:同济大学出版社,1999.