上海世博园地下空间阳光导入技术分析

甘 源

(中铁二院， 四川成都 610031)



上海世博园地下空间阳光导入技术分析

甘 源

(中铁二院， 四川成都 610031)

自然光线引入地下空间对改善其环境具有重要意义。利用自然采光，不仅可以节约大量人工照明耗费，实现绿色照明与可持续发展，而且能够满足人体的生理与心理健康需求，创造接近自然环境的生态地下空间。文章针对国内外阳光导入的技术、经验、适用条件及相关实例进行集成与分析，并结合上海世博园区地下开发定位思路及总体布局规划，及对世博园区地下空间的阳光导入方案的分析，希望对我国相关领域的进一步研究有所启发与借鉴。

阳光导入； 主动式； 被动式； 生态； 地下空间

1 引言

1.1 地下空间阳光导入技术的应用价值

地下空间，大多给人的印象是昏暗与沉闷。然而2010年世博园区的“阳光谷”使这一问题迎刃而解。“阳光谷”每个高40 m，上口最大直径为90 m，如图1、图2所示，分布在世博轴的入口及中部，它们的独特形态能够帮助阳光自然倾斜到地下，既利于提高空气质量，又能节省人工照明带来的能源消耗。“阳光谷”就如同一个“漏斗”，通过表面巨膜的合理遮挡，可达到有效的遮光作用。“阳光谷”采用钢结构，让自然光倾泻而下，满足部分地下空间的采光，体现环保、节约办世博的理念。图3为世博轴4号“阳光谷”。

图1 “阳光谷”内景

图2 “阳光谷”外貌

图3 世博园4号阳光谷

地下空间环境的舒适程度是影响地下空间开发利用的重要因素，同时地下空间开发的高成本及不可逆性要求考虑其开发方式的科学性及环保效益，并符合可持续发展。阳光是绿色能源，一束太阳光相当于500 W以上电灯的照明亮度，能实现一次性、低成本投入，方便安装，免修理零成本使用，产品寿命超过70 a。人类梦寐以求的阳光进入北面房、地下室的幻想便能变成现实。因此，阳光在地下空间建设中的应用已变的越来越重要。

(1)实现建筑节能。对地下建筑的研究表明：建筑中照明的能耗占总能耗的40 %～50 %。同时，由灯产生的废热所引起的制冷负荷的增加占总能耗的3 %～5 %。合理设计和采用昼光照明能节省照明能耗的50 %～80 %。除了减少照明所需能耗的优点外，对于某个给定的光照水平而言，天然光单位照度所发热量仅为效率最高的人工光源发热量的40 %，即如果用天然光代替人工光源照明，可以大大减少空调制冷负荷，降低建筑物能耗。

地下室内环境的采用照明往往需要依靠大量人工光源来弥补照度上的不足，同时地下环境的通风散热势必又要增加更多的机械通风与制冷能耗。因此，阳光导入地下空间将对节能具有积极意义。

(2)改善地下空间环境。天然光线的不足是地下空间环境的固有弊端，是一项重要的生理环境与心理环境影响因素。全波段的自然光对于人的身体健康是必不可少的。日光的照射能防止佝偻病的发生，减轻疲劳，提高工作效率，另外阳光还有很强的杀菌作用。同时人们通过感知自然光的变化而感知整个自然界变化，以满足自身的时间感、定位感、安全感和场所感的需要，一旦这种平衡被打破，人的心理健康就会受到损害。

地下环境固有的封闭性，更容易加重不良的生理反应与心理反应。因此，地下建筑空间形态设计必须加强空间对天然光和外部自然景象的渗透性。

1.2 本文研究的背景及主要内容

2010年上海世博会园区建设的主题是“城市让生活更美好”。为符合生态型城市发展要求，同时为满足园区后续利用，世博园提出一系列生态型地下空间建设技术体系，其中室内环境控制改善及绿化技术要求开展阳光导入系统的关键技术攻关，是构建生态世博的重要体现要素。

本文的研究即基于此背景，探索阳光导入地下空间的基本原理及技术，同时结合上海世博园区地下空间开发定位思路及总体布局规划，及对世博园区地下空间的阳光导入方案的分析，希望对我国相关领域的进一步研究有所启发与借鉴。图4为世博园气象馆采光系统。

图4 世博园气象馆

2 地下空间阳光导入技术的基本原理

发达国家在自然采光设计方面已取得了重要的研究成果。我国在建筑采光领域中还未充分渗透自然光的理念，相应规范编写方面也存在较大欠缺。但随着我国地下空间开发的深入，许多大中型城市已开始积极探索改善地下空间采光环境的方案。通过研究总结国外相关技术文献，并结合我国近些年建设实践，将地下空间阳光导入技术按导入方式分为两类。

2.1 被动式阳光导入

被动式阳光导入，即通过建筑自身因素，被动地接受入射的阳光，如通过建筑物形式、采光口布置、反光结构等将阳光引入室内空间。建筑物的侧窗就是一种最常见的被动式阳光采集结构方式。还有顶部天窗采光方式等。

就地下建筑而言，侧向采光原理的应用受到限制，自然采光也必须经由与地面的连通口自上而下导入阳光。地下建筑广泛采用的自然采光形式如表1所示。

表1 地下空间被动式阳光导入方式汇总

采用被动式阳光采集导入系统，技术较为简单，经济、可靠，更充分利用自然，符合建筑及地下建筑的发展方向，值得广泛采用。典型的例子是法国卢浮宫广场。设计者在广场正中和两侧设置了3个大小不等的锥形玻璃天窗，解决地下展馆的采光，并形成广场的标志性景观雕塑(图5)。目前我国也出现了利用景观采光井为居住小区的地下与半地下车库采光的形式，一改地下车库往常的阴暗空间感，同时把地面社区内景观融合，成为环境的一部分，给人以愉悦的心理感受(图6)。

图5 卢浮宫广场景观

图6 楼盘景观采光井

2.2 主动式阳光导入

主动式阳光导入，即利用电控或光控的阳光自动追踪仪器主动采集阳光，再通过传送结构或装置将阳光引入需要照明的地方并分散至整个房间。

虽然被动式阳光导入方式有种种优点，但要受到地下空间埋置深度和地表现状的限制。采用主动式阳光导入系统，则可不受或受到较少的限制条件而实现采光目的。目前采用的主动阳光导入系统主要有两类：(1)为透镜组多次反射系统，即利用透镜组与反射镜的组合实现阳光的采集、汇集、转向、传输及发散的全过程，原理简单，但实践中还有一些关键问题有待解决。(2)是被称为“向日葵”的阳光导入系统，集成多项先进科技研究技术，保证在任何地点准确追踪阳光，造价也相应较高。该系统在国外已有成熟的市场，国内还未见有自主研发的该类产品。无论哪类主动采光系统，其原理是一样的，即三部分，如图7所示。

图7 主动阳光采集装置基本原理示意

主动式阳光导入系统利用效率高，可控性好。因此，在高层建筑，无窗建筑尤其是地下建筑中都适合应用，随技术的进一步成熟和价格的下降，在将来必然有更大的发展。

3 上海世博园区地下空间阳光导入技术的分析

3.1 世博园地下空间规划策略总体布局规划

世博园区地下空间总体规划是建设人工环境和自然环境充分协调，以人为本，为人的活动提供更多的绿地与开放空间。同时充分挖掘土地资源，并依托地下交通设施和其他城市基础设施，考虑园区后续利用，形成新型、合理的城市空间结构。

总体规划策略主要为以下几方面：(1)综合开发，安全使用；(2)结合换乘，便捷使用；(3)浅层为主，上下协调；(4)整体规划，动态适度。

浦东园区地下空间体系根据总体布局，主要分布在保留建筑、主入口广场的下部，分为5个区域，面积大而连通广；纵向上按公共场所、停车场库、综合设备和管廊自上而下布置为3层。

3.2 对世博园区地下空间阳光导入技术的分析

根据世博园地下空间总体规划思路，规划布局，结合本文所讨论的地下建筑阳光导入的技术及应用条件，提出如下建议。

(1)对于浅层地下空间，即主要的公共场所，如世博会广场和地下通道、交通站点、服务和控制中心，是人流穿行观赏的主要场所，应最大限度地引入阳光与自然景观，同时浅层地下空间也容易与地面建筑、景观形式结合，被动导入方式为较好的途径。

(2)对于地面不宜开设敞开空间或地面条件受限的下部空间，应用主动阳光导入系统。其中，“向日葵”阳光导入器，占地面积小，安装方便，可安装于屋顶或干道两侧地面，整套仪器技术成熟，太阳定位跟踪精确，导光效率高，效果明显，但造价也相应较高。如果我国自主研发该类产品，可作为高科技成果展示做小面积示范安装。

(3)利用光学元件汇集，传导阳光。该套系统可安装在屋顶或地面，玻璃或塑料透明光学元件也不会对环境造成破坏。可以考虑将透镜组采集器与筒状传导结构结合，管体内设反射镜，或内涂高效反射材料，减少建筑占用面积，直接将阳光导入地下室。或与光导纤维结合使用，用于光路的转向，这种情况下，由于光纤束导光面积小，终端的扩散发射设备的选择就变得十分重要。图8展示了这两种设想的简单原理示意。

1—光学元件组集光器；2—管体；3—光导纤维；4—散光器图8 光学元件组集光器与管状结构及光纤结合示意

(4)对于深层地下空间，主要用于设备房、综合管线和停车场所等，人员活动较少，阳光导入主要解决节省人工照明耗费。由于深度较大，被动导光手段应用受限，主要采用主动阳光导入系统。可以将主动系统的采集、传导与发散装置结合使用，因地制宜。还可以考虑将导入深层地下设备房的阳光应用于其他的供能形式，以实现太阳能利用一体化。

4 阳光导入技术的发展前景

目前采集太阳光的方式主要有利用镜面反射搜集阳光、利用天窗等，但被最为广泛运用的成熟产品是光纤导入式系统，利用凸镜聚焦提升阳光照度、光纤导入、自动跟踪太阳的系统。通过各种技术手段，最大限度地渗透自然光线与外部景观，对改善地下空间环境具有极其积极与迫切的现实意义。上述阳光导入技术多数是国外先进经验的集成，而我国在自然采光与阳光导入的研究方面起步较晚，甚至在地面建筑设计中自然采光的理念也没有很好地建立起来，建筑自然采光规范编写方面也有很大的欠缺。但可喜的是，许多照明领域的工作者和科研人员已开始逐步认识到自然采光的重要性，一些自主研发的阳光导入产品也处在积极的实践探索中，并取得了极大的成就。相信在不久的将来，我国阳光导入技术的研发会取得更大的突破，阳光导入技术会普遍应用于建筑地下空间。

[1] 朱大名，闫鹏.地下室及半地下室天然采光设计方案[J]. 地下空间与工程学报, 2001,21 (2):113-116.

[2] William M C Lam.作为建筑构成因素的阳光照明技术在建筑中的应用[J].国际智能、绿色建筑与建筑节能大会暨新技术与产品博览会研究文库.2005.

[3] 劳伦·E·亚伯拉罕. 绿色建筑技术手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[4] 束昱.地下空间资源的开发与利用[M].上海:同济大学出版社,2002.

甘源(1984～)，男，硕士研究生，工程师，从事房屋机电水暖设计的研究。

TU113.3

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[定稿日期]2016-04-29