山地城镇光环境与节能控制技术研究构架

梁树英，杨春宇，张青文

（重庆大学 a.博士后流动站；b. 建筑城规学院国家级实验教学示范中心，山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045）

能源紧张和碳排放加剧是当今世界所面临的重要问题。随着城市化进程加快，城镇建设将有一个大力的发展期，能源紧张问题会更加突出。目前，中国的建筑能耗约占社会总能耗的1/3。光环境是物理环境中的一个组成部分，优良的光环境能提高人们的工作和学习效率，保障人身安全，使人身心愉快，有利于身体健康。

中国幅员辽阔，地形地貌复杂，东西南北区域光气候差异较大。与平原城镇不同，山地城镇可利用的土地资源十分有限，其建筑密度大，高层建筑多，采光不足，造成了山地城镇建筑天然光环境差，同时也因人工照明时间延长导致了能耗加大。重庆主城区土地资源有限，高层建筑多，建筑密度大。一方面既相互遮挡阳光，使室内人工照明时间延长，耗能加大；另一方面直射光辐射热又相互影响形成热污染，提高了环境温度，增加了空调耗能。山地城镇道路坡度大，弯道多，隧道多，整个城市照明包括道路照明、隧道照明、城市景观照明、户外广告照明、交通信号照明、公共标识照明等都有其特殊性。但目前中国在城市规划、建筑设计、市政建设、城市管理等诸多涉及光环境方面的规定与标准仍是全国统一模式，还没有专门针对山地城镇光环境进行全面系统的研究。另外，地下空间等建筑缺乏天然采光，需要引入先进的科学采光技术和节能的照明技术[1]。因此，如何针对山地城镇不同区域的天然光状况，进行日光调节与控制、人工照明与节能设计，系统研究山地城镇光环境，研究光环境控制与节能产品，对营造良好的人居环境和节能减排具有重要意义。

1 山地城镇光环境控制理论及分类研究

1.1 山地城镇光气候研究

掌握天然光和日照辐射的变化规律，是有效利用天然光资源和开发太阳能的基础。只有通过对天然光和日照辐射的长期观测、探索，获得足够的光气候观测数据，并对其进行处理、统计和分析，才能掌握光气候的变化规律。国际照明委员会（CIE）在1991年组织了全球天然光资源的调查和观测，即International Daylight Measurement Program，简称IDMP。为此，全世界50多个国家纷纷响应，相继建立不同等级的天然光及日辐射观测站。同年，中国北京、重庆分别建立了研究级（Research Class）和一般级（General Class）的天然光及日辐射观测站[2]。重庆观测站采用了全套自动化系统，对太阳辐射、照度及天顶亮度等11个项目进行了连续观测，获得了大量观测数据，为重庆地区的光气候研究提供了科学依据。另外，对山地城镇光气候进行研究，还需要对山地城镇的光环境现状进行调查和数据采集分析，充分把握山地城镇的光环境条件与存在的问题。

1.2 影响室外光环境因素研究

室外光环境在建筑外部是由光照射而创造的环境，其功能是要满足物理、视觉、心理以及社会安全等方面的要求。影响室外光环境的因素有很多，主要包括室外的天气条件、天空光和直射阳光、人工光、建（构）筑物饰面材料光反射性质及材料颜色等。白天，室外天气条件是不断变化的，晴天时有天空光和直射阳光，蓝色天空接近于地平线处光亮，在天顶处相对不亮；阴天时天空亮度并不均匀，在天顶处最亮，其亮处为地平线的3倍[3]。夜间，大量灯光落在建（构）筑物等反射比较高的饰面材料上，形成眩光等，也影响了室外光环境。另外，与光有联系的颜色也是影响光环境的重要因素。例如，建筑立面的颜色，树木、草坪、绿篱、花坛等的颜色，街道信号标志的颜色等。其色相、明度、彩度在受光照射后都会有所变化，因此，要根据实际情况，对影响室外光环境的主要因素进行分析研究。

1.3 建筑表面颜色对人心理影响的研究

目前，对不同建筑表面颜色产生的心理感受倾向研究是色光研究中的重要问题。现代城市中各种建筑因其功能、性质、体量、规模不同，对人心理产生的影响也不同。建筑表面颜色的定量研究，对实现良好的城市光环境和营造适宜气氛具有重要意义。如，在夜景照明中，砖红色与高压钠灯组合易唤起温暖、热闹、有活力的色光情感，与金属卤化物灯组合易唤起优雅、宁静、舒适的色光情感，与LED灯组合易唤起寒冷、明亮、现实的色光情感。而水泥灰色与高压钠灯组合易唤起传统、温暖、浪漫的色光情感，与金属卤化物灯组合易唤起优雅、肃穆、宁静的色光情感，与LED灯组合易唤起明亮、肃穆、寒冷的色光情感[4]。

1.4 直射光与辐射热影响研究

山地城镇地形地貌复杂，建设用地相对紧张，建筑高低错落，大量的高层建筑拥挤在一起，间距小。直射日光和辐射热在建筑表面形成多次反射，城市热岛效应加剧。因此，针对建筑外墙饰面材料、屋顶、铺地、玻璃幕墙等对直射光的反射和热辐射进行研究，对改善山地城镇的人居环境具有重要意义。其中，饰面材料的选择不仅关系到建筑的美观，而且对城市热环境有很大的影响。一方面，如果饰面材料反射比过低，虽能减弱多次反射，但建筑表皮可能会大量吸热而导致室内温度升高。同时，夜间饰面材料又会对外产生大量热辐射，使城市夜间温度升高，特别是在山地城镇通风条件不良的情况下，夜间降温效果差。另一方面，如果饰面材料反射比过高，会加强太阳光的多次反射，同时造成城市光污染。因此，确定合适反射比的饰面材料，对减少直射光与辐射热影响具有重要意义。

1.5 室内照明与健康研究

目前，中国中小学生视力下降的问题日益突出，室内照明与健康的研究也引起了广泛关注。中小学生除了学习负担过重之外，用眼不卫生和光照环境差也是导致其视力下降的重要原因。针对教室的照明环境，2004年颁布了《建筑照明设计标准》，但对中小学校教室照明专项分析和研究的深度不够。根据实验研究，规范中所规定的教室课桌面照度标准为300 lx，仅在低色温情况下是合适的。在教室照明光源选择中，应以4 000 K左右中等色温的荧光灯作为主要光源。而目前大学教室普遍使用的高色温(6 500 K)荧光灯光源，不利于缓解学生的脑疲劳和视疲劳，不应作为教室主光源[5]。另外，对于家庭作业照明，由于缺乏科学依据和专业指导，家长在设置家庭作业照明环境时较为盲目，家庭用光环境不合理的现象比比皆是[6]。中小学生特别是小学生正处于养成正确用眼习惯的重要阶段，科学合理的光照环境对视力健康具有重要意义。因此，在山地城镇中迫切需要开展室内照明与健康的研究，特别是针对中小学生视觉特点的教室及家庭作业照明环境分析研究。

2 山地城镇光环境质量评价体系研究

为了保证山地城镇良好的室内外光环境，除要遵循山地城镇建设的总体规划、详细规划和近期建设规划外，还要根据光环境评价体系进行山地城镇建设，提高人工光环境和天然光环境的质量。确定山地城镇光环境质量评价体系，可从人工光环境的评价体系和天然光环境的评价体系入手。

人工光环境分为室内照明和室外照明两方面。无论是室内照明还是室外照明，照明功率密度值(LPD)是评价的重要指标之一，同时还要把照度(或亮度)、均匀度、眩光和相应照明种类的特殊要求作为评价指标[7]。如，建筑照明要考虑不同的照明场所对光色的要求，以及室内各面之间的多次反射会增加照度(或亮度)的现象，还要把长时间工作房间里的光源颜色和各表面反射比作为评价指标。同时把车道外5 m宽的带状区域内的平均水平照度与相邻的5 m宽车行道上平均水平照度之比值——环境比以及诱导性作为评价指标。另外，还要考虑城区照明光环境的立体感指数。立体感是照明系统在舒适感和满意度方面的度量指标，良好的造型立体感可让外观呈现出十分自然的状态。垂直面照度与半柱面照度比值、垂直面照度与水平面照度比值、平均柱面照度与水平面照度比值是3个常用的立体感评价指标。其中，垂直面照度与半柱面照度比值是评价立体感的重要指标。

另外，由于人们已经适应了在天然光下工作、学习和生活，在天然光下比在人工光下具有更高的视觉功效，并感到舒适，有益于身心健康。在现行的中国建筑采光设计标准中，将采光系数作为采光设计的数量指标。建筑物天然采光设计就是根据标准规定的采光系数等，针对不同功能的建筑物确定窗洞口的形式、大小和位置，最后通过验算和完善，使室内天然光环境达到满意的程度。另外，建筑物室内天然光环境还要满足采光质量评价指标的要求，满足采光均匀度和减小窗眩光等的规定。

建立山地城镇光环境质量评价体系是一项十分重要的工作，评价体系如何建立，需要多方面分析，全面考虑。无论何种评价体系，数量指标——照度(亮度)或采光系数，质量指标——均匀度、眩光，相应照明类型的特殊指标都是需要考虑的方面。在节能和实现可持续发展战略目标中，对人工光环境来说，照明功率密度(LPD)是重要评价指标之一，对建筑物室内天然光环境而言，日照与自然通风是节能评价指标之一。

3 山地城镇光环境控制应用技术研究

3.1 山地城镇光生态与光污染控制研究

近年来的光生物学研究表明，光辐射与人类健康息息相关，紫外光、可见光、红外光等都能对人体生理产生影响。照射不足或照射过度对人体都存在潜在危害。对光生物安全性的研究重点是光辐射对人体的危害性研究[8]。一方面，干扰光有的直射到人眼造成眩光，有的通过窗户照射到室内，把房间照亮，影响人们正常工作、生活和休息，打乱人的生物钟节律，危害人体健康。研究表明，夜晚强烈的灯光照射会扰乱人的正常激素形成而影响健康，增加某些癌症发病危险。另一方面，眩光对汽车司机的视觉作业可造成不良影响，引发交通事故，对人正常的视觉活动，如辩识路标、路障及周围环境状况等也造成影响，对为交通运输作业提供视觉信息的信号灯、灯塔和灯光标志等的正常工作产生干扰，降低其工作效能。因此，对光生态和光污染进行研究是山地城镇光环境控制应用技术研究的重要内容。

3.2 山地城镇日照调节技术研究

对天然采光影响最大的莫过于太阳，太阳在一天、一年中的变化，都会影响建筑天然采光的照度和均匀度。为保证室内光环境、热环境的舒适性与稳定性，人们在天然采光系统中采用一系列的技术手段来实时控制天然光及热的摄入量。一方面在采光材料上出现了革新，采光材料能感知光与热的变化从而调节采光量。现已研制出多种类型的调光玻璃，这些调光玻璃和吸热玻璃、热反射玻璃不同，能随着外界光、热条件的变化而改变，从而实现对阳光射入量的控制，为建筑提供理想的光、热环境。目前的调光玻璃主要有4种类型：光致变色、电致变色、温致变色和压致变色。另一方面，出现了智能监测调控技术，如智能动态遮阳系统。智能动态遮阳系统可以追踪太阳不同的高度角，并根据不同高度角调整遮阳角度，同时还可根据室外太阳辐射强度与室内光线照度水平自动切换功能模式，从而控制和调节进入室内的天然光和太阳辐射量。在山地城镇中，对先进的日照调节技术进行研究和运用具有重要意义。

3.3 山地城镇采光照明新技术适宜度研究

目前新的采光技术层出不穷，往往利用光的反射、折射或衍射等特性，将天然光引入，并传输到需要的地方。目前主要是针对导光管、光导纤维、全反射采光板和导光棱镜窗等在建筑中的适宜度研究。导光管照明系统设备主要由集光器、导光管、漫射器及调光设备等构成，主要是将天然光或人工光通过专门的导光管道作为传输光的通道和媒介引入需要照明的部位。光导纤维采光系统与导光管原理相似，一般也是由聚光部分、传光部分和出光部分组成。采光搁板是在侧窗上部安装一个或一组反射装置，使窗口附近的直射阳光经过一次或多次反射进入室内，以提高房间内部照度的采光系统。导光棱镜窗则是利用棱镜的折射作用改变入射光的方向，使太阳光照射到房间深处。目前，导光管照明实际应用领域非常广泛，地下停车库、地面步行通道、地下商场、地铁、隧道、生产车间、大型公共建筑室内等都可以发挥导光管照明技术的优势[9]。

3.4 山地城镇照明协调技术研究

山地城镇照明协调技术主要研究道路照明、隧道照明、城市景观照明、户外广告照明、交通信号与标识照明之间的协调性问题。道路照明不但要满足人眼的视功能要求，还要满足人们的视觉舒适性要求。影响驾驶员舒适性的道路照明因素包括不舒适眩光、纵向均匀度和诱导性，而诱导性包含视觉诱导性和光学诱导性两个方面。隧道照明分为入口段、过渡段、中间段、出口段照明，各段对路面亮度要求不同，其主要原因是洞外亮度复杂性需要洞内亮度与之适应，来保证良好视觉效果并达到安全要求。确定各段的亮度需要研究隧道内照明光反射增量和入口、过渡、中间、出口段与洞外道路照明的关系，找到科学的照明值。随着城市的发展以及人们生活向夜间拓展，城市景观照明、户外广告照明等渐渐增多。但是，目前中国还缺乏针对山地城市形态的户外照明专项研究，导致山地城镇的景观照明和户外广告照明等设置杂乱，空间视觉效果差，对城市的景观造成严重影响。这就需要根据视觉功能对亮度的敏感度研究来确定城市中区域亮度值，并根据建筑物饰面材料光反射性质来进行照明设计。因此，综合研究道路照明、隧道照明、城市景观照明、户外广告照明、交通信号与标识照明之间的协调性问题是提高城市夜间光环境质量的重要途径。

4 山地城镇光环境控制与节能产品研究

山地城镇光环境控制与节能产品研究主要包括阳光跟踪采光及导光产品、智能动态遮阳产品、LED照明产品等。阳光跟踪采光产品包括光导纤维、棱镜导光装置、管状天窗、人造日光和导光管等，其可将光线导入特定的空间，从而实现节能的目的。其中，导光管由于传输距离远、光线照射面积大、出光口位置可调节、易于安装和维护、使用寿命长等优势，是一种比较理想的天然光照明方式，也是山地城镇光环境控制节能产品研究的重点之一。同时，根据山地城镇的自然气候等条件，可以采用智能动态外遮阳和智能玻璃动态遮阳2种形式的智能动态遮阳产品。智能动态外遮阳能根据室外条件的变化自主调节，可将夏季酷热挡在室外，又可保证冬季阳光射入。智能玻璃动态遮阳是在双层玻璃中间的空腔处设置百叶，夏季将百叶落下阻止阳光进入室内，冬季将百叶收起让阳光进入室内。同时采取通风换气等设施，在夏季协助转移百叶截取的过多热量，在冬季则将热量传到各个房间。另外，LED照明产品以其环保、节能、安全、寿命长等优点，在中国得到了跨越式发展。但同传统光源相比，LED照明产品的光谱能量分布、色温、显色性、散热、灯具美观性等问题需要进一步加强研究。因此，需要基于光谱能量分布与日光关系对LED照明产品进行分析，同时对LED照明产品的反射材料、结构形式与美观等问题进行研究。

5 结论

文章提出建立一套完整全面的山地城镇光环境与节能控制技术体系，创造符合现代科学的山地城镇光环境，改善需要依靠大量设备耗能才能解决的功能使用及舒适性问题，提高山地城镇光环境质量，充分利用天然光，减少直射光辐射热污染，研究山地城镇光环境控制节能产品，实现照明节能目标。在山地城镇规划与建设中，从功能布局到建筑之间的相互关系，从建筑形式到平面与空间的组织，从材料到构造等设计环节，都可以将本研究的成果运用于设计对象中，优化山地城镇光环境设计方法，为山地城镇规划和城镇建设的光环境控制与节能提供科学依据，同时达到节约能源的目标。