基于里院光环境的节能改造

2018-07-31于红霞，商钰淇，商彤

大连工业大学学报 2018年4期

于红霞，商钰淇，商彤

( 青岛理工大学建筑与城乡规划学院，山东青岛 266033 )

0 引言

里院建筑作为青岛标志性的地域居住建筑，有其独有的建筑特色，1922年《青岛概要》中将其称为“华洋折中式”建筑，它融合了中国传统四合院和西方商住式公寓的特点。青岛里院与北京四合院、上海里弄和福建土楼一样，是人们传统生活方式最真实的写照，应该对其进行保护与继承。但是，随着建设年代的久远，以“大鲍岛”为代表的里院街区逐渐失去了往日的人气，里院这种合院式集合住宅的居住形式已经不能满足现代生活的需要[1]。目前，里院建筑的居住现状并不乐观，由于基础设施不完善，院内乱搭乱建十分严重，使得原本就采光不足的居住环境更加阴暗，里院室内自然采光不能满足人们正常的生活需要，个别里院建筑白天都需要借助人工照明来补充，不能满足现行的《建设采光设计标准》[2]。绿色、健康、节能、低耗成为人们对居住环境的追求，通过各种传统和现代的技术手段，将这些理念应用到里院的保护改造中，在保护里院建筑风貌的同时，创造更加舒适的建筑光环境，改善里院的品质，将大大提高人们的居住质量和身心健康。

1 里院光环境的影响因素分析

1.1 里院产生的历史原因

建造于德占时期的里院，是为了满足当时华人区急速增长的人口而建，是以围合形式作为基本形态的集聚性居住样式，如图1所示。

图1 里院航拍图Fig.1 Aerial picture of Liyuan

青岛是典型的海滨丘陵城市，德国占领青岛期间，利用地形地势规划出了两片区域。其中欧人居住区在南坡，可以获得更好的采光和海景。而里院作为平民院位于北坡, 其采光较南坡的建筑差。在建设之初里院作为中低层人群居住的建筑，只满足基本的居住条件，并没有充分考虑采光的问题，建筑间距较小，里院周围的道路都非常狭窄，密集的建筑排列形式，使建筑之间的采光也受到严重的影响。

1.2 里院空间形式对采光的影响

由于里院规划建造受到地形的限制，许多地块是不规则的形状，如三角形和多边形，建筑采光随着朝向不同会有变化，如图2所示。

图2 里院的平面形式Fig.2 Plane forms of Liyuan

里院内院的形状和面积大小是影响里院四周各个房间采光的重要因素。根据内院空间形状可归纳为不规则内院、长条形内院和方形内院3种类型[3]。

1.2.1 不规则内院

青岛市的道路规划不是规则的“井”字形，因为地势和道路条件，有些里院因此建造成了不规则的内院形状。建筑之间的距离有些很狭窄，个别建筑的朝向不佳，无法为里院室内提供理想的采光。

1.2.2 长条形内院

在合院式里院建筑中，占有很大比重的是长条形院落。这些院落空间的进深有所不同,有些空间尺度可以基本满足采光条件，而有些瘦长狭窄的空间，就像拉长的天井，前后建筑之间互相遮挡，采光并不理想，但是可以解决通风问题。

1.2.3 方形内院

有些面积稍大的方形院落的里院,根据院子的大小可以作为不同的用途。例如，可以种植花草树木，还可以用来作为居民聚会的场所。方形院落原本为四周住宅提供的采光条件相对比较均匀，在适宜的尺度下，更容易满足室内光环境的需求。但是，大多数里院的方形院落中，加建了许多平房，使得里院空间拥挤且挡光严重。

2 里院的光环境现状调查

研究选取了大鲍岛里院片区中的典型里院进行了实地调研，根据对里院的实测数据与国家规范进行对比分析，找出里院光环境存在的问题。通过实地调查，发现大部分居民对里院采光并不满意。里院底层大多是沿街的商铺，每间商铺都有直接对外采光的玻璃门和橱窗，如果商铺进深不大，基本可以满足采光的需求。如果开间小进深大，那商铺白天也需要亮灯以补充室内照度。二楼的住户，因为朝向不同使得各个房间的采光效果差别较大。有些用隔墙间隔出来的厨房和卫生间这样的小空间,不注重采光需求,有些甚至是黑房间。

以青岛最大的里院——广兴里作为测量对象，对其二层4个不同朝向的房间进行窗地比和采光系数测量。广兴里平面图如图3所示，测量数据如表1所示。由表1可见，窗地面积比和采光系数均不符合现行标准规范的要求。

里院大多为侧窗采光，大部分房间是单侧窗采光，如房间A、B、D。个别房间是双侧窗采光，如房间C。窗地面积比很难达到现有的建设采光

图3 广兴里平面图Fig.3 The plan of Guangxingli

表1 窗地面积比和采光系数Tab.1 Ratio of glazing to floor area and daylight factor

设计标准主要有两个原因：一是里院砖石结构的开窗面积不大，二是考虑到立面完整性，沿建筑外立面，窗户的大小基本相似，房间的开间、进深、面积、朝向不同，使得各个房间的采光效果差别很大。同样的窗户房间面积小可以满足采光需求，但是大部分房间的侧窗面积无法满足现行规范的标准。另外，一些房间进深较大，住户通过隔墙将房间划分为两个或三个房间，导致了黑房间。在里院建筑调研中发现大部分房间白天较暗，其共性原因主要包括：(1)房间可用于采光的门窗洞口面积过小；(2)房间多为单侧窗采光，受朝向影响较大；(3)里院外廊对走廊上的窗户的采光有遮挡；(4)门窗可透光的材料较浑浊，透光效果差；(5)部分里院有黑房间、地下室等；(6)大量里院遭到居民的随意加建与改造；(7)建筑互相遮挡情况严重；(8)大型乔木对建筑造成遮挡。

3 里院光环境保护性改造方法

在对里院进行光环境优化改造的过程中要保护好里院的历史风貌，在保护里院的原真性、整体性的同时，利用技术手段来改善里院的室内光环境质量，实施建筑优化与改造。

3.1 传统采光技术改造方法

3.1.1 增设亮瓦和老虎窗

为了保持里院建筑的外观，立面上不适合再开窗，为了增加室内采光，可以通过增设亮瓦和老虎窗来实现。亮瓦是传统民居中比较常见的采光方式[4]，根据里院的坡屋顶的形式，亮瓦设置的位置和数量可以灵活变化。由于亮瓦的造价低廉,施工技术较为简单,可被广泛地应用。亮瓦不但可以使顶层房间的采光得到补充，提升室内光环境质量,并且不会使建筑的外立面整体风貌受到破坏。老虎窗是里院屋顶常用的开窗形式，可以在内院一侧屋顶上加建改造，成本较高，但是效果明显。这两种方式的局限性在于只能应用于房屋顶层的房间，可根据里院屋顶的情况有选择地应用。

3.1.2 增设亮子和改造入户门

亮子是在门上方，用来辅助采光和通风，有平开、固定以及悬窗多种形式[4]。亮子比较经济，改造简单。因为里院每户的入户门都朝向里院内部，门开在院内的外廊上，可以对里院入户门增设亮子进行采光优化，亮子与高侧窗的采光效果相似。增加了亮子的门对里院建筑的历史风貌影响较小，但是也存在着一定的弊端，亮子会受到建筑层高和门高的双重限制,面积不大,所以它的采光效率一般，如图4所示。另外，可以将里院的入户门的上半部分改为玻璃和花格窗，或是改造成门联窗的形式，这两种门的形式在传统里院中经常看到，可以显著改善室内采光。

图4 增设亮子的门Fig.4 The door with glazing

3.1.3 增加反光板辅助采光

反光板的表面有一层高反射透光材料的涂层，可以通过反射的方式将近窗位置的光照引入离窗口较远的位置，从而有效地改善室内采光均匀度[5]。反光板可以置于里院窗口的内外两侧，设置在外侧时，还可以起到遮阳的效果。通常情况下，反光板安装的位置会在人的视线以上，不会对视线造成遮挡。这种技术可以应用在里院进深较大房间的外墙窗户上，增加室内天然光的利用率，且不需要高端的设备和复杂的技术。

3.2 现代采光技术改造方法

3.2.1 更换导光棱镜窗

利用导光棱镜窗的折射原理,将窗上的部分普通透光材质换成棱镜，改变了室外天然光光线的入射方向，使其可以照射进房间的更深处[6]，如图5所示。这样既均匀了室内的照度水平，达到舒适的采光效果，又缩短了日照间距。折射的角度会随着季节的变化而改变，通过对棱镜窗角度

图5 导光棱镜图示Fig.5 The diagram of light guide prism

的调节，可以对天然光有着更加高效的利用。这种技术也可以应用于里院窗户的改造设计，特别适合里院进深较大的单侧采光的房间。

3.2.2 引入导光管采光

导光管采光是近些年发明的一种新型采光技术,运用导光管的管壁反射特性原理,将光通过层层反射引入室内[7]。将这种技术应用于里院室内, 特别是里院里的黑房间和地下室，可以通过导光管技术解决其采光问题，不会对里院建筑的外观历史风貌造成影响。

3.2.3 设置采光隔板

采光隔板有着与导光管相似的原理。在天花吊顶的内部安装采光隔板，通过利用矩形或梯形的光传输管道来完成室外天然光的引道[7]。将传输管道的近窗一端闭合，提高房间内部均匀的照度，同时出光口安装在房间内部，由此天花板的样式还可以做成矩形,在屋内的效果便如同镶嵌在天花板中的人工照明，如图6所示。此种方法适合层高较高房间进深较大的里院建筑，也适合于里院建筑的顶层和阁楼。

图6 采光隔板示意图Fig.6 Illustration of daylighting clapboard

3.2.4 采用光导纤维补充照明

天然光光纤照明系统作为一种新型的、无能耗的照明系统已日趋成熟。天然光光纤照明系统主要由光导入装置聚光器、光传输装置光纤和光输出装置光纤灯3个主要部分组成[8]。该系统便于维护、节能环保、布置灵活、安全健康。该技术适用于传输距离不长，照明面积不大的场所，因此，可以用于采光不足的里院地下空间。但是，光导纤维价格相对较高,所以在里院建筑光环境改造方面应结合实际案例,决定是否采用。