天然光影响下的展陈空间照明设计方法研究——以德化国际陶瓷艺术城展厅照明设计为例

文/中国建筑设计研究院有限公司 谢 菁 钱 祺 李 楠

0 引言

当前，随着工业化进程加快和消费结构持续升级，能源需求刚性增长，保护生态环境与缓解资源短缺已成为全球性的重要议题。在此背景下，绿色照明理念应运而生，其核心是安全、舒适、环保和高效节能，力求在营造高质量光环境的同时尽量减少能源消耗。天然光在展陈空间照明设计中的运用，既达到节能减排的目的，又有利于空间形态的表现。但由于天然光具有不稳定性、复杂性等特点，易导致眩光、室内光强梯度过大等问题，故如何合理控制与利用天然光，使之与人工光相互配合，协同作用，成为展陈空间光环境整体氛围营造的关键。

1 项目概况

德化国际陶瓷艺术城位于福建省泉州市德化县，包含博物馆和会展中心2个部分，规划总用地面积约3.7万m2，建筑面积约6万m2。德化县是我国陶瓷文化发祥地和三大古瓷都之一，以德化白瓷闻名于世。建筑设计结合陶瓷艺术特点，受宝船和如意形态特点启发，整体采用流线形式。建筑整体弧形上翘来源于宝船的形体关系，而博物馆和会展中心的功能布局则与如意的形态相似，建筑立面取材于陶瓷艺术中透雕的做法，轻盈通透，富有韵律感（见图1）。

图1 德化国际陶瓷艺术城西侧鸟瞰效果

2 展厅光环境设计策略

会展中心位于基地南侧，内含2个空间高敞的展厅。1号展厅位于520.000m标高平面，层高11.7m，东西两侧为落地玻璃幕墙（见图2）；2号展厅位于532.000m标高平面，层高8.7m，顶部有大面积弧形采光天窗，东西两侧开有多个小面积采光口（见图3）。经与建筑设计师共同探讨，确定充分利用天然光，保持室内光环境舒适稳定的同时节约能源的设计目标，需要引入智能控制系统，使天然光和人工光协同作用，共同塑造良好的光环境。

图2 1号展厅室内效果

图3 2号展厅室内效果

2.1 天然光

天然光环境是人们在工作生活中长期习惯的环境，与人工光相比具有显色度高、无频闪、绿色节能等优点。在保证观众可清晰观赏展品的前提下充分利用天然光，可增强展示效果，为观众营造舒适愉悦的观展视觉体验。但另一方面，天然光的照度、角度随季节、时间的变化会产生较大波动，不易控制。

为有效调控天然光照度，可采取相应的控制措施，如使用柔光膜可减少直射光，提高室内天然光照度均匀度，降低眩光；设置电动遮阳百叶，可控制天然光进入室内的比例，配合人工照明调节可营造相对稳定的室内光环境；防紫外线涂层玻璃可过滤大部分紫外线，从而起到隔热、保护展品的作用等。

2.2 人工光

与天然光波动大、不受控的特点不同，人工光更稳定，可控性更强，在色彩、强度、方向性上更加灵活。展陈空间照明主要包含一般照明、局部照明和重点照明。其中，大面积的一般照明提供基础照度，保证使用者识别参观路线和人流，确保活动安全；局部照明解决部分作业面照度要求高于一般照明及部分区域需重点突出等问题；重点照明则用于突出展品，通常展品亮度与背景亮度控制在3：1～10：1。

本案涉及的展厅主要用于展会，并无常设展览，展品重点照明由各参展单位自行设计，因此仅需考虑一般照明及突出建筑空间特色的局部照明，本文重点介绍一般照明部分。参照GB 50034—2013《建筑照明设计标准》，展厅基础照明平均照度标准值取300lx，照度均匀度标准值取0.60。值得注意的是，虽然规范规定的是照度值的最低限，但照度值并不是越高越好。首先，展品亮度至少达到背景亮度的3倍以上才能从背景中突显出来，故一般照明增强即意味着重点照明必须相应增强，因此背景过亮既不节能，又不利于展品保护。其次，研究显示，长期处于过亮的人工照明环境中会破坏人的生物节律，导致失眠、记忆力衰退等。因此本案展厅一般照明平均照度目标值控制在300～400lx，照度均匀度需达0.6以上。

2.3 天然光与人工光的结合

本案中的2个展厅均有大面积的采光口，在自然光充足的时间段可为部分区域提供一般照明。但由于时间、空间限制，可能存在暗区、眩光严重、照度均匀度低等问题，需进行天然光模拟计算，结合分析结果采取合适的天然光控制措施，减少眩光。同时，对暗区以人工光进行补充照明，降低环境光的光照梯度。而在阴雨天气、傍晚等自然光较暗的时间段，则主要由人工光解决基础照明问题，天然光起补充作用。因此，需采用智能控制系统对天然光、人工光进行综合调控，营造舒适稳定光照环境的同时满足绿色节能要求。

3 展厅光环境设计

2个展厅在采光情况上各有特点：1号展厅为侧窗采光，东西两侧为大面积落地窗，同时东西两侧宽9m的柱廊及建筑西侧25m处高20m的挡土墙均会对采光造成一定遮挡；2号展厅以顶棚天窗采光为主，东西侧采光口采光为辅，东西侧9m宽的柱廊对侧窗采光有一定影响，但对室内整体天然光环境影响不大。

展厅照明设计分3个阶段：首先对进入展厅的天然光进行模拟分析，选用DIALux 4.13作为模拟软件，以国际照明委员会（CIE）制定的一般天空亮度分布标准作为计算依据；然后综合考量人工光和天然光的平衡，制定整体控制策略；最后提出具体解决方案，主要包含人工照明布置、天然光调控、人工光和天然光协同配合3个方面。

3.1 1号展厅

德化地区夏至日正午太阳高度角最大，日照时间最长（5：17—18：58）；冬至日正午太阳高度角最小，日照时间最短（6：46—17：16）。分别选取夏至日、冬至日各3个时间点进行计算，分别为8：00（正常开馆时间），12：00，以及日落前1h（夏至日18：00，冬至日16：00）。

模拟计算中各类室内材料光学性能取常用值，地面反射率取0.2，墙面反射率取0.5，顶棚反射率取0.7，玻璃透光率取0.9。计算结果如表1所示，仅有天然光时，地面平均照度即可达到300lx以上，但均匀度只有0.2左右，远不能达到规范0.6的要求。靠近侧窗的位置照度较高，在夏至日12：00时最高照度达7658lx；而随着至窗边的距离增大，天然光照度急剧降低。另外在展厅南侧中部位置存在暗区，地面最低照度在日落前1h内降至100lx以下。因此，需降低近窗侧照度，提高远窗侧照度，从而减小光环境的强度变化，提高舒适度。

表1 夏至日、冬至日仅有天然光时1号展厅地面照度

根据模拟结果，提出回路控制策略，如图4所示，南侧暗区单独布置回路，其他部分平行于采光面布置回路。利用日光感应系统对进入展厅内的天然光进行实时监测，动态调控各回路的光输出比例，使展厅内的光环境处于相对稳定、匀质的状态。关于天然光的强度控制，提出电动遮阳百叶、电动遮阳卷帘及降低玻璃透光率3种降低近窗侧照度的策略。通过与建筑设计师沟通，综合比较安装条件、视线遮挡、造价、遮光效果等因素，最终选择降低玻璃透光率的方式，确定之后需要解决的是透光率的优选值问题。根据计算结果，在仅有天然光的情况下，冬至日12：00照度均匀度最低，为最不利情况，故选择该时间点进行下一步模拟计算。通过比较多种透光率数值发现，当透光率为0.5时，可在开启展厅中部部分灯具，保证照度均匀度不低于0.6的同时尽可能多地引入天然光。

图4 1号展厅控制回路布置策略

3.2 2号展厅

2号展厅模拟计算时间点及材料光学参数设定同1号展厅，计算结果如表2所示。仅有天然光时，天窗下地面照度过高，在冬至日12：00达5383lx，正午的强直射光还会带来热量，对建筑节能产生不利影响。同1号展厅相似，2号展厅南侧也存在一个相对较暗的区域。整体来看，2号展厅照度均匀度优于1号展厅，在夏至日达到0.4以上。因此，2号展厅主要需解决天窗下高照度区的眩光、直射光问题，以及南侧低照度区日落前照度不足的问题。东西两侧采光口对室内光环境负面影响不大，结合成本控制因素考量，不进行特殊处理。

表2 夏至日、冬至日仅有天然光时2号展厅地面照度

根据地面照度分布可将2号展厅分为4个区域，如图5所示。区域1照度最高，区域2和区域3次之，区域4照度最低。4个区域分别单独布置回路，根据日光探测系统检测结果进行分区控制，使各区照度相对平衡。

图5 2号展厅天然光照度分区

关于2号展厅的日光调控系统，建筑设计师综合比较光电玻璃、电动遮阳百叶、遮阳卷帘等方式，最终选择不透光的电动遮阳百叶，这就需要将遮阳系统也纳入智能控制系统，提出与人工光结合的控制方案。通过模拟计算冬至、夏至、春分、秋分4天中2号展厅内的日光变化情况，取平均值绘制地面照度曲线，如图6所示。综合上文分析和人工光模拟计算结果，取350lx为地面照度标准值。当天然光照度高于350lx时，遮阳百叶启动，遮挡过量的天然光，同时开启部分人工光对暗区照明进行补充；当天然光照度低于350lx时，遮阳百叶不启动，根据日光感应系统的测量结果调整各区域人工光输出比例，平衡各分区亮度；当天然光照度为0时，室内照明完全由人工光提供。经测算，排除运营时段影响、特殊展览需求等情况，引入天然光相较完全使用人工照明可在白天节能70%。

图6 2号展厅智能控制策略

4 结语

随着城镇化进程不断加快，照明用电量也呈现不断增长的趋势。合理选择照明方式和照明设备，充分利用天然光以减少人工光的使用，成为节能减排、降低环境污染和能源浪费的重要手段之一。与人工光相比，天然光具有色彩还原度高、清洁无污染、保护视力等优势，天然光的合理运用能增强人与建筑、自然之间的连结感，也是绿色建筑评价的重要指标之一。

在本案光环境设计中，力求贯彻绿色照明理念，在保证环境舒适性的同时尽量引入天然光解决展厅的一般照明需求。首先通过模拟计算分析天然光的分布特点，以之为依据进行采光控制设计、灯具回路控制设计，利用智能控制系统和天然光感应系统使自然光和人工光协同作用，营造均匀、稳定的光环境。