發達國家建筑采光方法和節能設計

夏 斐 譯

（英國艾克福建筑設計咨詢有限公司，英國）

建筑大師密斯凡德羅說過，“建筑的歷史就是人類為光而斗爭的歷史，即窗的歷史”。今天，這一斗爭隨著新技術和設計方法的發展仍在延續，建筑師和照明專家將有機會取得一些進展。這里我們討論的采光是指運用直接、反射或其他輔助手段為建筑物內部提供自然光的技術。

研究自然采光的目的是為了獲得一個更加令人滿意的室內環境，使得建筑使用者更好地感受到與戶外環境的連接。同時合理有效地利用自然光也是為了降低不斷提高的能源成本。照明能耗在建筑能耗中占有很大的比例，據統計中國照明用電量約占總用電量的12%。另外，在得到了更舒適、節能環保的環境后，該房屋或物業的經濟價值會得到一定程度的提升。

無可否認，一些室內空間需要戲劇化的美學效果，如教堂、劇場。然而，在大量商業、辦公、教育、醫療、居住等建筑中，我們需要一個好的采光方案，能夠在陰晴天氣讓自然光滲透到建筑物內部，并且避免過多地吸收直接或反射的眩光，避免不必要的陰影以及過度的光線亮度和不均勻度。

一個簡單的方式來看待自然采光是將設計問題分解成靜態和動態2個部分。靜態部分包括太陽和建筑。太陽是我們最強大、最活躍的光源，我們要有效地采集和分配這些寶貴的日光。在晴朗的天氣下日光可以被直接捕獲，而在陰天，日光可以作為一個被反射元素捕捉到。靜態部分還包括一個固定的建筑形體和電力照明系統。動態部分則包含光的傳輸介質和控制手段。為了利用直接和反射的日光并將其引入建筑內需要的地方，我們可以利用建筑中光的傳輸介質，這些介質包括窗戶、玻璃、天窗、光反射板、百葉窗、室內表面等，我們利用這些傳輸介質來直射、擴散和反射陽光。

眾所周知，太陽在帶來了光的同時也帶來了熱，建筑節能需要綜合考慮建筑的各項指標，在降低能耗的同時提供給使用者一個舒適的工作環境。如何利用被動的方式控制和調節建筑內部熱量和溫度，我們將在以后的文章中闡述。本文我們將重點論述自然光的采集和分配，并且可以進一步將其劃分為2類，被動采光和主動采光。

1 被動采光

1.1 建筑設計

建筑物的外部表面越多從頂部和側面滲透進建筑內部的光線則越多，比如窗戶、天窗、中庭、穹頂、半透明的膜屋頂等。在復雜的建筑物中，把自然光從外部引入較深入的內部空間具有一定的挑戰性。另外，建筑物南面接收日光最穩定，北邊獲取最少，但光的質量更加穩定。此外，大樓的設計決定了建筑結構組件阻擋了多少面積的日光，多少樓層面積可以獲取自然光照明。建筑設計方案中可以利用中庭，將大量的太陽光分配進建筑物內部，小的空間也可通過天窗、高窗或窗墻引入自然光。對于窗戶，理想的方式是大面積的開窗并盡量接近天花板，因為窗口較高，日光滲透能更加深入。理想的情況是具有多個窗口，并適當間隔，以提高光分布的均勻度。夏季和冬季日光照射中庭建筑示意如圖1所示。

圖1 夏季和冬季日光照射中庭建筑示意

1.2 室內設計

高大的物體會阻擋光，深色的表面會吸收光線。天花板和墻壁都是照明系統本身的一部分，它們可以起到漫反射作用幫助日光滲透到更深的內部空間。因此，天花板應有高反射率，墻壁表面應該是淺色。避免深色的家具可以使室內的亮度均勻性更舒適。同樣，建筑物外部周邊的淺色地面可以提高向上反射到窗戶和室內天花板的光量，并且影響光線的顏色。

1.3 窗戶材質

窗戶的材質可以控制進入室內的日光和熱量并使他們保持恒定的數值。大部分新的建筑現在使用中空玻璃，有一個空氣層夾在2片玻璃之間。一些窗戶空氣層中的百葉、棱鏡和光傳輸纖維可以將日光擴散照射到天花板上，然后重新反射到工作平面。反射的角度可根據當地的具體情況而定。在溫暖的氣候中，具有光譜選擇性的建筑玻璃可以用來引入可見光，同時反射不需要的紅外線，在寒冷的氣候，用低輻射涂層的窗戶可以將熱量反射回建筑內部。

1.4 傳輸介質

把光線引入高層建筑物內部具有一定的挑戰性，尤其是朝北底層的房間。有很多手段可以幫助完成這一挑戰。例如，在窗口上方安裝的反射板能夠將光線朝天花板上反射，可以將光線向房間內傳遞得更深。在建筑物內部，窗簾、百葉窗、百葉、擋板等裝置可以將光線控制得非常協調。在建筑物外部，一些外部的建筑構件，比如懸挑板、擋板、屏幕和格架等，可以化解或阻止直射的日光。另一種類型是傳輸光管，這些設備可以為多層建筑物的底層內部或者難以采光的區域提供一個“天窗”。某建筑采光設計方案和窗口設計示意圖見圖2。

圖2 某建筑采光設計方案和窗口設計示意圖

2 主動采光

2.1 定日鏡和跟蹤設備

定日鏡是一種碟形鏡，跟蹤太陽，將日光集中反射到另一個固定的鏡子上。定日鏡可以動態地調整主反射鏡來跟蹤太陽，以最大限度地在白天捕捉和利用太陽光。定日鏡利用一個光傳感器，脈沖電動機和一個計算機程序跟蹤太陽的變化。一旦光線被捕捉到會使用具有高反射性能的光管將光線分配到建筑物需要的地方。這一裝置的缺點是必須經常維護，以防止污垢和灰塵影響其效果。定日鏡外觀及原理圖分別見圖3、圖4所示。

圖3 定日鏡外觀效果

圖4 定日鏡工作原理

瑞士Heliobus公司設計的某定日鏡裝置，通過特制的鏡面從大樓頂層收集陽光，光線通過高反射率的光管引入大樓內部無法獲取自然光的部分。密執安理工大學設計的定日鏡方案見圖5。

圖5 密執安理工大學設計的定日鏡方案

密執安理工大學設計的某高層建筑方案，其利用了定日鏡技術原理將從建筑立面獲取的自然光線集中收集并通過鏡面反射進入建筑中庭的底層空間。

2.2 傳輸介質

現代的科技可以讓建筑構件，例如百葉窗、遮陽板、玻璃、天窗等，在不同的季節通過手動或由電腦控制的方式來調節部件的性能或角度，由此控制太陽光和熱進入建筑內部的多少。現代建筑的日光控制構件如圖6所示。

圖6 現代建筑立面上的日光控制構件

2.3 “聰明窗”

這種含有光敏疊層的“聰明窗”正在被開發中，在這些具有微疊層的玻璃上可以積極響應環境的變化，主動地控制進入建筑內部的日光和熱量的強度變化。

不論被動還是主動的方式，以上哪個才是合適的解決方案？這取決于客戶的目標、預算和當地的氣候條件。無論哪一種方案都要為一個特定環境中的特定建筑量身定做。因為我們采集的太陽光是光線的來源，不同地理氣候條件下，太陽的角度，高度都有差別，當地的溫度、濕度、風向和周圍的遮擋物等都會對采光設計的考慮構成影響，一個成功的方案將很大程度上取決于好的規劃和設計。在設計之前，必須采集大量的數據，在采光設備安裝后，必須進行有效地校準和測試。現在我們可以使用一些便捷的光線模擬電腦軟件來輔助設計采光，比如Ecotect，Radiance等。此外，把按比例制作的實物模型放置在專門的“人工天空”（artificial sky）實驗室中，通過照度測量器測試也是常見的方法。Ecotect和Radiance軟件模擬見圖7所示。

圖7 Ecotect和Radiance軟件模擬

在Ecotect和Radiance中的電腦模型可以較為精確地模擬和計算一個工作面或是三維空間的亮度數據。

（資料來源：Christina Trauthwein，ARCHITECTURAL LIGHTING Magazine，April 1，2001；http://www.heliobus.com；http://www.ctbuh.org/Research/DesignResearch/tabid/118/language/en-GB/Default.aspx；http://www.cardiff.ac.uk/archi/skydome.php）

光的教堂 安藤忠雄 攝