上海世博園地下空間陽光導入技術分析

甘 源

(中鐵二院， 四川成都 610031)

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上海世博園地下空間陽光導入技術分析

甘 源

(中鐵二院， 四川成都 610031)

自然光線引入地下空間對改善其環境具有重要意義。利用自然采光，不僅可以節約大量人工照明耗費，實現綠色照明與可持續發展，而且能夠滿足人體的生理與心理健康需求，創造接近自然環境的生態地下空間。文章針對國內外陽光導入的技術、經驗、適用條件及相關實例進行集成與分析，并結合上海世博園區地下開發定位思路及總體布局規劃，及對世博園區地下空間的陽光導入方案的分析，希望對我國相關領域的進一步研究有所啟發與借鑒。

陽光導入； 主動式； 被動式； 生態； 地下空間

1 引言

1.1 地下空間陽光導入技術的應用價值

地下空間，大多給人的印象是昏暗與沉悶。然而2010年世博園區的“陽光谷”使這一問題迎刃而解。“陽光谷”每個高40 m，上口最大直徑為90 m，如圖1、圖2所示，分布在世博軸的入口及中部，它們的獨特形態能夠幫助陽光自然傾斜到地下，既利于提高空氣質量，又能節省人工照明帶來的能源消耗。“陽光谷”就如同一個“漏斗”，通過表面巨膜的合理遮擋，可達到有效的遮光作用。“陽光谷”采用鋼結構，讓自然光傾瀉而下，滿足部分地下空間的采光，體現環保、節約辦世博的理念。圖3為世博軸4號“陽光谷”。

圖1 “陽光谷”內景

圖2 “陽光谷”外貌

圖3 世博園4號陽光谷

地下空間環境的舒適程度是影響地下空間開發利用的重要因素，同時地下空間開發的高成本及不可逆性要求考慮其開發方式的科學性及環保效益，并符合可持續發展。陽光是綠色能源，一束太陽光相當于500 W以上電燈的照明亮度，能實現一次性、低成本投入，方便安裝，免修理零成本使用，產品壽命超過70 a。人類夢寐以求的陽光進入北面房、地下室的幻想便能變成現實。因此，陽光在地下空間建設中的應用已變的越來越重要。

(1)實現建筑節能。對地下建筑的研究表明：建筑中照明的能耗占總能耗的40 %～50 %。同時，由燈產生的廢熱所引起的制冷負荷的增加占總能耗的3 %～5 %。合理設計和采用晝光照明能節省照明能耗的50 %～80 %。除了減少照明所需能耗的優點外，對于某個給定的光照水平而言，天然光單位照度所發熱量僅為效率最高的人工光源發熱量的40 %，即如果用天然光代替人工光源照明，可以大大減少空調制冷負荷，降低建筑物能耗。

地下室內環境的采用照明往往需要依靠大量人工光源來彌補照度上的不足，同時地下環境的通風散熱勢必又要增加更多的機械通風與制冷能耗。因此，陽光導入地下空間將對節能具有積極意義。

(2)改善地下空間環境。天然光線的不足是地下空間環境的固有弊端，是一項重要的生理環境與心理環境影響因素。全波段的自然光對于人的身體健康是必不可少的。日光的照射能防止佝僂病的發生，減輕疲勞，提高工作效率，另外陽光還有很強的殺菌作用。同時人們通過感知自然光的變化而感知整個自然界變化，以滿足自身的時間感、定位感、安全感和場所感的需要，一旦這種平衡被打破，人的心理健康就會受到損害。

地下環境固有的封閉性，更容易加重不良的生理反應與心理反應。因此，地下建筑空間形態設計必須加強空間對天然光和外部自然景象的滲透性。

1.2 本文研究的背景及主要內容

2010年上海世博會園區建設的主題是“城市讓生活更美好”。為符合生態型城市發展要求，同時為滿足園區后續利用，世博園提出一系列生態型地下空間建設技術體系，其中室內環境控制改善及綠化技術要求開展陽光導入系統的關鍵技術攻關，是構建生態世博的重要體現要素。

本文的研究即基于此背景，探索陽光導入地下空間的基本原理及技術，同時結合上海世博園區地下空間開發定位思路及總體布局規劃，及對世博園區地下空間的陽光導入方案的分析，希望對我國相關領域的進一步研究有所啟發與借鑒。圖4為世博園氣象館采光系統。

圖4 世博園氣象館

2 地下空間陽光導入技術的基本原理

發達國家在自然采光設計方面已取得了重要的研究成果。我國在建筑采光領域中還未充分滲透自然光的理念，相應規范編寫方面也存在較大欠缺。但隨著我國地下空間開發的深入，許多大中型城市已開始積極探索改善地下空間采光環境的方案。通過研究總結國外相關技術文獻，并結合我國近些年建設實踐，將地下空間陽光導入技術按導入方式分為兩類。

2.1 被動式陽光導入

被動式陽光導入，即通過建筑自身因素，被動地接受入射的陽光，如通過建筑物形式、采光口布置、反光結構等將陽光引入室內空間。建筑物的側窗就是一種最常見的被動式陽光采集結構方式。還有頂部天窗采光方式等。

就地下建筑而言，側向采光原理的應用受到限制，自然采光也必須經由與地面的連通口自上而下導入陽光。地下建筑廣泛采用的自然采光形式如表1所示。

表1 地下空間被動式陽光導入方式匯總

采用被動式陽光采集導入系統，技術較為簡單，經濟、可靠，更充分利用自然，符合建筑及地下建筑的發展方向，值得廣泛采用。典型的例子是法國盧浮宮廣場。設計者在廣場正中和兩側設置了3個大小不等的錐形玻璃天窗，解決地下展館的采光，并形成廣場的標志性景觀雕塑(圖5)。目前我國也出現了利用景觀采光井為居住小區的地下與半地下車庫采光的形式，一改地下車庫往常的陰暗空間感，同時把地面社區內景觀融合，成為環境的一部分，給人以愉悅的心理感受(圖6)。

圖5 盧浮宮廣場景觀

圖6 樓盤景觀采光井

2.2 主動式陽光導入

主動式陽光導入，即利用電控或光控的陽光自動追蹤儀器主動采集陽光，再通過傳送結構或裝置將陽光引入需要照明的地方并分散至整個房間。

雖然被動式陽光導入方式有種種優點，但要受到地下空間埋置深度和地表現狀的限制。采用主動式陽光導入系統，則可不受或受到較少的限制條件而實現采光目的。目前采用的主動陽光導入系統主要有兩類：(1)為透鏡組多次反射系統，即利用透鏡組與反射鏡的組合實現陽光的采集、匯集、轉向、傳輸及發散的全過程，原理簡單，但實踐中還有一些關鍵問題有待解決。(2)是被稱為“向日葵”的陽光導入系統，集成多項先進科技研究技術，保證在任何地點準確追蹤陽光，造價也相應較高。該系統在國外已有成熟的市場，國內還未見有自主研發的該類產品。無論哪類主動采光系統，其原理是一樣的，即三部分，如圖7所示。

圖7 主動陽光采集裝置基本原理示意

主動式陽光導入系統利用效率高，可控性好。因此，在高層建筑，無窗建筑尤其是地下建筑中都適合應用，隨技術的進一步成熟和價格的下降，在將來必然有更大的發展。

3 上海世博園區地下空間陽光導入技術的分析

3.1 世博園地下空間規劃策略總體布局規劃

世博園區地下空間總體規劃是建設人工環境和自然環境充分協調，以人為本，為人的活動提供更多的綠地與開放空間。同時充分挖掘土地資源，并依托地下交通設施和其他城市基礎設施，考慮園區后續利用，形成新型、合理的城市空間結構。

總體規劃策略主要為以下幾方面：(1)綜合開發，安全使用；(2)結合換乘，便捷使用；(3)淺層為主，上下協調；(4)整體規劃，動態適度。

浦東園區地下空間體系根據總體布局，主要分布在保留建筑、主入口廣場的下部，分為5個區域，面積大而連通廣；縱向上按公共場所、停車場庫、綜合設備和管廊自上而下布置為3層。

3.2 對世博園區地下空間陽光導入技術的分析

根據世博園地下空間總體規劃思路，規劃布局，結合本文所討論的地下建筑陽光導入的技術及應用條件，提出如下建議。

(1)對于淺層地下空間，即主要的公共場所，如世博會廣場和地下通道、交通站點、服務和控制中心，是人流穿行觀賞的主要場所，應最大限度地引入陽光與自然景觀，同時淺層地下空間也容易與地面建筑、景觀形式結合，被動導入方式為較好的途徑。

(2)對于地面不宜開設敞開空間或地面條件受限的下部空間，應用主動陽光導入系統。其中，“向日葵”陽光導入器，占地面積小，安裝方便，可安裝于屋頂或干道兩側地面，整套儀器技術成熟，太陽定位跟蹤精確，導光效率高，效果明顯，但造價也相應較高。如果我國自主研發該類產品，可作為高科技成果展示做小面積示范安裝。

(3)利用光學元件匯集，傳導陽光。該套系統可安裝在屋頂或地面，玻璃或塑料透明光學元件也不會對環境造成破壞。可以考慮將透鏡組采集器與筒狀傳導結構結合，管體內設反射鏡，或內涂高效反射材料，減少建筑占用面積，直接將陽光導入地下室。或與光導纖維結合使用，用于光路的轉向，這種情況下，由于光纖束導光面積小，終端的擴散發射設備的選擇就變得十分重要。圖8展示了這兩種設想的簡單原理示意。

1—光學元件組集光器；2—管體；3—光導纖維；4—散光器圖8 光學元件組集光器與管狀結構及光纖結合示意

(4)對于深層地下空間，主要用于設備房、綜合管線和停車場所等，人員活動較少，陽光導入主要解決節省人工照明耗費。由于深度較大，被動導光手段應用受限，主要采用主動陽光導入系統。可以將主動系統的采集、傳導與發散裝置結合使用，因地制宜。還可以考慮將導入深層地下設備房的陽光應用于其他的供能形式，以實現太陽能利用一體化。

4 陽光導入技術的發展前景

目前采集太陽光的方式主要有利用鏡面反射搜集陽光、利用天窗等，但被最為廣泛運用的成熟產品是光纖導入式系統，利用凸鏡聚焦提升陽光照度、光纖導入、自動跟蹤太陽的系統。通過各種技術手段，最大限度地滲透自然光線與外部景觀，對改善地下空間環境具有極其積極與迫切的現實意義。上述陽光導入技術多數是國外先進經驗的集成，而我國在自然采光與陽光導入的研究方面起步較晚，甚至在地面建筑設計中自然采光的理念也沒有很好地建立起來，建筑自然采光規范編寫方面也有很大的欠缺。但可喜的是，許多照明領域的工作者和科研人員已開始逐步認識到自然采光的重要性，一些自主研發的陽光導入產品也處在積極的實踐探索中，并取得了極大的成就。相信在不久的將來，我國陽光導入技術的研發會取得更大的突破，陽光導入技術會普遍應用于建筑地下空間。

[1] 朱大名，閆鵬.地下室及半地下室天然采光設計方案[J]. 地下空間與工程學報, 2001,21 (2):113-116.

[2] William M C Lam.作為建筑構成因素的陽光照明技術在建筑中的應用[J].國際智能、綠色建筑與建筑節能大會暨新技術與產品博覽會研究文庫.2005.

[3] 勞倫·E·亞伯拉罕. 綠色建筑技術手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2000.

[4] 束昱.地下空間資源的開發與利用[M].上海:同濟大學出版社,2002.

甘源(1984～)，男，碩士研究生，工程師，從事房屋機電水暖設計的研究。

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[定稿日期]2016-04-29