山地城鎮光環境與節能控制技術研究構架

梁樹英，楊春宇，張青文

（重慶大學 a.博士后流動站；b. 建筑城規學院國家級實驗教學示范中心，山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045）

能源緊張和碳排放加劇是當今世界所面臨的重要問題。隨著城市化進程加快，城鎮建設將有一個大力的發展期，能源緊張問題會更加突出。目前，中國的建筑能耗約占社會總能耗的1/3。光環境是物理環境中的一個組成部分，優良的光環境能提高人們的工作和學習效率，保障人身安全，使人身心愉快，有利于身體健康。

中國幅員遼闊，地形地貌復雜，東西南北區域光氣候差異較大。與平原城鎮不同，山地城鎮可利用的土地資源十分有限，其建筑密度大，高層建筑多，采光不足，造成了山地城鎮建筑天然光環境差，同時也因人工照明時間延長導致了能耗加大。重慶主城區土地資源有限，高層建筑多，建筑密度大。一方面既相互遮擋陽光，使室內人工照明時間延長，耗能加大；另一方面直射光輻射熱又相互影響形成熱污染，提高了環境溫度，增加了空調耗能。山地城鎮道路坡度大，彎道多，隧道多，整個城市照明包括道路照明、隧道照明、城市景觀照明、戶外廣告照明、交通信號照明、公共標識照明等都有其特殊性。但目前中國在城市規劃、建筑設計、市政建設、城市管理等諸多涉及光環境方面的規定與標準仍是全國統一模式，還沒有專門針對山地城鎮光環境進行全面系統的研究。另外，地下空間等建筑缺乏天然采光，需要引入先進的科學采光技術和節能的照明技術[1]。因此，如何針對山地城鎮不同區域的天然光狀況，進行日光調節與控制、人工照明與節能設計，系統研究山地城鎮光環境，研究光環境控制與節能產品，對營造良好的人居環境和節能減排具有重要意義。

1 山地城鎮光環境控制理論及分類研究

1.1 山地城鎮光氣候研究

掌握天然光和日照輻射的變化規律，是有效利用天然光資源和開發太陽能的基礎。只有通過對天然光和日照輻射的長期觀測、探索，獲得足夠的光氣候觀測數據，并對其進行處理、統計和分析，才能掌握光氣候的變化規律。國際照明委員會（CIE）在1991年組織了全球天然光資源的調查和觀測，即International Daylight Measurement Program，簡稱IDMP。為此，全世界50多個國家紛紛響應，相繼建立不同等級的天然光及日輻射觀測站。同年，中國北京、重慶分別建立了研究級（Research Class）和一般級（General Class）的天然光及日輻射觀測站[2]。重慶觀測站采用了全套自動化系統，對太陽輻射、照度及天頂亮度等11個項目進行了連續觀測，獲得了大量觀測數據，為重慶地區的光氣候研究提供了科學依據。另外，對山地城鎮光氣候進行研究，還需要對山地城鎮的光環境現狀進行調查和數據采集分析，充分把握山地城鎮的光環境條件與存在的問題。

1.2 影響室外光環境因素研究

室外光環境在建筑外部是由光照射而創造的環境，其功能是要滿足物理、視覺、心理以及社會安全等方面的要求。影響室外光環境的因素有很多，主要包括室外的天氣條件、天空光和直射陽光、人工光、建（構）筑物飾面材料光反射性質及材料顏色等。白天，室外天氣條件是不斷變化的，晴天時有天空光和直射陽光，藍色天空接近于地平線處光亮，在天頂處相對不亮；陰天時天空亮度并不均勻，在天頂處最亮，其亮處為地平線的3倍[3]。夜間，大量燈光落在建（構）筑物等反射比較高的飾面材料上，形成眩光等，也影響了室外光環境。另外，與光有聯系的顏色也是影響光環境的重要因素。例如，建筑立面的顏色，樹木、草坪、綠籬、花壇等的顏色，街道信號標志的顏色等。其色相、明度、彩度在受光照射后都會有所變化，因此，要根據實際情況，對影響室外光環境的主要因素進行分析研究。

1.3 建筑表面顏色對人心理影響的研究

目前，對不同建筑表面顏色產生的心理感受傾向研究是色光研究中的重要問題。現代城市中各種建筑因其功能、性質、體量、規模不同，對人心理產生的影響也不同。建筑表面顏色的定量研究，對實現良好的城市光環境和營造適宜氣氛具有重要意義。如，在夜景照明中，磚紅色與高壓鈉燈組合易喚起溫暖、熱鬧、有活力的色光情感，與金屬鹵化物燈組合易喚起優雅、寧靜、舒適的色光情感，與LED燈組合易喚起寒冷、明亮、現實的色光情感。而水泥灰色與高壓鈉燈組合易喚起傳統、溫暖、浪漫的色光情感，與金屬鹵化物燈組合易喚起優雅、肅穆、寧靜的色光情感，與LED燈組合易喚起明亮、肅穆、寒冷的色光情感[4]。

1.4 直射光與輻射熱影響研究

山地城鎮地形地貌復雜，建設用地相對緊張，建筑高低錯落，大量的高層建筑擁擠在一起，間距小。直射日光和輻射熱在建筑表面形成多次反射，城市熱島效應加劇。因此，針對建筑外墻飾面材料、屋頂、鋪地、玻璃幕墻等對直射光的反射和熱輻射進行研究，對改善山地城鎮的人居環境具有重要意義。其中，飾面材料的選擇不僅關系到建筑的美觀，而且對城市熱環境有很大的影響。一方面，如果飾面材料反射比過低，雖能減弱多次反射，但建筑表皮可能會大量吸熱而導致室內溫度升高。同時，夜間飾面材料又會對外產生大量熱輻射，使城市夜間溫度升高，特別是在山地城鎮通風條件不良的情況下，夜間降溫效果差。另一方面，如果飾面材料反射比過高，會加強太陽光的多次反射，同時造成城市光污染。因此，確定合適反射比的飾面材料，對減少直射光與輻射熱影響具有重要意義。

1.5 室內照明與健康研究

目前，中國中小學生視力下降的問題日益突出，室內照明與健康的研究也引起了廣泛關注。中小學生除了學習負擔過重之外，用眼不衛生和光照環境差也是導致其視力下降的重要原因。針對教室的照明環境，2004年頒布了《建筑照明設計標準》，但對中小學校教室照明專項分析和研究的深度不夠。根據實驗研究，規范中所規定的教室課桌面照度標準為300 lx，僅在低色溫情況下是合適的。在教室照明光源選擇中，應以4 000 K左右中等色溫的熒光燈作為主要光源。而目前大學教室普遍使用的高色溫(6 500 K)熒光燈光源，不利于緩解學生的腦疲勞和視疲勞，不應作為教室主光源[5]。另外，對于家庭作業照明，由于缺乏科學依據和專業指導，家長在設置家庭作業照明環境時較為盲目，家庭用光環境不合理的現象比比皆是[6]。中小學生特別是小學生正處于養成正確用眼習慣的重要階段，科學合理的光照環境對視力健康具有重要意義。因此，在山地城鎮中迫切需要開展室內照明與健康的研究，特別是針對中小學生視覺特點的教室及家庭作業照明環境分析研究。

2 山地城鎮光環境質量評價體系研究

為了保證山地城鎮良好的室內外光環境，除要遵循山地城鎮建設的總體規劃、詳細規劃和近期建設規劃外，還要根據光環境評價體系進行山地城鎮建設，提高人工光環境和天然光環境的質量。確定山地城鎮光環境質量評價體系，可從人工光環境的評價體系和天然光環境的評價體系入手。

人工光環境分為室內照明和室外照明兩方面。無論是室內照明還是室外照明，照明功率密度值(LPD)是評價的重要指標之一，同時還要把照度(或亮度)、均勻度、眩光和相應照明種類的特殊要求作為評價指標[7]。如，建筑照明要考慮不同的照明場所對光色的要求，以及室內各面之間的多次反射會增加照度(或亮度)的現象，還要把長時間工作房間里的光源顏色和各表面反射比作為評價指標。同時把車道外5 m寬的帶狀區域內的平均水平照度與相鄰的5 m寬車行道上平均水平照度之比值——環境比以及誘導性作為評價指標。另外，還要考慮城區照明光環境的立體感指數。立體感是照明系統在舒適感和滿意度方面的度量指標，良好的造型立體感可讓外觀呈現出十分自然的狀態。垂直面照度與半柱面照度比值、垂直面照度與水平面照度比值、平均柱面照度與水平面照度比值是3個常用的立體感評價指標。其中，垂直面照度與半柱面照度比值是評價立體感的重要指標。

另外，由于人們已經適應了在天然光下工作、學習和生活，在天然光下比在人工光下具有更高的視覺功效，并感到舒適，有益于身心健康。在現行的中國建筑采光設計標準中，將采光系數作為采光設計的數量指標。建筑物天然采光設計就是根據標準規定的采光系數等，針對不同功能的建筑物確定窗洞口的形式、大小和位置，最后通過驗算和完善，使室內天然光環境達到滿意的程度。另外，建筑物室內天然光環境還要滿足采光質量評價指標的要求，滿足采光均勻度和減小窗眩光等的規定。

建立山地城鎮光環境質量評價體系是一項十分重要的工作，評價體系如何建立，需要多方面分析，全面考慮。無論何種評價體系，數量指標——照度(亮度)或采光系數，質量指標——均勻度、眩光，相應照明類型的特殊指標都是需要考慮的方面。在節能和實現可持續發展戰略目標中，對人工光環境來說，照明功率密度(LPD)是重要評價指標之一，對建筑物室內天然光環境而言，日照與自然通風是節能評價指標之一。

3 山地城鎮光環境控制應用技術研究

3.1 山地城鎮光生態與光污染控制研究

近年來的光生物學研究表明，光輻射與人類健康息息相關，紫外光、可見光、紅外光等都能對人體生理產生影響。照射不足或照射過度對人體都存在潛在危害。對光生物安全性的研究重點是光輻射對人體的危害性研究[8]。一方面，干擾光有的直射到人眼造成眩光，有的通過窗戶照射到室內，把房間照亮，影響人們正常工作、生活和休息，打亂人的生物鐘節律，危害人體健康。研究表明，夜晚強烈的燈光照射會擾亂人的正常激素形成而影響健康，增加某些癌癥發病危險。另一方面，眩光對汽車司機的視覺作業可造成不良影響，引發交通事故，對人正常的視覺活動，如辯識路標、路障及周圍環境狀況等也造成影響，對為交通運輸作業提供視覺信息的信號燈、燈塔和燈光標志等的正常工作產生干擾，降低其工作效能。因此，對光生態和光污染進行研究是山地城鎮光環境控制應用技術研究的重要內容。

3.2 山地城鎮日照調節技術研究

對天然采光影響最大的莫過于太陽，太陽在一天、一年中的變化，都會影響建筑天然采光的照度和均勻度。為保證室內光環境、熱環境的舒適性與穩定性，人們在天然采光系統中采用一系列的技術手段來實時控制天然光及熱的攝入量。一方面在采光材料上出現了革新，采光材料能感知光與熱的變化從而調節采光量。現已研制出多種類型的調光玻璃，這些調光玻璃和吸熱玻璃、熱反射玻璃不同，能隨著外界光、熱條件的變化而改變，從而實現對陽光射入量的控制，為建筑提供理想的光、熱環境。目前的調光玻璃主要有4種類型：光致變色、電致變色、溫致變色和壓致變色。另一方面，出現了智能監測調控技術，如智能動態遮陽系統。智能動態遮陽系統可以追蹤太陽不同的高度角，并根據不同高度角調整遮陽角度，同時還可根據室外太陽輻射強度與室內光線照度水平自動切換功能模式，從而控制和調節進入室內的天然光和太陽輻射量。在山地城鎮中，對先進的日照調節技術進行研究和運用具有重要意義。

3.3 山地城鎮采光照明新技術適宜度研究

目前新的采光技術層出不窮，往往利用光的反射、折射或衍射等特性，將天然光引入，并傳輸到需要的地方。目前主要是針對導光管、光導纖維、全反射采光板和導光棱鏡窗等在建筑中的適宜度研究。導光管照明系統設備主要由集光器、導光管、漫射器及調光設備等構成，主要是將天然光或人工光通過專門的導光管道作為傳輸光的通道和媒介引入需要照明的部位。光導纖維采光系統與導光管原理相似，一般也是由聚光部分、傳光部分和出光部分組成。采光擱板是在側窗上部安裝一個或一組反射裝置，使窗口附近的直射陽光經過一次或多次反射進入室內，以提高房間內部照度的采光系統。導光棱鏡窗則是利用棱鏡的折射作用改變入射光的方向，使太陽光照射到房間深處。目前，導光管照明實際應用領域非常廣泛，地下停車庫、地面步行通道、地下商場、地鐵、隧道、生產車間、大型公共建筑室內等都可以發揮導光管照明技術的優勢[9]。

3.4 山地城鎮照明協調技術研究

山地城鎮照明協調技術主要研究道路照明、隧道照明、城市景觀照明、戶外廣告照明、交通信號與標識照明之間的協調性問題。道路照明不但要滿足人眼的視功能要求，還要滿足人們的視覺舒適性要求。影響駕駛員舒適性的道路照明因素包括不舒適眩光、縱向均勻度和誘導性，而誘導性包含視覺誘導性和光學誘導性兩個方面。隧道照明分為入口段、過渡段、中間段、出口段照明，各段對路面亮度要求不同，其主要原因是洞外亮度復雜性需要洞內亮度與之適應，來保證良好視覺效果并達到安全要求。確定各段的亮度需要研究隧道內照明光反射增量和入口、過渡、中間、出口段與洞外道路照明的關系，找到科學的照明值。隨著城市的發展以及人們生活向夜間拓展，城市景觀照明、戶外廣告照明等漸漸增多。但是，目前中國還缺乏針對山地城市形態的戶外照明專項研究，導致山地城鎮的景觀照明和戶外廣告照明等設置雜亂，空間視覺效果差，對城市的景觀造成嚴重影響。這就需要根據視覺功能對亮度的敏感度研究來確定城市中區域亮度值，并根據建筑物飾面材料光反射性質來進行照明設計。因此，綜合研究道路照明、隧道照明、城市景觀照明、戶外廣告照明、交通信號與標識照明之間的協調性問題是提高城市夜間光環境質量的重要途徑。

4 山地城鎮光環境控制與節能產品研究

山地城鎮光環境控制與節能產品研究主要包括陽光跟蹤采光及導光產品、智能動態遮陽產品、LED照明產品等。陽光跟蹤采光產品包括光導纖維、棱鏡導光裝置、管狀天窗、人造日光和導光管等，其可將光線導入特定的空間，從而實現節能的目的。其中，導光管由于傳輸距離遠、光線照射面積大、出光口位置可調節、易于安裝和維護、使用壽命長等優勢，是一種比較理想的天然光照明方式，也是山地城鎮光環境控制節能產品研究的重點之一。同時，根據山地城鎮的自然氣候等條件，可以采用智能動態外遮陽和智能玻璃動態遮陽2種形式的智能動態遮陽產品。智能動態外遮陽能根據室外條件的變化自主調節，可將夏季酷熱擋在室外，又可保證冬季陽光射入。智能玻璃動態遮陽是在雙層玻璃中間的空腔處設置百葉，夏季將百葉落下阻止陽光進入室內，冬季將百葉收起讓陽光進入室內。同時采取通風換氣等設施，在夏季協助轉移百葉截取的過多熱量，在冬季則將熱量傳到各個房間。另外，LED照明產品以其環保、節能、安全、壽命長等優點，在中國得到了跨越式發展。但同傳統光源相比，LED照明產品的光譜能量分布、色溫、顯色性、散熱、燈具美觀性等問題需要進一步加強研究。因此，需要基于光譜能量分布與日光關系對LED照明產品進行分析，同時對LED照明產品的反射材料、結構形式與美觀等問題進行研究。

5 結論

文章提出建立一套完整全面的山地城鎮光環境與節能控制技術體系，創造符合現代科學的山地城鎮光環境，改善需要依靠大量設備耗能才能解決的功能使用及舒適性問題，提高山地城鎮光環境質量，充分利用天然光，減少直射光輻射熱污染，研究山地城鎮光環境控制節能產品，實現照明節能目標。在山地城鎮規劃與建設中，從功能布局到建筑之間的相互關系，從建筑形式到平面與空間的組織，從材料到構造等設計環節，都可以將本研究的成果運用于設計對象中，優化山地城鎮光環境設計方法，為山地城鎮規劃和城鎮建設的光環境控制與節能提供科學依據，同時達到節約能源的目標。