全 利，何 滎，陳彥君

(1.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶 400039;2.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

從人類利用能源的角度講，太陽能是取之不盡，用之不竭的清潔能源。除太陽輻射熱外，太陽還為人類提供了巨大的天然光能，而在建筑中充分利用天然光，能夠顯著地減少能耗和運(yùn)行費(fèi)用;同時(shí)利用天然光，減少了電光源的使用量，相應(yīng)減少了電力消耗和相關(guān)的污染。再者，相關(guān)研究表明天然光比人工光更能滿足人的心理及生理的需求，并能營(yíng)造更為健康和興奮的工作環(huán)境，可顯著提高工作效率;并提高學(xué)生閱讀速度及考試測(cè)試成績(jī)。

隨著我國(guó)構(gòu)建節(jié)能減排社會(huì)及可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的提出，天然光的利用更加引起建筑師的廣泛重視。而天然光利用最簡(jiǎn)單的方法就是通過天然采光在白天引入天然光照明建筑空間，而減少電光源的使用量，從而在僅花費(fèi)較少電能消耗費(fèi)用的基礎(chǔ)上，就可提供令人愉悅的光照環(huán)境(圖1）。此外，天然采光還可使得室內(nèi)室外有一個(gè)合理的交流與互換。

圖1 圖書館采光

中國(guó)現(xiàn)行采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50033—2001中主要以采光系數(shù)作為采光標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在建筑采光設(shè)計(jì)時(shí)推薦使用窗地面積比作為采光設(shè)計(jì)的參考。

一個(gè)良好的采光設(shè)計(jì)應(yīng)是從整個(gè)建筑來綜合考慮的采光方法，不僅應(yīng)減少人工光的需求，而且減少(至少不增加）由于燈具發(fā)熱而引起的建筑制冷負(fù)荷。因此采光設(shè)計(jì)工作不僅應(yīng)滿足采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的采光系數(shù)或窗地比的要求，而且還應(yīng)綜合考慮室內(nèi)照明水平、亮度對(duì)比和眩光控制等照明質(zhì)量的要求，更要減少因室內(nèi)照明產(chǎn)生熱量而引起建筑冷負(fù)荷的增加，這將是一個(gè)綜合的設(shè)計(jì)工作。

為了達(dá)到這個(gè)目的，科研工作者探索建立一整套能夠綜合描述良好采光設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，但至今為止采光設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)仍不太成熟，也缺乏有效的宣傳與推廣，這導(dǎo)致大多數(shù)的建筑師在建筑設(shè)計(jì)過程中對(duì)預(yù)期的采光節(jié)能目標(biāo)缺乏了解，從而對(duì)天然采光設(shè)計(jì)產(chǎn)生了畏懼和誤解。因此針對(duì)建筑師在采光設(shè)計(jì)中存在的誤區(qū)和困惑進(jìn)行分析與研究，將會(huì)促進(jìn)天然采光設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中的運(yùn)用，進(jìn)而節(jié)約能源并促進(jìn)節(jié)能減排。

1 天然采光的誤區(qū)

綜合建筑師在天然采光設(shè)計(jì)中遇到的一些困惑，總結(jié)了10種天然采光設(shè)計(jì)中常存在的誤區(qū)進(jìn)行分析研究。指引建筑師消除對(duì)天然采光的誤解，從而在建筑設(shè)計(jì)中采用合理的技術(shù)手段，正確運(yùn)用天然光。

1.1 天然采光會(huì)增加造價(jià)

如果綜合考慮采光、節(jié)能等多方面因素設(shè)計(jì)，那么良好的天然采光不僅不會(huì)增加建筑造價(jià)，而且還會(huì)大大降低后期維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用。而正確利用天然采光手段利用天然光能在引入外界天然光的同時(shí)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何的熱量，這也是目前國(guó)外流行的“冷采光”設(shè)計(jì)方法(圖2）。

圖2 導(dǎo)光管引入天然光

冷采光是一種從整個(gè)建筑來考慮的真正的采光方法，不僅減少人工光的需求，而且減少(至少不增加）制冷負(fù)荷的采光建筑。制冷負(fù)荷主要來自由光、設(shè)備、人體及陽光所產(chǎn)生的熱，通常在現(xiàn)代辦公建筑中因?yàn)槿斯ふ彰鳟a(chǎn)生熱量而引起的空調(diào)負(fù)荷占到建筑總能耗的40%～60%。天然采光減少了電光的需要，并且相應(yīng)地減少了由電光源所產(chǎn)生的熱量。當(dāng)結(jié)合高性能玻璃和室外遮陽設(shè)施的綜合冷采光設(shè)計(jì)，可以減少從建筑外表皮獲得的太陽輻射熱。從總體上說，這些減少的熱負(fù)荷常常會(huì)減少建筑中相應(yīng)制冷系統(tǒng)的負(fù)荷量，這將降低空調(diào)系統(tǒng)的初始安裝費(fèi)用及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，而這部分降低的費(fèi)用足以彌補(bǔ)天然采光改善而增加的建造費(fèi)用。

1.2 天然采光是復(fù)雜的系統(tǒng)

天然采光系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地運(yùn)用于大多數(shù)的辦公、商業(yè)及教育建筑。相關(guān)研究報(bào)告及成果也介紹了經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證的采光技術(shù)，這些采光技術(shù)的運(yùn)用可顯著提高采光效果。而這些采光技術(shù)是可以很方便地復(fù)制并用于相類似的建筑上。而這樣做的結(jié)果是節(jié)約了可再生的能源，減少了設(shè)計(jì)時(shí)間并降低了投資風(fēng)險(xiǎn)。這種復(fù)制的方法可用于學(xué)校、辦公室和工廠等建筑(圖3）。

圖3 辦公空間采光

1.3 天然采光導(dǎo)致太多的熱量

正確的采光設(shè)計(jì)能在獲得能滿足大多數(shù)工作的500 lx光照度的同時(shí)屏蔽99%的太陽輻射熱。500 lx的光照度通常能滿足大多數(shù)的工作環(huán)境照明要求，而人工照明要達(dá)到相同的照度需求需要消耗大量的電功率;我們知道常用的高效電光源的光電轉(zhuǎn)換比也是低于20%，其他電能都轉(zhuǎn)化為熱能，因此天然采光的光熱比遠(yuǎn)好于甚至最高效的電光源。

1.4 天然采光導(dǎo)致眩光

眩光通常發(fā)生在當(dāng)太多光線進(jìn)入建筑時(shí)，這種情況在傳統(tǒng)的采光建筑(如辦公建筑等）中幾乎所有時(shí)間都可能發(fā)生，因此為了遮擋太多光線的進(jìn)入，大多數(shù)的辦公建筑窗戶的窗簾幾乎都是密閉的(圖4）。事實(shí)上，良好的天然采光在引入天然光的同時(shí)也遮擋了過量的天然光，并減少了眩光的產(chǎn)生。

圖4 窗簾遮光

1.5 提高照明及暖通空調(diào)的效率比采光設(shè)計(jì)更節(jié)能

照明和制冷能通過多種設(shè)備達(dá)到，要節(jié)約能源消耗，提高兩者效率是好方法。但是事實(shí)上，最好的方法不是提高照明及暖通空調(diào)的效率，而是減少電光源和制冷的需要量，良好的采光設(shè)計(jì)能做到兩者兼顧。自然光的使用能減少安裝電光源的數(shù)量(當(dāng)然應(yīng)滿足夜間照明的使用要求）。

較少的電光源意味著較少的光源熱量產(chǎn)生，也意味著減少了空調(diào)的制冷負(fù)荷，也就降低了空調(diào)的能量消耗。

1.6 采光建筑需要清潔的玻璃窗

清潔的玻璃窗引入了太多的光線，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過室內(nèi)照明的需求量。陰天中午室外照度為8000 lx～20000 lx;晴天中午在陽光下的室外照度可高達(dá)80000 lx～120000 lx，而室內(nèi)辦公空間僅僅需要500 lx的光照度。

因此室內(nèi)引入太多的光會(huì)導(dǎo)致眩光和“洞穴效應(yīng)”，即房間背后看起來比其他表面黑。為了減少眩光和“洞穴效應(yīng)”，人們通常關(guān)閉百葉窗或拉上窗簾，并且點(diǎn)亮懸掛的頂燈來減少房間對(duì)比。

而良好的采光設(shè)計(jì)使得天然光在減少眩光的同時(shí)能降低頂部電光源的使用量。

1.7 天然采光就是天窗采光

在封閉的走廊或非常深的空間中，可利用天窗采光來實(shí)現(xiàn)采光要求。窗戶的位置和尺寸影響采光效率;天窗和靠近墻面頂部的成排小窗口，可在屋頂產(chǎn)生自然發(fā)光，這模擬了天空自然發(fā)光，可取得良好的天然光采光效果。但是絕不能認(rèn)為天然采光就是天窗采光，因?yàn)樵谠S多建筑中，如學(xué)校和辦公室，側(cè)窗戶可以提供大多數(shù)的采光需要，并且降低了采光成本。

1.8 天然采光需要陽光和晴天

前面已經(jīng)提到全陰天中午室外照度為8000 lx～200001x，這是室內(nèi)工作所需要采光照度值的幾十倍。而且全陰天空以散射光為主，光線更加柔和且沒有方向性，因此陰天是比晴天空更加好的天然采光光源。

天然采光最具有挑戰(zhàn)性的是在有太陽直射光的情況下如何獲得舒適的天然采光環(huán)境。由太陽直射光和天空光所產(chǎn)生的高照度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了室內(nèi)環(huán)境所需要的照度需求，因此這些光線必須減少并被控制，以獲得適宜的采光照度要求及良好的光環(huán)境質(zhì)量。

1.9 只有一種正確的采光方法

經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)有采光技術(shù)是多種多樣的，這依賴建筑位置、建筑層數(shù)、建筑朝向和建筑使用要求，因此針對(duì)同樣的采光要求可以有不同的實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段。

而現(xiàn)有成熟的采光技術(shù)可以滿足各種具有不同用途的建筑采光要求，不管該建筑是工業(yè)廠房、貨倉、學(xué)校、辦公室、美術(shù)館或政府建筑。

1.10 全玻璃建筑就是采光建筑

事實(shí)上全玻璃建筑并不能提供良好的天然采光，因?yàn)樗麄儠?huì)使得建筑在夏天變得太熱，在冬天變得太冷，并且會(huì)有大量的眩光問題出現(xiàn)(圖5）。

圖5 全玻璃建筑

在有效設(shè)計(jì)的采光建筑中，窗戶通常占到外維護(hù)結(jié)構(gòu)表面面積的25%。通常，良好采光建筑中的窗戶面積并不會(huì)與非采光建筑窗戶面積有很大的不同。良好的采光建筑依靠正確的窗戶位置設(shè)置及窗戶性能特點(diǎn)來獲得良好的采光性能，如大面積的采光口可使用可穿透可見光和低太陽能熱增益系數(shù)的玻璃，以減少進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱，降低室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷。

2 小結(jié)

一個(gè)良好的天然采光在節(jié)能的同時(shí)還能創(chuàng)造出優(yōu)美的、適宜的光照環(huán)境。而一個(gè)成功的天然采光建筑是結(jié)合藝術(shù)和科學(xué)、建筑和技術(shù)的綜合體;它也是一個(gè)綜合設(shè)計(jì)流程的結(jié)果，而不是簡(jiǎn)單的，直接安裝在建筑上就完成的一種技術(shù)手段。其實(shí)采光設(shè)計(jì)一直是藝術(shù)與科學(xué)的綜合體，氣候和地理區(qū)域，建筑類型和建筑朝向都是天然采光的重要影響因素。因此良好天然采光技術(shù)的推廣，對(duì)我國(guó)構(gòu)建節(jié)能減排社會(huì)及可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。

［1］陳仲林，唐鳴放.建筑物理(圖解版）［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009

［2］［EB/01］http://www.daylighting.org/

［3］GB/T 50033—2001.建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］

［4］黃海靜，陳綱.建筑采光節(jié)能設(shè)計(jì)的整體思維［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(04）

［5］王愛英，時(shí)剛.天然采光技術(shù)新進(jìn)展［J］.建筑學(xué)報(bào)，2003(03）