新能源及其在建筑照明上的應(yīng)用

高 飛 祝昌漢 林若慈

(1.中國(guó)照明學(xué)會(huì)，北京 100020;2.國(guó)家氣候中心，北京 100044;3.中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100044)

1 新能源概況

新能源的定義:以新技術(shù)和新材料為基礎(chǔ)，使傳統(tǒng)的可再生能源得到現(xiàn)代化的開(kāi)發(fā)利用，用取之不盡、用之不竭的可再生能源來(lái)不斷取代資源有限、對(duì)環(huán)境有污染的化石能源。它不同于常規(guī)化石能源，可以持續(xù)發(fā)展，對(duì)環(huán)境無(wú)損害，有利于生態(tài)的良性循環(huán)。

可再生能源的定義:一次能源可以進(jìn)一步分為再生能源和非再生能源兩大類(lèi)。再生能源包括太陽(yáng)能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等等.它們?cè)谧匀唤缈梢匝h(huán)再生，在自然界可以不斷生成并有規(guī)律地得到補(bǔ)充的能源，稱(chēng)為可再生能源。太陽(yáng)能和風(fēng)能就是屬于這種能源。煤炭，石油和天然氣等是經(jīng)過(guò)幾十億年形成的，短期是無(wú)法恢復(fù)的。當(dāng)今世界消耗石油、天然氣和煤炭的速度比大自然生成他們的速度要快一百萬(wàn)倍，也就是說(shuō)幾十億年生成的礦物能源在幾個(gè)世紀(jì)就會(huì)消耗掉。

1.1 新能源的特點(diǎn)—太陽(yáng)能和風(fēng)能

(1)取之不盡，用之不竭。

(2)就地可取，無(wú)需運(yùn)輸。

(3)分布廣泛，分散使用。

(4)不污染環(huán)境，不破壞生態(tài)。

(5)周而復(fù)始，可以再生。

新能源在利用上存在兩個(gè)困難:

①能量密度低，增加受面面積

太陽(yáng)能在晴天平均能密度為1kW/m2，晝夜平均為0.16kW/m2，其密度也很低，陰天則往往只有1/5左右，故必須裝置相當(dāng)大的受光面積，才能采集到足夠的功率。所以不論太陽(yáng)能還是風(fēng)能都是一種能量密度極其稀疏的能源，也就是單位面積上所獲得的能量小，而且還不能像水那樣，可以用水庫(kù)來(lái)控制，積蓄起來(lái)，所以給利用帶來(lái)困難。

②能量不穩(wěn)定－儲(chǔ)能或并網(wǎng)

太陽(yáng)能和風(fēng)能對(duì)天氣和氣候非常敏感，所以它是一種隨機(jī)能源。雖然各地區(qū)太陽(yáng)輻射和風(fēng)的特性在一較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)大致上有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性可循，但是其強(qiáng)度無(wú)時(shí)無(wú)刻都在不斷的變化之中，不但各年間有變化，甚至在很短時(shí)間內(nèi)還有無(wú)規(guī)律的脈動(dòng)變化。太陽(yáng)能還有晝夜有規(guī)律的變化，這種時(shí)大時(shí)小的不穩(wěn)定性也給使用帶來(lái)了很大的困難。

1.2 能源消費(fèi)和能源構(gòu)成

到2007年底，全球能源消費(fèi)總量160億噸標(biāo)煤。化石能源消費(fèi)總量占88%，見(jiàn)圖1。

圖1 世界能源消費(fèi)

無(wú)論從世界還是從中國(guó)來(lái)看，常規(guī)能源都是很有限的，中國(guó)的常規(guī)能源儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界的平均水平，大約只有世界總儲(chǔ)量的10%，見(jiàn)圖2。

圖2 世界和中國(guó)主要常規(guī)能源儲(chǔ)量預(yù)測(cè)

1.3 世界能源發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)在全世界依賴(lài)最強(qiáng)的主要傳統(tǒng)能源仍集中于第一位的石油，以及分別占第二位及第三位的煤炭和天然氣，見(jiàn)圖3。世界未來(lái)20余年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還是無(wú)法不高度依賴(lài)石油及天然氣，因此美國(guó)能源信息署在2006年4月的 《國(guó)際能源展望》中，預(yù)測(cè)石油及天然氣仍是未來(lái)25年增長(zhǎng)最快的能源。

根據(jù)世界能源委員會(huì) (WEC)和國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所 (IIASA)研究報(bào)告，2050年可再生能源將占世界能源總消費(fèi)量的30%以上。

圖3 世界能源發(fā)展?fàn)顩r

太陽(yáng)能光伏發(fā)電也開(kāi)始從邊遠(yuǎn)地區(qū)走向城市，向并網(wǎng)方向發(fā)展 (BIPV)。2006年德國(guó)一年就安裝了約90萬(wàn)kW的太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置，主要是并網(wǎng)的屋頂發(fā)電系統(tǒng)和規(guī)模化的大型電站。日本、西班牙以及美國(guó)等光伏發(fā)電發(fā)展迅速的國(guó)家，均以并網(wǎng)發(fā)電為主，見(jiàn)圖4。

圖4 世界光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著技術(shù)進(jìn)步、轉(zhuǎn)換效率的提高以及市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，到2050年左右，光伏發(fā)電的成本會(huì)有可能接近現(xiàn)在的風(fēng)電成本，見(jiàn)圖5。

(1)世界能源已步入一個(gè)新的變革期。能源作為人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)生活的動(dòng)力，現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)的繁榮，與能源的發(fā)展變革息息相關(guān).

(2)高新技術(shù)成果在能源工業(yè)迅速推廣應(yīng)用，使整個(gè)能源工業(yè)正在由低技術(shù)向高技術(shù)過(guò)渡。

圖5 世界可再生能源發(fā)電成本下降趨勢(shì)

(3)能源產(chǎn)品正在向潔凈化、精細(xì)化、高質(zhì)量化、多元化方向發(fā)展，常規(guī)能源的開(kāi)發(fā)、加工、轉(zhuǎn)換、輸送和綜合利用技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)顯著進(jìn)展和重大突破。

(4)節(jié)能新產(chǎn)品和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

1.4 新能源的開(kāi)發(fā)與利用

1973年和1979年兩次石油危機(jī)，導(dǎo)致了世界性的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，人類(lèi)意識(shí)到礦物燃料總會(huì)有枯竭的那一天。工業(yè)化國(guó)家開(kāi)始節(jié)省能源、提高能效并積極尋求替代能源。

人們對(duì)氣候變化的不斷關(guān)注，從而意識(shí)到能源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要性。如果人類(lèi)不對(duì)毫無(wú)節(jié)制的能源開(kāi)發(fā)消費(fèi)行為加以控制，環(huán)境資源將先于能源資源而枯竭。因此，對(duì)能源的利用應(yīng)該首先限制在環(huán)境容量允許的范圍之內(nèi)，否則發(fā)展將難以為繼。如果人類(lèi)能源開(kāi)發(fā)利用的模式不盡快改變，其后果將是災(zāi)難性的。

(1)各種新能源和可再生能源的開(kāi)發(fā)利用

在各種新能源和可再生能源開(kāi)發(fā)利用中，以太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽堋⑸镔|(zhì)能等可再生能源的發(fā)展研究最為迅速。目前，10萬(wàn)千瓦的光電站，1萬(wàn)千瓦的風(fēng)力試驗(yàn)場(chǎng)，19萬(wàn)千瓦的地?zé)岚l(fā)電站，24萬(wàn)千瓦的潮汐發(fā)電站均已建成。

(2)世界各國(guó)新能源戰(zhàn)略

美國(guó)—新能源法規(guī)定:未來(lái)5年內(nèi)政府將為可再生能源項(xiàng)目提供超過(guò)30億美元的資金，到2013年可再生能源要占全部能源的7.5%以上。新能源法提出，到2025年從中東進(jìn)口石油要減少75%。

歐盟是世界上可再生能源發(fā)展最迅速的地區(qū)。歐盟制訂的能源戰(zhàn)略，提出到2050年可再生能源在整個(gè)歐盟國(guó)家的能源構(gòu)成中要達(dá)到50%。歐洲銀行將能源投資額度的50%用于可再生能源的開(kāi)發(fā)利用。

德國(guó)大力發(fā)展新能源，先是風(fēng)電，現(xiàn)在是太陽(yáng)能。到2020年德國(guó)20%的電力將來(lái)自新能源，而目前只有10%。

日本據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省公布的最新數(shù)據(jù)，計(jì)劃到2030年，風(fēng)力、水力、生物質(zhì)能、地?zé)岷吞?yáng)能發(fā)電將占日本用電量的20%。

1.5 我國(guó)進(jìn)入了積極開(kāi)發(fā)利用可再生能源的新時(shí)期

中國(guó)國(guó)家主席胡錦濤在2009年9月22日聯(lián)合國(guó)氣候變化峰會(huì)上發(fā)言說(shuō): “中國(guó)從對(duì)本國(guó)人民和世界人民負(fù)責(zé)任的高度，將繼續(xù)堅(jiān)定不移地為應(yīng)對(duì)氣候變化做出切實(shí)努力。今后，中國(guó)將進(jìn)一步把應(yīng)對(duì)氣候變化納入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃，并繼續(xù)采取強(qiáng)有力的措施。”

中國(guó)國(guó)務(wù)院總理溫家寶在2009年12月18日哥本哈根氣候變化大會(huì)莊重宣布: “中國(guó)正處在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的關(guān)鍵階段，能源結(jié)構(gòu)以煤為主，降低排放存在特殊困難。但是，我們始終把應(yīng)對(duì)氣候變化作為重要戰(zhàn)略任務(wù)。1990年至2005年，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放強(qiáng)度下降46%。在此基礎(chǔ)上，我們又提出，到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%至45%。”

截至2009年上半年，國(guó)內(nèi)多晶硅項(xiàng)目已建、在建或擬建的超過(guò)50個(gè)，投資規(guī)模將超過(guò)1300億元，產(chǎn)能將超過(guò)23萬(wàn)噸。

到2009年底，中國(guó)光伏電池產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)4000MW，占全球總產(chǎn)量的40%，居全球首位，而產(chǎn)能達(dá)到8000MW。

2009年中國(guó)光伏安裝量超過(guò)過(guò)去歷年累計(jì)安裝量，全年裝機(jī)超過(guò)120兆瓦，到2009年底全國(guó)光伏累計(jì)裝機(jī)超過(guò)300兆瓦，提前完成國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃2010年達(dá)到250兆瓦的目標(biāo)，2009年中國(guó)光伏安裝量占世界總量的2.51%。

2 新能源和天然光資源

2.1 太陽(yáng)能資源

為便于太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)和利用，必須對(duì)太陽(yáng)能資源中的總輻射年總量、個(gè)月日照時(shí)數(shù)等一些主要指標(biāo)進(jìn)行分析。在天然光照明中的天然光資源與太陽(yáng)能資源中的太陽(yáng)輻射關(guān)系最為密切。

研究發(fā)現(xiàn)，在1990年前后，到達(dá)地球表面的日射量的變化趨勢(shì)，從減少變?yōu)樵黾印４罅坑^測(cè)紀(jì)錄表明，1990年前，陸地表面上的太陽(yáng)輻射明顯減少4%到6%，即所謂的全球變暗。

2.2 太陽(yáng)輻射與天然光照度

(1)太陽(yáng)輻射

我國(guó)的太陽(yáng)能資源按太陽(yáng)輻射年總量可劃分為資源最豐富帶、資源很豐富帶、資源較豐富帶和資源一般帶四個(gè)帶 (見(jiàn)表1)。

表1 我國(guó)太陽(yáng)能資源按太陽(yáng)輻射年總量區(qū)劃

(2)我國(guó)天然光資源的利用

1)全國(guó)光氣候分區(qū)

我國(guó)地域廣大，天然光資源豐富，為了充分利用天然光資源，取得更多的利用時(shí)數(shù)， 《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2001根據(jù)我國(guó)30年的氣象資料取得的135個(gè)站的年平均總照度對(duì)全國(guó)的光氣候進(jìn)行了分區(qū)。按不同照度范圍將全國(guó)劃分為5個(gè)區(qū)，見(jiàn)圖6。

2)天然光利用時(shí)數(shù)

根據(jù)對(duì)五個(gè)代表城市實(shí)測(cè)得到的輻射光當(dāng)量值，從日輻射多年平均值換算出該地的平均總照度值。利用這些資料再計(jì)算出各城市的天然光利用時(shí)數(shù)(見(jiàn)表2)。

表2 室外不同臨界照度值時(shí)的全年天然光利用時(shí)數(shù)

室外天然光臨界照度是指室內(nèi)天然光照度等于各級(jí)視覺(jué)工作室內(nèi)天然光臨界照度時(shí)的室外照度值，即室內(nèi)需開(kāi) (關(guān))燈時(shí)的室外照度值。室外臨界照度是可變的，它的變化影響采光系數(shù)的取值，以及開(kāi)關(guān)燈的時(shí)間。因?yàn)槿≥^高的室外臨界照度，意味著采光系數(shù)值降低，窗口可開(kāi)小一些，這樣要早一點(diǎn)開(kāi)燈，晚一點(diǎn)關(guān)燈，即延長(zhǎng)人工照明使用時(shí)間，增加照明費(fèi)用。反之，如取較低的室外臨界照度值，則要求較高的采光系數(shù)值，使窗口開(kāi)大，增加采暖費(fèi)，但減少照明費(fèi)用。室外天然光臨界照度的取值應(yīng)根據(jù)我國(guó)的光氣候條件和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等因素，綜合分析而定。從表可看出，當(dāng)室外臨界照度取5000lx時(shí)，Ⅲ類(lèi)區(qū)城市的采光可滿(mǎn)足每天平均10h工作的需要。

3 天然光在建筑上的應(yīng)用與節(jié)能

3.1 天然光照明利用技術(shù)

(1)新材料的發(fā)展

1)低輻射鍍膜玻璃

天然光是通過(guò)透光材料進(jìn)入室內(nèi)的，玻璃是建筑門(mén)窗和幕墻用量最大的透明材料，而近年來(lái)普遍采用的低輻射鍍膜玻璃以其獨(dú)特的優(yōu)良性能成為各類(lèi)建筑的首選。低輻射鍍膜玻璃除具有控制太陽(yáng)輻射和阻止熱輻射透過(guò)玻璃傳遞的功能，而且還具有良好的采光性能，對(duì)波長(zhǎng)380～780nm的可見(jiàn)光具有很高的透光率、色調(diào)高雅、視野清晰自然，此外它還具有低的反射表面，可有效地控制光污染。

2)導(dǎo)光/遮陽(yáng)棱鏡

導(dǎo)光棱鏡系統(tǒng)可高效地引導(dǎo)入射光線，防止窗戶(hù)的眩光，并可有效地分配室內(nèi)光線。

如圖7～圖9中棱鏡板的材料為聚甲基丙烯酸甲脂樹(shù)脂玻璃 (PMMA)，注塑成型，超純鋁 (純度99.99)超薄金屬涂層。

3)透光膜材

近年來(lái)PTFE半透明材料和ETFE透明材料在許多大型建筑中都有采用，PVC織物則是一種性?xún)r(jià)比較高的膜材。

圖7 導(dǎo)光/遮陽(yáng)棱鏡面板角度

圖8 導(dǎo)光/遮陽(yáng)棱鏡面板

圖9 棱鏡/玻璃部件結(jié)構(gòu)

ETFE為乙烯四氟乙烯共聚物，屬于高分子材料，無(wú)色透明。建筑用ETFE薄膜通過(guò)高溫?cái)D壓加工成形，一般厚度為50～300微米，最大的特點(diǎn)是優(yōu)異的透光性，透明薄膜的透光率高達(dá)96%，另一特點(diǎn)是通過(guò)添加物或在薄膜表面噴涂圖案可以調(diào)整透光率。如果用多層ETFE材料疊合使用，能產(chǎn)生極好的隔熱作用，同時(shí)還可以調(diào)節(jié)光強(qiáng)度和紫外線的透過(guò)率。張拉后的膜面極為光滑且有自潔能力。ETFE膜材不易燃，且在燃燒熔化后會(huì)自行熄滅。

國(guó)家游泳中心“水立方”在ETFE膜上鍍大量的銀點(diǎn) (如圖10中打點(diǎn))，鍍銀點(diǎn)的密度對(duì)膜的光學(xué)性能有著重要的影響，隨著鍍點(diǎn)密度的增加，膜在可見(jiàn)光和整個(gè)太陽(yáng)光波段的透射都隨著降低。膜材料組合不同，各區(qū)域氣枕的光學(xué)性能參數(shù)有較大的差異。通過(guò)改變膜的鍍點(diǎn)密度和膜層組合，可以得到不同的透射性能參數(shù)，起到遮陽(yáng)和控光的效果，以適應(yīng)各區(qū)域的使用要求。

除以上材料外，透光材料亞克力板、陽(yáng)光板在建筑采光中也有大量應(yīng)用。

4)反光材料

一種復(fù)合高分子白色反光薄膜具有極高的反射率，它在整個(gè)可見(jiàn)光光譜范圍內(nèi)的反射率高達(dá)97%，且各角度的反射性能一致。該種反光薄膜具有獨(dú)特的亞光外觀，具有極強(qiáng)的漫射特性，使反射光線更加均勻自然，目前已成功用于燈具設(shè)計(jì)和導(dǎo)光管的設(shè)計(jì)，具有明顯的節(jié)能效果。由于該種反光薄膜具有良好的反射性能，對(duì)于需要獲得間接光的各種反光板和室內(nèi)飾面也是一種提高光強(qiáng)度的理想材料，并可達(dá)到節(jié)能的目的。

圖10 ETFE膜透光率調(diào)整

另一種反光材料則是大量采用的高純鋁板，其反射率可達(dá)到98%以上，常用的燈具反射器和導(dǎo)光筒都用這種材料。

(2)新型采光形式

1)膜結(jié)構(gòu)

膜結(jié)構(gòu)在其漫長(zhǎng)的歷史中經(jīng)歷了很多的發(fā)展階段。膜“Membrane”這個(gè)詞最早源于拉丁文，意思是輕且有張力。隨著高分子科學(xué)的發(fā)展，膜材的性能有了很大提高，帶覆層的人造纖維織物更適合鋪設(shè)在大跨度的屋面上。隨著更先進(jìn)的工藝和技術(shù)的發(fā)展，這種膜結(jié)構(gòu)建筑形式越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。

圖11 ETFE膜三維彎曲外墻

圖12 ETFE膜與索網(wǎng)

圖13 ETFE與百葉窗

PTFE覆層式玻璃織物用于永久性的建筑結(jié)構(gòu)中，PTFE類(lèi)膜材具有極高的張力、抗紫外線、阻燃、光滑的表面具有極高的反射率，張拉后的膜面很平滑，一般的自然降水就可沖洗凈其表面。PTFE類(lèi)材料的透光率受膜厚的限制，一般為20～30%。平均使用壽命大于30年。各種膜結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11～圖15。

圖14 漢諾威體育場(chǎng)單層ETFE膜結(jié)構(gòu)

圖15 PTFE覆膜玻璃纖維

PVC覆層玻璃織物可用于永久的、臨時(shí)的和可收起的結(jié)構(gòu)中。由于選用了特制的表面處理工藝，這種膜可抵抗惡劣的氣候，并有隔紫外線的能力，易清潔、易安裝、阻燃。通過(guò)在其表面加入各種顏色，膜可呈現(xiàn)出多種色彩。透光率受膜厚的限制，透光率一般為20%。另一類(lèi)均質(zhì)的PVC織物可用于半透明/透明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，透光率分別達(dá)到70%和96%，見(jiàn)圖16。

2)導(dǎo)光管系統(tǒng)

導(dǎo)光管系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、舒適的優(yōu)點(diǎn)，不僅可節(jié)約大量的照明用電，進(jìn)而減少溫室氣體的排放，而且可提供舒適的自然光線，改善室內(nèi)光環(huán)境。

導(dǎo)光管是一種通過(guò)傳輸通道將光線傳導(dǎo)至建筑空間各個(gè)部位的裝置，導(dǎo)光管系統(tǒng)主要由集光器或發(fā)光裝置 (大功率HM)，導(dǎo)光管，以及照明器三部分組成，見(jiàn)圖17～圖19。

3)新型遮陽(yáng)裝置和控光系統(tǒng)

圖16 PVC覆層玻璃纖維

圖17 被動(dòng)式集光器

圖18 主動(dòng)式集光器

將天然光引入室內(nèi)，在充分利用天然光的同時(shí)，還要防止直射陽(yáng)光，減少進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射，降低空調(diào)能耗，同時(shí)還要減少來(lái)自太陽(yáng)和玻璃表面的有害眩光。好的遮陽(yáng)和控光系統(tǒng)可改善室內(nèi)光分布、提供高質(zhì)量的照明條件。遮陽(yáng)裝置和控光系統(tǒng)是建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分，也是有效利用天然光和改善室內(nèi)光環(huán)境重要條件。圖20、圖21是一種典型的遮陽(yáng)系統(tǒng)。

圖19 導(dǎo)光管裝置

圖20 微型遮陽(yáng)格柵

(3)高性能設(shè)計(jì)計(jì)算軟件

建筑采光設(shè)計(jì)計(jì)算一直困擾著建筑設(shè)計(jì)師。目前已有多種建筑采光與日照設(shè)計(jì)計(jì)算軟件被開(kāi)發(fā)，這無(wú)疑將大大推動(dòng)建筑采光設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。建筑采光計(jì)算軟件Radiance對(duì)天然光的模擬十分強(qiáng)大，計(jì)算精度高，先進(jìn)的表面反射模型可以在復(fù)雜的場(chǎng)景內(nèi)正確地模擬漫反射和鏡面反射，基于光能傳遞算法的漫反射，使它能分析像遮光板之類(lèi)的間接光學(xué)系統(tǒng)。Radiance的目的是預(yù)測(cè)照度和渲染具有心理真實(shí)性的虛擬建筑圖，在建筑完成前提高照明設(shè)計(jì)質(zhì)量。在這個(gè)程序中，加入了互動(dòng)漫反射計(jì)算和類(lèi)似于光能傳遞的組件，同時(shí)也能處理流行的CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并能在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算。龐大的“水立方”室內(nèi)光環(huán)境分析計(jì)算就是采用該計(jì)算軟件完成的，并取得了良好的計(jì)算結(jié)果。

圖21 遮陽(yáng)格柵組件構(gòu)成

3.2 天然光在新型建筑中的應(yīng)用

(1)膜結(jié)構(gòu)建筑

膜結(jié)構(gòu)將那些使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的“五大建材”(玻璃、磚、混凝土、木、金屬)無(wú)法建成的建筑變成了現(xiàn)實(shí)。當(dāng)半透明或全透明的優(yōu)美膜結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)建筑形式的時(shí)候，我們不得不承認(rèn)，沒(méi)有一種其他建筑結(jié)構(gòu)可以不拘于簡(jiǎn)單的立方體而變化出如此多姿的形態(tài)，膜的厚度盡管很薄 (不足1mm)，當(dāng)這些高張力的膜可以張拉到令人驚訝的程度時(shí)，最終張拉面的密度可能僅為1～2kg/m2。

當(dāng)然這需要精心設(shè)計(jì)膜的外形和曲率以充分優(yōu)化結(jié)構(gòu)的荷載。可以說(shuō)，對(duì)于那些輕質(zhì)透明/半透明的無(wú)障礙大跨度設(shè)計(jì)，膜結(jié)構(gòu)無(wú)疑將是極好的選擇。

國(guó)家體育場(chǎng)頂部采用了PTFE和ETFE兩種材料。國(guó)家游泳中心“水立方”的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用了新型的ETFE透明薄膜材料和氣枕結(jié)構(gòu)，目的就是要使建筑物內(nèi)部有良好的采光，給人以透視的室內(nèi)外聯(lián)系的感覺(jué)。

“水立方”建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用了新型的ETFE充氣枕，單層覆蓋面積達(dá)30萬(wàn)平方米，是世界上面積最大、功能要求最復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)工程，見(jiàn)圖22～圖28。

(2)采用導(dǎo)光管裝置的建筑

導(dǎo)光管技術(shù)的出現(xiàn)無(wú)疑為人們合理利用天然光資源開(kāi)辟了新的途徑，特別是近十幾年伴隨著導(dǎo)光管技術(shù)的快速發(fā)展，大量具有可推廣性的導(dǎo)光管產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，使得導(dǎo)光管在居室、商店、學(xué)校、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所、廠房等不同空間得到廣泛應(yīng)用，見(jiàn)圖29。

長(zhǎng)期以來(lái)側(cè)窗以其結(jié)構(gòu)形式、清潔維護(hù)簡(jiǎn)單，可為用戶(hù)提供良好的視野等優(yōu)勢(shì)，而一直被作為建筑采光的主要方式。而對(duì)于地下空間等難以開(kāi)窗的建筑空間則更是很難得到應(yīng)用。特別是對(duì)于大進(jìn)深的空間或者地下、無(wú)窗空間采用導(dǎo)光管系統(tǒng)則可為室內(nèi)創(chuàng)造良好的光環(huán)境。圖30是北京科技大學(xué)體育館采用的導(dǎo)光管系統(tǒng)。北京科技大學(xué)體育館頂部采用了148個(gè)導(dǎo)光管裝置，導(dǎo)光管長(zhǎng)8米，直徑約0.5米，導(dǎo)光管將室外天然光引入到室內(nèi)均勻分布，取得了較好的照明和節(jié)能效果。

圖22 國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”和國(guó)家游泳中心“水立方”

圖23 英國(guó)萊切斯特國(guó)家宇航科技中心ETFE彎曲外墻

圖24 荷蘭阿姆斯特丹Villa Arena競(jìng)技場(chǎng)內(nèi)的家具展示廳ETFE屋面

圖25 中國(guó)廣州新白云機(jī)場(chǎng)PTFE玻璃纖維膜屋面

圖26 慕尼黑國(guó)際機(jī)場(chǎng)PTFE膜結(jié)構(gòu)與玻璃幕墻拱頂

(3)大型建筑的天然采光

大型建筑，還有一部分稱(chēng)為標(biāo)志性建筑的大型建筑不僅在大城市隨處可見(jiàn)，就連中小城市也發(fā)展迅速。特別是那些天然采光利用比較多的大空間建筑，如飛機(jī)場(chǎng)、會(huì)展中心、體育館以及工業(yè)廠房等，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)都在考慮利用天然采光和節(jié)能的問(wèn)題。

圖27 沙特迪拜阿拉伯飯店P(guān)TFE膜結(jié)構(gòu)

圖28 德國(guó)的Gottlieb Daimler體育場(chǎng)PVC巨型屋面

圖29 導(dǎo)光管裝置應(yīng)用實(shí)例

圖30 北京科技大學(xué)體育館

對(duì)于大空間體育建筑而言，以往一般都是利用高側(cè)窗進(jìn)行采光，利用天窗采光的體育館以結(jié)合屋蓋結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行帶狀采光的居多。在本次奧運(yùn)場(chǎng)館的建設(shè)中為了充分利用天然光，營(yíng)造良好的室內(nèi)光環(huán)境，調(diào)節(jié)心理狀態(tài)，有利于賽后綜合利用，在屋蓋結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了大膽探索，設(shè)計(jì)了各種形式的大面積采光天窗，取得了良好效果。如北京老山自行車(chē)館、北京農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館和射擊館等。見(jiàn)圖31～圖34。

圖31 北京老山自行車(chē)館

3.3 天然光照明節(jié)能分析

天然光照明節(jié)能以?shī)W運(yùn)場(chǎng)館工程為例進(jìn)行分析。天然采光這種節(jié)能環(huán)保的照明方式自然成為一些場(chǎng)館優(yōu)先考慮的方案，在設(shè)計(jì)過(guò)程中取得了相關(guān)技術(shù)和設(shè)計(jì)方法上的創(chuàng)新，主要采用了導(dǎo)光管系統(tǒng)、膜結(jié)構(gòu)和天然采光三種型式。導(dǎo)光管系統(tǒng):奧運(yùn)中心區(qū)地下車(chē)庫(kù)、科技大學(xué)體育館、奧運(yùn)村;膜結(jié)構(gòu):國(guó)家游泳中心;天然采光形式:國(guó)家體育館、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館、射擊館、北京大學(xué)體育館、老山自行車(chē)館、北京工業(yè)大學(xué)體育館，這些場(chǎng)館和設(shè)施在天然光利用和節(jié)能方面均取得了比較好的效果。以下是對(duì)“水立方”的節(jié)能分析計(jì)算結(jié)果:

圖32 北京農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館

圖33 北京射擊館

圖34 “水立方”比賽大廳采光

水立方與參考建筑的天然光利用時(shí)數(shù)與用電量如表3所示。

天然采光可利用的時(shí)間決定該場(chǎng)所的照明節(jié)能。根據(jù)各功能區(qū)對(duì)應(yīng)的照明標(biāo)準(zhǔn)，確定參考建筑 (與水立方建筑體量和功能相同)與實(shí)際建筑全年的天然采光可利用時(shí)數(shù)，并進(jìn)行比較和分析。

表3 水立方與參考建筑的天然光利用時(shí)數(shù)與用電量

經(jīng)計(jì)算，水立方與參考建筑室內(nèi)各區(qū)域的全年照明能耗如表4所示:

表4 水立方與參考建筑各主要功能區(qū)全年照明能耗對(duì)比

通過(guò)計(jì)算可以得出以下結(jié)論:由于水立方的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用了ETFE材料，采光水平明顯高于參考建筑，就天然光利用情況來(lái)看，水立方的各主要采光區(qū)域的全年天然光利用時(shí)數(shù)比參考建筑要高出66%以上，各主要采光區(qū)域的照明能耗要比參考建筑低44%～68%，整個(gè)水立方建筑的照明能耗要比參考建筑低29.4%。賽后應(yīng)充分利用天然光，通過(guò)將天然采光和人工照明的結(jié)合和良好的控制，實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能的最大化。

采用太陽(yáng)能、風(fēng)能和地?zé)岬染G色能源技術(shù)，使奧運(yùn)場(chǎng)館綠色能源供應(yīng)比例達(dá)到26%以上。

在奧運(yùn)主要場(chǎng)館及設(shè)施中大面積采用半導(dǎo)體照明和地源熱泵等高效能源利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能60%～70%;

在通往奧運(yùn)村各條道路上，太陽(yáng)能半導(dǎo)體照明燈取代了普通路燈，并且可為90%的奧運(yùn)場(chǎng)館草坪燈、路燈提供照明，不僅節(jié)省了大量的電能，而且還具有防潮、耐震、長(zhǎng)壽命、少維護(hù)等特點(diǎn)。

智能照明控制系統(tǒng)在減少照明時(shí)間和管理費(fèi)用的同時(shí)，能有效節(jié)約能源。根據(jù)一般辦公大樓的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，節(jié)能效果能達(dá)到40%以上，一般的商場(chǎng)、酒店、地鐵站等節(jié)能效果也能達(dá)到25%～30%。可見(jiàn)在天然采光和照明方面還有巨大的節(jié)能潛力。

［1］祝昌漢.氣候變化與新能源開(kāi)發(fā)利用報(bào)告，2008.1.

［2］林若慈等.A Study and Zoning of the Daylight Climate in China.CIE會(huì)議論文，2007.

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

［4］丁建明等.奧運(yùn)工程采光與照明節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用.智能建筑與城市信息，2008.12.