自然采光對高層建筑的節能控制意義

彭 力，翁 季

(重慶大學 建筑城規學院，山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

0 引言

人眼在天然光下比在人工光下具有更高的視覺功效，這表明人類在長期的進化過程中，眼睛已經習慣于天然光。太陽能是一種安全的清潔能源，室內充分利用自然光，就可起到節約能源和保護環境的作用。而我國地處溫帶，氣候溫和，天然光豐富，也為充分利用自然光提供了有利的條件。在高層建筑的設計中，自然光能產生良好的光影變化和自然效果，給建筑物里的人以層次感。高層建筑的采光設計必須遵循一定的原則和方法，才能使建筑的綜合性得以提升，節能效率更高。

1 高層建筑自然采光的設計原則

1.1 滿足照明功能

高層建筑的采光首先應該滿足的是其照明功能，這也是最基本的功能。高層建筑的臥室、客廳、書房都必須要有直接的采光，符合日常生活的視覺光照度要求即可。對于人們工作、學習的區域，它的照度應該符合照明標準的規定值，亮度不應變化太大，以免引起視覺疲勞。好的設計可以減少室內工作區光線強度變化過大和眩光等現象的發生。

1.2 滿足藝術功能

一個人對于空間體型的視感，不僅出自物體本身的外形，還出自被光線修飾過的外形。在建筑設計中，設計者可以通過采光區域的設置，使某些表面被照明，突出它的存在;而將另一些處于暗處，使之退后，處于次要的位置，用以表達預期的空間藝術效果。這樣不僅滿足了生活在高層建筑里人們的視覺審美需求，還有利于保護他們的視力和身心健康。

1.3 滿足節能功能

我國現代高層辦公樓中的照明所耗電力占了總電力消耗的三成以上。相同照明度的自然光要比人工照明所產生的熱量少了很多，可使調節室內溫度所耗費的能源大大減少。可見，采用自然光照明是高層建筑節能的重要途徑之一。

1.4 滿足環保功能

高層建筑的自然采光設計要注重環保理念，自然光除了照明，讓人們的視覺感到舒適之外，還可消除室內霉氣，控制細菌滋生，促進植物光合作用等，從而改善工作生活的環境。同時在采光設計中也應注意到光污染問題，多使用構造與技術相融合的玻璃幕墻，最大程度地減輕光污染，從而保護生態環境。

2 高層建筑自然采光設計步驟

為了在建筑采光設計中，充分利用天然光，創造良好的光環境和節約能源，就必須按照一定的采光設計步驟進行設計。

2.1 搜集資料

在搜集資料的過程中，首先應該了解設計對象對采光的具體要求。同一個房間的工作不一定是完全一樣的，可能有粗也有細。有的工作面可能處于垂直、水平或是傾斜的位置，不同的工作面位置與選擇窗的形式和位置有關。然后，要考慮工作對象的表面狀況，工作表面是光滑的還是粗糙的，都對確定窗的位置有一定的影響。由于光滑的物體表面產生規則反射，如果窗的位置布置不當，可能使明亮的窗口形象恰好反射到人的眼中，造成眩光，嚴重影響可見度。最后，還要了解各功能分區對采光的要求，照度要求高的布置在窗口附近，照度要求低的區域遠離窗口。

2.2 選擇窗洞口的形式

根據上一節搜集到的資料來選擇窗洞口的形式，同時還要結合建筑物的朝向、尺度、功能分區、周圍環境來對初選的形式加以改變。在一棟建筑物中可以采取幾種不同的窗洞口形式，以滿足不同的要求。在進深大的房間，如客廳，一般配備玻璃陽臺門解決房屋中間采光不足的情況。房間的朝向為南向時，可采用小側窗來避免陽光直射。

2.3 選擇窗洞口的形式及開設面積

如果是在朝向南北的側墻上，盡量開設側窗，側窗建造方便，造價低廉，維護使用方便。如果采光不足，可以考慮開設玻璃幕墻等。開設面積應該根據房間尺寸、朝向、窗洞口材料及厚度、表面污染程度、室內表面反光程度等條件進行采光計算。采光計算時，首先要確定無限長帶形窗洞口的采光系數，然后根據實際情況考慮各種影響因素，加以修正得到采光系數的最低值。

2.4 布置窗洞口

根據上一步驟初步計算出了需要的窗洞口面積，確定了高、寬等尺寸以后，就可以進一步確定窗的位置，這里不僅考慮采光需要，還考慮通風、美觀等要求，擬出幾個備選方案進行比較，最后選出最優方案。在完成采光設計之后，還應采光驗收，以便確認最終方案是否滿足采光設計規范的各項要求。

3 高層建筑自然采光節能新技術

3.1 光導照明技術

光導照明又叫管道天窗照明。它是指室外自然光透過采光罩進入系統內部，然后經過光導管高效傳輸到管道底部，再由高透光、高擴散的漫射器將自然光均勻照射到室內需要光線的任何地方的技術。從黎明到黃昏，甚至是陰雨天，光導照明系統導入室內的光線仍然十分充足。

圖1 光導照明技術示意圖

安裝光導照明后，可以降低建筑物內部80%以上白天照明能耗和10%以上的空調制冷消耗。同時，大量減少了二氧化碳和其他污染物的排放。另外，光導照明系統將陽光引入室內，避免了人們長期在電光源下生活和工作，可避免許多疾病的產生。同時，光導照明也減少了白天因停電引起的安全隱患和用電引起的火災隱患。有研究表明:光導照明技術(見圖1)每天不僅可以提供10 小時以上的自然光照明，還可以節省80% 以上的電能，改變了室內必須依靠電力照明的單一方式。

3.2 光電玻璃幕墻

光電玻璃幕墻也稱為太陽能光電幕，它是一種高科技產品，集發電、隔音、隔熱、安全、裝飾功能于一身的新型建材，特別是太陽能電池發電不會排放二氧化碳或產生溫室效應的有害氣體，也無噪音，是一種凈能源，與環境有很好的相容性。它不僅有時尚美觀的外觀，還將自然光與高層建筑完美融合。首先光電玻璃幕墻可以把自然光有效地轉化為電能，大大節省了高層建筑的電能;其次也可以避免光污染現象的產生;再次可以提高高層建筑幕墻的保溫隔熱性能與生態環保功能。但因價格比較昂貴，光電幕墻現多用于標志性建筑的屋頂和外墻。充分體現了建筑的智能化與人性化特點，代表著國際上建筑光伏一體化技術的最新發展方向。

3.3 太陽能光纖照明裝置

雖然人們對太陽能的利用越來越廣泛，但是目前主要集中在將太陽能轉化為電能和熱能上，而光纖照明正是將太陽光直接加以利用的技術。自20 世紀30年代就被人們所認識和接受的光纖照明技術由于材料成本和光衰減率太高等原因一直無法實現大批量的產業化和商品化，但是在20 世紀60年v代美國的杜邦公司初次采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為芯材制備出塑料光纖。在20 世紀70年v代末，日本三菱麗陽公司以高純MMA 單體聚合PMMA，使光纖損耗下降到200 dB/km。雖然這仍然沒有實現光纖照明的大批量產業和商品化，但是這將光纖裝飾照明真正推向了實用階段。

太陽能光纖燈利用太陽能作為能源主要有兩種方式:一是直接把太陽光引入室內進行照明，二是采取光伏發電，再通過光纖系統進行照明。第一種方式也即直接把太陽光引入室內進行照明是現今運用最廣的太陽能照明方式。

太陽能光纖照明系統是由聚光裝置、傳導裝置和放射裝置三部分構成。如圖2 所示。

圖2 太陽能光纖照明技術示意圖

室外的自然光透過聚光裝置導入到照明系統中進行重新分配，經過傳導裝置(光纖)傳輸和強化后由系統底部的放射裝置(室內末端投射裝置)把自然光均勻高效地照射到室內，帶來自然光照明的特殊效果。

4 小 結

綜上所述，自然采光對于高層建筑的意義重大。人工采光易使人眼產生疲勞感，同時，也會耗費大量的能源，給環境造成了巨大的壓力，而城市內光環境的保護往往是人們忽視的地方。只有保護好了城市高層建筑的光環境，才能營造出良好的室內工作生活環境，達到自然采光設計的初衷。相信經過長期的努力，我國高層建筑的采光工作一定會走向節能環保的道路。

［1］陳仲林，等.建筑物理［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009:128～129

［2］邵雪軍.淺談高層建筑的自然采光設計與節能［J］.山西建筑，2008(14)

［3］陳紅兵，李德英，邵宗義，等.辦公建筑的天然采光實驗研究［J］.建筑科學，2006(16):122

［4］蔡余萍，楊祖貴.高層寫字樓的自然采光設計［J］.四川建筑，2006(2):26