天然光影響下的展陳空間照明設(shè)計(jì)方法研究
——以德化國際陶瓷藝術(shù)城展廳照明設(shè)計(jì)為例

文/中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 謝 菁 錢 祺 李 楠

0 引言

當(dāng)前，隨著工業(yè)化進(jìn)程加快和消費(fèi)結(jié)構(gòu)持續(xù)升級，能源需求剛性增長，保護(hù)生態(tài)環(huán)境與緩解資源短缺已成為全球性的重要議題。在此背景下，綠色照明理念應(yīng)運(yùn)而生，其核心是安全、舒適、環(huán)保和高效節(jié)能，力求在營造高質(zhì)量光環(huán)境的同時(shí)盡量減少能源消耗。天然光在展陳空間照明設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，既達(dá)到節(jié)能減排的目的，又有利于空間形態(tài)的表現(xiàn)。但由于天然光具有不穩(wěn)定性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，易導(dǎo)致眩光、室內(nèi)光強(qiáng)梯度過大等問題，故如何合理控制與利用天然光，使之與人工光相互配合，協(xié)同作用，成為展陳空間光環(huán)境整體氛圍營造的關(guān)鍵。

1 項(xiàng)目概況

德化國際陶瓷藝術(shù)城位于福建省泉州市德化縣，包含博物館和會展中心2個(gè)部分，規(guī)劃總用地面積約3.7萬m2，建筑面積約6萬m2。德化縣是我國陶瓷文化發(fā)祥地和三大古瓷都之一，以德化白瓷聞名于世。建筑設(shè)計(jì)結(jié)合陶瓷藝術(shù)特點(diǎn)，受寶船和如意形態(tài)特點(diǎn)啟發(fā)，整體采用流線形式。建筑整體弧形上翹來源于寶船的形體關(guān)系，而博物館和會展中心的功能布局則與如意的形態(tài)相似，建筑立面取材于陶瓷藝術(shù)中透雕的做法，輕盈通透，富有韻律感（見圖1）。

圖1 德化國際陶瓷藝術(shù)城西側(cè)鳥瞰效果

2 展廳光環(huán)境設(shè)計(jì)策略

會展中心位于基地南側(cè)，內(nèi)含2個(gè)空間高敞的展廳。1號展廳位于520.000m標(biāo)高平面，層高11.7m，東西兩側(cè)為落地玻璃幕墻（見圖2）；2號展廳位于532.000m標(biāo)高平面，層高8.7m，頂部有大面積弧形采光天窗，東西兩側(cè)開有多個(gè)小面積采光口（見圖3）。經(jīng)與建筑設(shè)計(jì)師共同探討，確定充分利用天然光，保持室內(nèi)光環(huán)境舒適穩(wěn)定的同時(shí)節(jié)約能源的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要引入智能控制系統(tǒng)，使天然光和人工光協(xié)同作用，共同塑造良好的光環(huán)境。

圖2 1號展廳室內(nèi)效果

圖3 2號展廳室內(nèi)效果

2.1 天然光

天然光環(huán)境是人們在工作生活中長期習(xí)慣的環(huán)境，與人工光相比具有顯色度高、無頻閃、綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。在保證觀眾可清晰觀賞展品的前提下充分利用天然光，可增強(qiáng)展示效果，為觀眾營造舒適愉悅的觀展視覺體驗(yàn)。但另一方面，天然光的照度、角度隨季節(jié)、時(shí)間的變化會產(chǎn)生較大波動，不易控制。

為有效調(diào)控天然光照度，可采取相應(yīng)的控制措施，如使用柔光膜可減少直射光，提高室內(nèi)天然光照度均勻度，降低眩光；設(shè)置電動遮陽百葉，可控制天然光進(jìn)入室內(nèi)的比例，配合人工照明調(diào)節(jié)可營造相對穩(wěn)定的室內(nèi)光環(huán)境；防紫外線涂層玻璃可過濾大部分紫外線，從而起到隔熱、保護(hù)展品的作用等。

2.2 人工光

與天然光波動大、不受控的特點(diǎn)不同，人工光更穩(wěn)定，可控性更強(qiáng)，在色彩、強(qiáng)度、方向性上更加靈活。展陳空間照明主要包含一般照明、局部照明和重點(diǎn)照明。其中，大面積的一般照明提供基礎(chǔ)照度，保證使用者識別參觀路線和人流，確保活動安全；局部照明解決部分作業(yè)面照度要求高于一般照明及部分區(qū)域需重點(diǎn)突出等問題；重點(diǎn)照明則用于突出展品，通常展品亮度與背景亮度控制在3：1～10：1。

本案涉及的展廳主要用于展會，并無常設(shè)展覽，展品重點(diǎn)照明由各參展單位自行設(shè)計(jì)，因此僅需考慮一般照明及突出建筑空間特色的局部照明，本文重點(diǎn)介紹一般照明部分。參照GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，展廳基礎(chǔ)照明平均照度標(biāo)準(zhǔn)值取300lx，照度均勻度標(biāo)準(zhǔn)值取0.60。值得注意的是，雖然規(guī)范規(guī)定的是照度值的最低限，但照度值并不是越高越好。首先，展品亮度至少達(dá)到背景亮度的3倍以上才能從背景中突顯出來，故一般照明增強(qiáng)即意味著重點(diǎn)照明必須相應(yīng)增強(qiáng)，因此背景過亮既不節(jié)能，又不利于展品保護(hù)。其次，研究顯示，長期處于過亮的人工照明環(huán)境中會破壞人的生物節(jié)律，導(dǎo)致失眠、記憶力衰退等。因此本案展廳一般照明平均照度目標(biāo)值控制在300～400lx，照度均勻度需達(dá)0.6以上。

2.3 天然光與人工光的結(jié)合

本案中的2個(gè)展廳均有大面積的采光口，在自然光充足的時(shí)間段可為部分區(qū)域提供一般照明。但由于時(shí)間、空間限制，可能存在暗區(qū)、眩光嚴(yán)重、照度均勻度低等問題，需進(jìn)行天然光模擬計(jì)算，結(jié)合分析結(jié)果采取合適的天然光控制措施，減少眩光。同時(shí)，對暗區(qū)以人工光進(jìn)行補(bǔ)充照明，降低環(huán)境光的光照梯度。而在陰雨天氣、傍晚等自然光較暗的時(shí)間段，則主要由人工光解決基礎(chǔ)照明問題，天然光起補(bǔ)充作用。因此，需采用智能控制系統(tǒng)對天然光、人工光進(jìn)行綜合調(diào)控，營造舒適穩(wěn)定光照環(huán)境的同時(shí)滿足綠色節(jié)能要求。

3 展廳光環(huán)境設(shè)計(jì)

2個(gè)展廳在采光情況上各有特點(diǎn)：1號展廳為側(cè)窗采光，東西兩側(cè)為大面積落地窗，同時(shí)東西兩側(cè)寬9m的柱廊及建筑西側(cè)25m處高20m的擋土墻均會對采光造成一定遮擋；2號展廳以頂棚天窗采光為主，東西側(cè)采光口采光為輔，東西側(cè)9m寬的柱廊對側(cè)窗采光有一定影響，但對室內(nèi)整體天然光環(huán)境影響不大。

展廳照明設(shè)計(jì)分3個(gè)階段：首先對進(jìn)入展廳的天然光進(jìn)行模擬分析，選用DIALux 4.13作為模擬軟件，以國際照明委員會（CIE）制定的一般天空亮度分布標(biāo)準(zhǔn)作為計(jì)算依據(jù)；然后綜合考量人工光和天然光的平衡，制定整體控制策略；最后提出具體解決方案，主要包含人工照明布置、天然光調(diào)控、人工光和天然光協(xié)同配合3個(gè)方面。

3.1 1號展廳

德化地區(qū)夏至日正午太陽高度角最大，日照時(shí)間最長（5：17—18：58）；冬至日正午太陽高度角最小，日照時(shí)間最短（6：46—17：16）。分別選取夏至日、冬至日各3個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，分別為8：00（正常開館時(shí)間），12：00，以及日落前1h（夏至日18：00，冬至日16：00）。

模擬計(jì)算中各類室內(nèi)材料光學(xué)性能取常用值，地面反射率取0.2，墻面反射率取0.5，頂棚反射率取0.7，玻璃透光率取0.9。計(jì)算結(jié)果如表1所示，僅有天然光時(shí)，地面平均照度即可達(dá)到300lx以上，但均勻度只有0.2左右，遠(yuǎn)不能達(dá)到規(guī)范0.6的要求。靠近側(cè)窗的位置照度較高，在夏至日12：00時(shí)最高照度達(dá)7658lx；而隨著至窗邊的距離增大，天然光照度急劇降低。另外在展廳南側(cè)中部位置存在暗區(qū)，地面最低照度在日落前1h內(nèi)降至100lx以下。因此，需降低近窗側(cè)照度，提高遠(yuǎn)窗側(cè)照度，從而減小光環(huán)境的強(qiáng)度變化，提高舒適度。

表1 夏至日、冬至日僅有天然光時(shí)1號展廳地面照度

根據(jù)模擬結(jié)果，提出回路控制策略，如圖4所示，南側(cè)暗區(qū)單獨(dú)布置回路，其他部分平行于采光面布置回路。利用日光感應(yīng)系統(tǒng)對進(jìn)入展廳內(nèi)的天然光進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，動態(tài)調(diào)控各回路的光輸出比例，使展廳內(nèi)的光環(huán)境處于相對穩(wěn)定、勻質(zhì)的狀態(tài)。關(guān)于天然光的強(qiáng)度控制，提出電動遮陽百葉、電動遮陽卷簾及降低玻璃透光率3種降低近窗側(cè)照度的策略。通過與建筑設(shè)計(jì)師溝通，綜合比較安裝條件、視線遮擋、造價(jià)、遮光效果等因素，最終選擇降低玻璃透光率的方式，確定之后需要解決的是透光率的優(yōu)選值問題。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在僅有天然光的情況下，冬至日12：00照度均勻度最低，為最不利情況，故選擇該時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行下一步模擬計(jì)算。通過比較多種透光率數(shù)值發(fā)現(xiàn)，當(dāng)透光率為0.5時(shí)，可在開啟展廳中部部分燈具，保證照度均勻度不低于0.6的同時(shí)盡可能多地引入天然光。

圖4 1號展廳控制回路布置策略

3.2 2號展廳

2號展廳模擬計(jì)算時(shí)間點(diǎn)及材料光學(xué)參數(shù)設(shè)定同1號展廳，計(jì)算結(jié)果如表2所示。僅有天然光時(shí)，天窗下地面照度過高，在冬至日12：00達(dá)5383lx，正午的強(qiáng)直射光還會帶來熱量，對建筑節(jié)能產(chǎn)生不利影響。同1號展廳相似，2號展廳南側(cè)也存在一個(gè)相對較暗的區(qū)域。整體來看，2號展廳照度均勻度優(yōu)于1號展廳，在夏至日達(dá)到0.4以上。因此，2號展廳主要需解決天窗下高照度區(qū)的眩光、直射光問題，以及南側(cè)低照度區(qū)日落前照度不足的問題。東西兩側(cè)采光口對室內(nèi)光環(huán)境負(fù)面影響不大，結(jié)合成本控制因素考量，不進(jìn)行特殊處理。

表2 夏至日、冬至日僅有天然光時(shí)2號展廳地面照度

根據(jù)地面照度分布可將2號展廳分為4個(gè)區(qū)域，如圖5所示。區(qū)域1照度最高，區(qū)域2和區(qū)域3次之，區(qū)域4照度最低。4個(gè)區(qū)域分別單獨(dú)布置回路，根據(jù)日光探測系統(tǒng)檢測結(jié)果進(jìn)行分區(qū)控制，使各區(qū)照度相對平衡。

圖5 2號展廳天然光照度分區(qū)

關(guān)于2號展廳的日光調(diào)控系統(tǒng)，建筑設(shè)計(jì)師綜合比較光電玻璃、電動遮陽百葉、遮陽卷簾等方式，最終選擇不透光的電動遮陽百葉，這就需要將遮陽系統(tǒng)也納入智能控制系統(tǒng)，提出與人工光結(jié)合的控制方案。通過模擬計(jì)算冬至、夏至、春分、秋分4天中2號展廳內(nèi)的日光變化情況，取平均值繪制地面照度曲線，如圖6所示。綜合上文分析和人工光模擬計(jì)算結(jié)果，取350lx為地面照度標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)天然光照度高于350lx時(shí)，遮陽百葉啟動，遮擋過量的天然光，同時(shí)開啟部分人工光對暗區(qū)照明進(jìn)行補(bǔ)充；當(dāng)天然光照度低于350lx時(shí)，遮陽百葉不啟動，根據(jù)日光感應(yīng)系統(tǒng)的測量結(jié)果調(diào)整各區(qū)域人工光輸出比例，平衡各分區(qū)亮度；當(dāng)天然光照度為0時(shí)，室內(nèi)照明完全由人工光提供。經(jīng)測算，排除運(yùn)營時(shí)段影響、特殊展覽需求等情況，引入天然光相較完全使用人工照明可在白天節(jié)能70%。

圖6 2號展廳智能控制策略

4 結(jié)語

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，照明用電量也呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。合理選擇照明方式和照明設(shè)備，充分利用天然光以減少人工光的使用，成為節(jié)能減排、降低環(huán)境污染和能源浪費(fèi)的重要手段之一。與人工光相比，天然光具有色彩還原度高、清潔無污染、保護(hù)視力等優(yōu)勢，天然光的合理運(yùn)用能增強(qiáng)人與建筑、自然之間的連結(jié)感，也是綠色建筑評價(jià)的重要指標(biāo)之一。

在本案光環(huán)境設(shè)計(jì)中，力求貫徹綠色照明理念，在保證環(huán)境舒適性的同時(shí)盡量引入天然光解決展廳的一般照明需求。首先通過模擬計(jì)算分析天然光的分布特點(diǎn)，以之為依據(jù)進(jìn)行采光控制設(shè)計(jì)、燈具回路控制設(shè)計(jì)，利用智能控制系統(tǒng)和天然光感應(yīng)系統(tǒng)使自然光和人工光協(xié)同作用，營造均勻、穩(wěn)定的光環(huán)境。