基于提高教室自然光環境質量的采光設計原理及案例分析

王雅 張朝虎

中南建筑設計院股份有限公司 湖北 武漢 430071

第八次全國學生體質與健康調研結果顯示中小學生視力不良和近視率偏高。大量的研究證明自然光環境的質量是影響視力健康的重要原因。傳統的教育建筑采光方式照度不夠、照度均勻度低的問題，導致教室自然光環境質量低，因此如何通過優化建筑采光口的設計提高室內光環境質量至關重要。

1 優化建筑采光設計的設計原理

教育建筑多用側窗采光，部分采用天窗采光。側窗構造簡單，光線方向性好，但是采光具有照度不均勻、近窗處照度高、往里水平照度下降速度快的缺點。天窗普遍比側窗采光系數高，但適應性低。為了提高室內照度、改善照度均勻度，可以利用光的傳播原理，包括反射、散射和擴散原理，采用輔助構件系統等措施。

1.1 光的反射和折射

利用光的反射和折射原理將窗戶的上部作為導光區附加導光構件，實現光的偏轉將自然光導入到建筑室內深處，常用的導光構件，包括反光板、導光天花系統（Anidolic系統）、導光百葉系統。

（1）反光板（Light Shelf）

反光板是構造最為簡單的自然光采光輔助系統，它能有效地提高房間遠窗處的照度，主要運用于陰天主導的地區。反光板上表面可以將天空漫射光，反射到室內頂棚，進而反射到室內遠窗處，增加教室深處的照度，反光板兼具遮陽作用，有效防止眩光產生。一般情況下側窗采光，自然光能達到室內的距離不足地面到窗戶頂部高度的1.5倍，在窗下安裝反光板之后，該距離可擴大至1.5至2倍，若反光板上部表面采用反射比較大的材料，日光入射深度能提高2.5倍。

圖1 采用反光板以及傾斜頂棚之后室內照度變化示意圖

（2）導光天花系統（Anidolic系統）

由瑞士學者Jean-Louis Scartezzini開發的Anidolic系統，包括光接收裝置、光導管和光分散器三個部分，所有裝置的內表面都附有90%高鏡面反射率的鋁箔，能將收集到的陽光反射到導光管進而通過分散器傳輸到室內，比反光板具有更好的改善室內照明的效果，在層高允許的條件下，anidolic系統是提高建筑室內光環境很好的選擇。Anidolic系統在陰天和晴天均有良好的適用性，晴天可以通過導光管的多次反射使其成為漫射光。

圖2 anidolic系統 圖片來源：http://www.d-lite.org/products/anidolic_integrated_systems.php

（3）導光板（Light Guide）

導光板的主要材質是亞克力，是一種能將線光源轉換成生面光源的光線材料，充分利用了光反射和光散射的原理。適用于晴天天氣，安裝高度和反光板相同。在導光板底面分布著各種疏密、大小不一的圓形或方形的擴散點，當線光源照射到這些散射點時，光會沿各個方向反射，從而使光線變得均勻而柔和。

（4）導光百葉系統

百葉遮陽導光系統分為上下兩部分，同時運用了光回復技術和光偏轉技術，通過兩部分百葉角度的不同來控制陽光，構造較為簡單，適用于晴天或太陽輻射較強的地區[1]。光回復技術用于窗戶的下部將太陽光沿入射方向反射回去，避免過多的陽光直射和太陽輻射。光的偏轉技術用于窗戶上部的導光區，運用反射原理將陽光反射到室內。

1.2 光的擴散

擴散材料是指既能讓光通過又能有效實現光散射的材料，能將點、線光源轉換為面光源，散射角大，能將光擴散到更大范圍的光學構件和光學材料，前文所提導光板便屬于擴散材料。擴散材料主要適用于天窗采光，是管狀天窗重要必備構件。

1.3 光的合理遮擋

眩光是由于視野中的亮度分布或者亮度范圍的不適宜，或存在極端的對比，以致引起不舒適感覺或降低觀察細部或目標的能力的視覺現象，是影響室內自然光環境質量的重要因素[2]。教室建筑要特別主要采用建筑遮陽手段控制眩光，但該問題不是本文討論的重點，這里不做展開分析。

2 建筑自然采光的設計手法案例研究

2.1 側窗采光案例分析

（1）Benjamin Franklin小學

Benjamin Franklin小學由Mahlum建筑師事務所設計，教室布局以內廊式為主，教室布置于內廊兩側。建筑呈正南北布置，南北面大面積玻璃窗和朝南的天窗為室內爭取了最大的天然光線。本案例的采光設計充分利用了光的反射原理，廊兩側教室的坡屋頂分離，一高一低，較低一側屋頂可將光線反射到室內屋頂進而反射到內部空間，一層二層側窗導光板的使用，使學校教室區域即使在灰暗的冬季白天也能實現完全的日光照明[3]。另外該案例還采用雙內墻導光系統，通過墻面間的反射將天窗射進來的光線送達到教室內部區域適用于內廊式布局的教室，具有造價低廉的優勢。南立面顯著的屋檐出挑和遮陽棚，減少了眩光增加了教室的漫射光。在提高教室深處照度方面效果顯著。

圖3 Benjamin Franklin小學西立面圖及室內實景圖 圖片來源：http://www.aiatopten.org/node/152

圖4 Benjamin Franklin小學縱剖面及采光示意圖片來源：http://www.aiatopten.org/node/152

（2）重慶梁平縣新金帶小學

重慶梁平縣屬于第五類光氣候區，為中國年日照最少的地區之一。該小學由中美可持續發展中心援建，是全國首個可持續生態示范小學，包括了教室、閱覽室、展覽館、辦公室、廚房和餐廳等多種功能，其中教室為三層。為實現較好的自然采光和通風，教室采用淺進深的設計。建筑師還利用自然光反射原理設置了一個自然光反射系統，即整個呈傾斜狀態的教室天花。斜天花板相比于平天花板，能將反射范圍擴大，設計師采用Ecotect軟件精確分析了斜吊頂的角度，大程度地均衡了室內的照度。傾斜吊頂在各層的教室中能設置，且安裝方便。

圖5 教室剖透視示意圖圖片來源：婁永琪,季詳,陳若.生長中的可持續校園——梁平縣新金帶小學設計

2.2 天窗采光案例分析

天窗采光是天然采光常用的策略，能獲得更加充足和均勻的室外光線。天窗在教育建筑中多用于公共空間，如綜合樓和圖書館的中庭，直接用于教室采光的多是低層的教學樓，對于多層的教學樓具有局限性。

（1）英國凱斯麥德Kingsmead小學

由懷特聯合設計事務所（White Design Associates）設計的Kingsmead小學是一所以生態學準則為基礎的獨棟單層坡屋頂建筑。在平面布局上，充分考慮了對于自然光線的運用，北側為教學用房，教室布置于北面能爭取到穩定的自然光的同時避免夏季過熱。每間教室有兩個向南側傾斜的突起天窗，以及側高窗對采光進行補充。教室屋頂中間低兩側向外升高使室內屋面內低外高，這種傾斜的棚頂有利于對高側窗射進來的陽光進行反射。另外，該天窗還可以通過編程，根據當地氣候、季節和一天的不同時段，來設定窗戶和窗簾的開啟順序、開啟時間和開啟大小，調節室內的采光、通風和遮陽效果。

圖6 Kingsmead小學天窗采光示意

圖7 Kingsmead小學外觀及天窗實景圖圖片來源：http://www.china-designer.com/material/vip3/showContent.aspx?id=10996&enter_id=795547

（2）史密斯中學

圖8 史密斯中學教室天窗采光分析及建筑實景圖圖片來源：《Daylight Dividends Case Study》，http://www.lrc.rpi.edu/programs/daylighting/rp_casestudies.asp

由Corley Redfoot Zack.Inc建筑師事務所設計史密斯中學。教室為單層，教室成南北向布局，側窗采光開窗面積較小，主要采光方式為南向天窗。在史密斯中學，所有教室、體育館、多媒體中心都開設朝南的垂直天窗，天窗下設置透明擋板，半透明擋板采用防火防紫外線的織物，使光線更加均勻，半透明的擋板對于南向的直射光有很好的控制作用。在側窗采光設計上還采用和反光板和窗上沿傾斜的墻體，使光線能夠更多地射向反光板。

（3）Cottage Lake小學

由Bassetti建筑師事務所設計的Cottage Lake小學，在教室的采光方案上運用了雙內墻導光通道，天窗，外窗遮陽板，導光板多種策略來提高室內照度和均勻度。天窗開口與雙內墻連通，天窗將光線引入室內，光線通過具有高反射率的雙內墻墻壁多次反射最終達到底層教室遠窗的內側，洞口同時為自然通風提供通道，降低了夏季空調的能耗。這種間接的天窗采光方式擴大了天窗采光范圍，使其在多層建筑中也能運用。導光板被安裝在教室室內窗戶的中上部，兼具反射自然光和遮擋太陽直射光降低室內眩光的作用。

圖9 Cottage Lake小學雙內墻導光系統和導光板光導示意圖圖片來源：Alan Ford.Designiing the Sustainable School,Images Publishing（《可持續學校設計》），2007:84-89

3 結語

光環境作為一個教室空間的重要元素，對于學生的視力健康至關重要，但在如今快節奏的設計周期下，往往得不到建筑師的重視，本文針對中小學教室自然光環境的問題，提出提高自然光環境質量的解決方案，針對性地集中介紹了國內外在中小學教學建筑自然采光手法，希望通過此文來為教育建筑的設計提供有益的參考。