建筑采光节能设计的整体思维

【摘要】建筑采光设计效果如果好可以使建筑使用者生活更加舒适,而且可以进一步增加建筑光影艺术感；建筑节能设计效果如果理想,就会使得我国在建筑方面消耗的能源减少,有利于我国可持续发展观的践行。而将两者设计结合起来进行整体思维,就会同时达到两方面的效果,具有现实意义。

【关键词】建筑设计；采光；节能；整体思维；自然光

前言

现阶段,我国建筑行业发展迅猛,建筑市场竞争激烈,要想在竞争中开拓出一片天地,就必须从建筑的设计方面下功夫。由于现代人对办公、居住环境要求都比较高,注重追求高品质的生活,所以在进行建筑设计时,必须要符合人们这些需求。尤其是建筑采光设计、节能设计,虽然是细节,但是不容忽视,需要在建筑整体设计时进行整体思维,充分考虑采光与节能。

1　建筑采光节能设计应达到的目标

1.1　满足人们的视觉效果以及舒适度

建筑物采光效果如果理想,就能给人带来良好的视觉感受,使采光有利于人们的视觉感受以及身心健康,而且最重要的是可以保护人的视力。所以,建筑在进行采光设计时,考虑人们的视觉舒适度是非常重要的一点。

1.2　满足人们照明采光需求

现阶段,人们工作生活大多在建筑内进行,所以,为了使人们的采光照明的需求得到满足,必须合理的进行建筑采光节能设计。在建筑采光节能设计时,特别是一些写字楼的采光节能设计,注意尽量不要使光线反射、眩光、太强、太弱等情况出现,以达到符合现代人照明需求的目的；还有民宅中的卧室、厨房以及客厅等重要空间务必有自然采光。

1.3　满足建筑节能的需要

在建筑采光节能设计时,必须要符合现代人追求建筑设计先进的理念,因为只有这样做了,节能设计才能被重视。建筑采光时,一般情况下人工光照要比同等照度下的自然光产生热量多,耗能也多,所以可以利用阳光将建筑物调节热环境时所消耗的能源大大减少,可以实现只利用自然光达到采光节能的目的。

1.4　符合环境保护要求

建筑采光节能的好处是使节能需求得到满足,使人视觉感官舒适,使照明需求得到满足,并且将人们的居住空间条件进一步改善,与此同时,运用自然光还能除霉杀菌,进一步减缓微生物的生长速度。

2　建筑采光节能设计应该考虑的一些因素

2.1　将光和热矛盾与建筑节能设计进行协调

阳光的辐射对建筑节能设计中光、热环境的影响非常大,所以在节能建筑设计中,要将太阳能辐射谨慎应用,而且,必须对建筑地区划分标准与建筑节能设计要求两者的矛盾尽可能处理好。我国的光气候区划分为五个光气候分区,在建筑利用自然光进行采光设计时,要依据光气候的分区的不同,进行灵活的设计；同样,在建筑热工这方面,我国的热工分布图又将我国的建筑节能设计划分成五个热工分区。光热分区两者分别是依据光照度以及温度来确定的,所以,依据地区实际情况,会出现同一个地区光气候区和热工区的划分不同的现象,这样一来,同一个地区在进行建筑采光与节能设计时,要求也会大为不同。因此,建筑节能设计如果要兼顾到采光设计,在建筑设计进行时,就必须进一步找到协调解决光和热两者之间的矛盾以及问题,同时还要协调好两者与建筑功能间的矛盾。在进行建筑采光设计时,要想采光效果好,还要达到节能效果,就要想方设法将自然光尽可能的引入建筑室内,使得建筑可以实现令人满意的视觉感受以及采光效果,从而大大减少建筑照明电能的消耗量。要实现这一目标,就必须合理的设计建筑的间距。在冬季,使自然光尽可能照射进建筑内部空间,进而使建筑室内的温度相应提升；在夏季,要对建筑内部空间的热环境进行调整,尽量避免外界对建筑物的热辐射。要想符合这一要求,门窗的大小比例、具体位置需要设计者精心研究、合理布置,尽可能使建筑本身形体的变化减少,如此一来,就可以在建筑整体设计中得采光节能和热工节能的矛盾缓和。在进行两种矛盾很好平衡的同时,提高建筑采光效果,又使建筑能耗减少,这是做好建筑采光节能设计的重点所在。

2.2　注重对自然光最大限度利用

在进行建筑采光设计时,不能仅仅依靠人工光源,还要注重对自然光的利用。因为人工光源会使人的视觉感受受到很大的影响,而且,其光线的温度也会使人产生一些负面情绪或者不愉悦感。而对自然光,在不同季节进行不同的运用,可以减少人工光源对人们的影响,并且自然光源可以使建筑室内的采光效果非常好,能使比较昏暗的室内变得明亮,而且比人造光源所创造的室内舒适度要高,使得人们的办公生活环境更舒适。自然光不仅在实用方面优于人工光源,还能进一步增加建筑室内的空间艺术感,给人们美的视觉感受；对自然光进行合理的利用还有一大好处,就是可以将建筑消耗的电能减少,避免资源浪费,起到很好的节能效果。据相关数据显示,在电能消耗方面,室内照明的消耗电能占建筑能源消耗总量的三分之一,所以无论是从哪方面来讲,对自然光源进行充分利用都大有益处,而且,长远来讲,自然光有“取不尽,用不竭”的巨大优点,在很多方面是人工光源无法相比的,例如节能安全、环保洁净等方面。因此,要将建筑采光节能设计做好,利用好自然光势在必行。

2.2.1　自然采光措施具有多样性

以前,建筑在利用自然光时,主要是通过门窗来体现的,而现阶段,自然采光的措施和方法大大丰富,其表现在无论建筑内外不同部位都能安装采光设置,利用自然光将室内采光不足的问题解决好。比如,现代经常用的方法是利用屋顶散射光的天顶全息导光玻璃系统,再结合异型百叶进行建筑室内采光,将建筑内的光照量增加,也以此对建筑内部空间的生态质量进行改善。

2.2.2　自然采光技术具有综合性

在建筑采光方面,设计师们将新材料、新技术进一步运用到自然采光设计中,由于自然采光跨学科、跨领域,如建筑学、物理学以及机械和自动控制等诸多学科和领域,而且需要不同技术配合,所以一套完备的自然采光设计方案综合性是比较强的。

在地上建筑采光设计中,运用天顶全息导光玻璃系统可以达到很好的采光效果,其原理是将高科技材料与缜密的计算相互结合,使得射入光线的方向根据人的需要而改变。而地下建筑的采光,则是运用天然导光系统来对自然光进行利用,以达到采光目的。

2.2.3　自然采光系统具有智能性

现阶段,现代科学技术（例如追踪、光感以及相关控制技术）充分运用于自然采光体系中,使得采光系统能不断依据太阳位置自动调整,以确保采光效果最佳。如果建筑外部环境改变,采光系统就会与其他系统进行互相影响、互相作用,保证光源稳定、持续,依据具体要求做出适当的改变,使得自然采光系统的“智能化”得到了充分的体现。

3　建筑采光节能设计的整体思维

3.1　采光设计方法

3.1.1　被动式采光设计

在建筑采光设计中,被动式采光设计是我国比较传统的采光设计方式,其主要是对建筑所在地周围环境进行考察,并根据四季光照情况与功能性,对建筑的天窗、直立窗以及百叶窗、玻璃材质隔断及光反射板,或者建筑内部空间表面等重要采光部分进行一次性设计,使建筑在不同时间能获得的自然光尽可能的运用,并达到照明的目的。

下面以窗户的选择为例,说明被动式采光设计方式。现阶段中空玻璃在许多建筑设计中应用,“中空”就是在2片玻璃间设有空气层,这样的设计不仅可以增加建筑室内的透光量,还可以使建筑室内保持很好的隔音效果以及保温效果。比如,现在许多窗户的夹层中,都设有光传输纤维或是棱镜,可以很好的控制太阳光,使其增加在室内照射的范围与亮度。在窗户材质选择上,根据光学原理,现代许多玻璃都具备光谱选择功能,其优点是能对太阳光的光谱进行甄别和筛选,将有害的部分过滤掉,比如红外线、紫外线等容易使人受到伤害的光线；而如果建筑所在地区气候比较寒冷,则运用能将热量反射回建筑内部的材料,比如低辐射涂层的窗户,以保证室内保温。

在被动式采光设计中,可以说室内的天花板以及墙壁都是建筑照明系统的重要部分,这是因为墙壁和天花板表面具有漫反射效果,可以使阳光更好的深入到建筑内部空间。所以,要使建筑内部的整体采光效果良好、亮度增加,内部墙壁要尽量刷成浅色,天花板也要用具有较高反射率的材料。同理,如果建筑室内的家具颜色比较浅,也能将室内亮度增加。

3.1.2　主动式采光设计

主动式采光设计与被动式采光设计大为不同,其主要以机械自动化以及光敏传感技术为基础。主动式采光设计是一种较为先进的采光设计方法,最近几年来,才逐渐被广泛应用,因为大型建筑不仅对照明需求比较高,而且对照明的质量要求也较高,所以主动式采光设计主要在大型建筑采光设计中比较常用。其可以使这些大型建筑采光充足,并且可以对射入光线进行智能的调节,比如将光线射入强度以及角度适当调整,使得建筑室内采光效果最佳,而且具有美学效果。

主动式采光设计中,出现比较早、运用时间长的设置是定日镜,定日镜有一个呈碟形的表面,并且设置有连接脉冲电动机的光传感器,可以对太阳直射角度进行反跟踪和反射。定日镜是通过光敏传感器接收到光线,并且将光线变化情况传达到电动机,再转化为电信号,再传输给主控计算机,通过计算机分析电信号,进而对主反射镜进行适当的调整,使跟踪更准确,以便更好的接收与运用太阳光。然而,此装置有一个致命的弱点,因为其主反射镜经常暴露在建筑以外,经常会受到风吹、雨林、日晒等自然现象的影响和破坏,因此,必须频繁对其进行护理,否则会影响到主反射镜的工作效率,使得进光量、反光效率迅速降低,甚至有可能失灵。

3.2　采光口的整体设计思路

3.2.1　窗地比越大,采光均匀性越好

经研究表明,窗地比越来越大,人工照明消耗的电能就越少,建筑内一年的关灯率也就呈上升趋势。这个现象是由于窗地比较大,建筑内采光效果就会相对良好,进而使得人工照明消耗电能大大减少。但是,采光结合建筑采暖与制冷设计来讲,还需要在窗地比大小方面仔细考虑和分析。所以,在进行建筑的窗地比设计时,要结合建筑不同的光度要求来具体的进行建筑采光设计。假如建筑室内采光量要求相对高,就可以据此将窗户面积扩大一些,与此同时要适当采取建筑外围护保温措施,以确保室内保温效果良好。如果情况恰恰相反,就要将窗户的面积适当减小,确保室内保温隔热效果良好。

3.2.2　窗户透光率越大,照度均匀度越高

一般情况下,透光率和建筑室内的均匀值是正比关系的,也就是说,如果窗户的透光性足够好,透光率就会相应的增加,照度均匀值也就会随之而增高。所以,透光率如果比较高,那么在人工照明方面所消耗的电能就会大幅度减少,建筑节能的目的也就不难达到。

3.2.3　窗户位置要合适,节能效果才能好

在进行建筑室内采光节能设计时,要综合考虑多方面的因素,比如,低窗位对光照值的增加作用要仔细考虑,还要同时考虑光照度相对比较平缓影响到人的视觉舒适度和视觉效果。在建筑窗户位置设计时,由于低窗位会使采光效果受到较大影响,所以,近几年建筑窗户位置随着采光需要升高,但是位置高低各有其利弊。比如窗户位置高,就会使近窗处的照度值大幅降低,而如果窗户位置太低,则容易使人的视觉舒适度受到影响。所以,在进行设计时,要根据实际情况确定窗户位置,以免影响到建筑功能。

3.2.4　窗体形状越瘦高,节能效果越好

建筑内部空间的光照度值也会受到窗体形状的影响。经实验证明,窗户上沿的高度越高,光线也会在进入室内深度的方向上相应增高。但是,如果将窗体的宽度随高度增加,室内的光照值就不会相应增加很多。所以,在进行窗户形状设计的同时,要考虑到窗户瘦高形状所带来的采光效果。

3.2.5　侧窗增设内外反光板,可使照度均匀度增加

改善建筑内部空间的采光照明环境有多种方法,高侧窗和在其之上增设的反光板能将近窗处的照度峰值降低,不失为一种改善室内环境的好方法。因为在夏季太阳高角度较高,光线极强,所以太阳直射光很容易导致眩光的出现,这种现象要减少或者避免,在侧窗设置内反光板,就能将建筑室内的光照均匀度进一步提高,使得照明环境得到改善,从而达到节能的目的。不仅如此,在侧窗设置外反光板,还能使夏季热量减少,从而将空调制冷所消耗的电能减少,同样可以达到节能的目的。所以,在建筑采光设计时,可以对侧窗进行反光板的设置,进一步改善室内采光效果,降低能耗。

3.3　建筑采光节能整体设计方法

3.3.1　从建筑整体规划布局上进行设计

进行建筑整体布局规划时,考虑的首要因素就是建筑朝向设计是否科学、合理,以便使建筑很好地适应地区的光、热环境。根据我国所处的地理位置以及南北气候差异,不难总结出,如果我国北方地区的建筑要获得足够的太阳光线,则将建筑主体布置向南。因为根据太阳的热辐射分布特点,进行建筑南向规划设计,可以使建筑在冬季享受较为充足的阳光；南向还有一个好处就是,在夏季建筑所受热辐射会降到最小。然而,这并不代表建筑对建筑北向设计的忽略,虽然其在采光照度方面低于南向建筑,但建筑北向设计也有其自身的优点,比如其照度的均匀性比南向要好。所以,对于建筑朝向布局的设计,要结合起来,扬长补短,可对建筑的南向墙面进行一系列设置,比如运用镜面、钢板等反射率相对高的材料进行设置,使得南向光线引入北向,将北面朝向的建筑采光度不够的情况进一步改善。

为了使建筑空间内部得到充分的日照,必须根据相关的建筑设计标准合理的进行建筑日照间距规划布局设计,我国这些标准主要有建筑通风、采光及消防等相关标准,与此同时,还要考虑到建筑设计的分区标准。通常情况下,建筑的日照间距很轻松就可以达到设计要求,但是,日照间距达到要求并不意味着日光能充分地射入建筑内部空间,在日光的照射过程中,有一些客观因素会影响到阳光的射入量,比如建筑室外的植被有时候会将阳光遮挡,使其不能很好的采光。因此,在进行建筑设计整体规划时,要充分考虑可能阻碍采光的各种主客观因素,比如对建筑绿化面积的规划,要结合建筑具体的光热环境进行合理的布置,并且要依据建筑采光标准要求,做好建筑采光节能整体设计。

3.3.2　对建筑体型进行优化

对建筑体型进一步的优化是建筑采光节能设计所要考虑的重要方面,因为建筑内部空间光、热环境所消耗的能量会受到日光辐射热与直射光的深刻影响。如果建筑体型的长宽比例大,所获得的热量就会相对较多。在我国南方,夏季炎热,所以在防热方面,建筑节能工作需要特别注意,建筑体型就可以优化设计长宽比例较小；而在我国北方,冬季较为寒冷,主要是建筑暖通空调的节能工作要做好,与南方相反,在北方建筑需要设计为大面宽小进深的体型,即建筑长宽比大。但是如果要将采光设计综合起来考虑,如果建筑长宽比例较太小,就会使得建筑内部空间光线微弱,所以,建筑进深不应该太长,而且要尽量将横墙遮蔽减少。

3.3.3　采光节能设计智能化管理

由于地区不同,建筑的光热环境也会不相同,其会因为地区气候特点以及当地环境和人对建筑光热使用和要求而发生改变。所以,建筑进行采光节能设计时,要同时考虑到光热环境的协调和其在特定环境下的适应性。建筑的采光节能设计策略并非是简单与固定的,其需要对建筑物整体寿命周期仔细考虑,进行相关的智能化管理与联动控制。特别是近几年VR技术与GIS数字化技术不断深入应用和发展,这两种技术可以实现在虚拟空间中,对建筑物室内采光条件以及隔热条件等光热条件的智能分析进行仿真,能进一步实现采光可视化,并且对建筑节能进行量化分析,进而使得建筑采光节能设计最终合理科学,使建筑智能化的采光节能管理有进一步实现的可能。

3.4　高层建筑中设计中采光与节能整体运用

3.4.1　设计时进行建筑朝向、位置的选择

由于我国地处北半球,所以,南向采光时长较长,而且照度也相对较高,如果建筑是东西朝向,则阳光更容易直接照射到建筑内,使室内温度增高,也容易造成眩光,因此,采取适当的遮阳措施是十分必要的。但是建筑的北面,情况大为不同,北面采光大多利用空中的漫反射光,如果高层的容积率太高,日照根本达不到要求,因此,我国的建筑形成了面南背北的习惯,因为只有这样建筑采光才能达到最佳状态。对于一些寒冷城市或者地区,其在进行建筑设计规划时,要尽量运用好日照原理,以使建筑朝向以及位置更加合理,使得每幢楼都最大限度的接收到太阳光,有更好的采光与节能。

3.4.2　采光天窗的设计

许多高层建筑中,会对建筑屋顶进行天窗设计,即将建筑的屋顶“解放”,使得自然光线能够由天窗射入建筑内部空间。设计的天窗一般由金属片和透光玻璃两种材质组成,并且分上下两层,上是透光玻璃,下是金属片,日光经过透光玻璃照射到下层的金属片上,之后被反射到天花板,最终光被漫射到建筑室内,使得室内的光环境犹如天幕一般,充满自然的气息。但是要注意,天窗设计在高层建筑使用时要分情况,对于写字楼,此设计非常合适,而对于一般的住宅建筑就不宜使用。

3.4.3　高层建筑的采光节能新技术

3.4.3.1　光电玻璃幕墙

现阶段,幕墙已经成为现代建筑的首选装饰,因为其不仅具有现代感,而且外观简洁、透明,尤其是光电玻璃幕墙,已成为大多建筑设计师青睐的装饰。光电玻璃幕墙之所以受欢迎,是因为传统的玻璃幕墙有很多缺点,比如,其隔热和保温效果差,还使建筑物的能耗增加,甚至有时候会出现光污染,污染环境。而光电幕墙则不同,其将许多功能结合起来,比如,可以发电,还可以隔音、隔热,既安全又起到装饰作用,而且其将自然光能转化成电能,避免光污染的发生,达到生态环保效果。

3.4.3.2　太阳日光反射装置系统

在建筑物外部的太阳日光反射装置是一种最近几年研发的新技术,其装置的优点在于,可以使建筑采光所利用的自然光利用效率更高。太阳日光反射装置系统可以对太阳的运动情况进行监测与跟踪,且利用扩散天窗将自然光反射,使其进入建筑底部,从而使建筑达到很好的采光效果。

3.4.4　高层建筑自然采光的生态原则

3.4.4.1　协调原则。高层建筑利用自然光进行采光设计时,一定要具体问题具体分析,设计着重参考当地的气候,依据太阳辐射高度角的变化,使得设计能够满足最佳采光环境,在考虑当地气候的同时,也要将日照强弱、云雾量等可能阻碍自然光的因素考虑在设计内。

3.4.4.2　适合原则。在满足人们视觉舒适度的前提下,采光材料要尽量选择适合建筑的。此衡量标准就是材料运用不仅可以使建筑内照明的要求得到满足,还要使光能转化为电能,最终达到高层建筑的整体能耗减少的目的,使得玻璃幕墙的运用尽可能减少,避免光污染的情况的发生。在设计窗户与阳台的时,要使建筑使用者尽量与外界接触,以便其精神得到很好的调节,避免心理压迫感增加,使得其工作效率进一步提高。设计时还要依据建筑周围的环境情况,选择符合建筑实际的玻璃,使得建筑室内外光影效果达到和谐、统一的最佳状态。对于自然采光系统要根据建筑使用者的需求以及气候的变化进行适当的调节,这样不仅可以对建筑室内空间环境起到保护作用,还可以使其更符合人们的要求。

3.4.4.3　结合原则。高层建筑在进行采光设计时,不仅仅符合建筑采光要求,还应注重采光系统与建筑空间内部热环境、空气质量、安全隔音等各个方面的结合。结合的效果是自然采光设计实现后,不仅可以使节能、照明等需求得到满足,还可以实现我国现阶段所大力提倡的可持续发展要求。

4　最新建筑采光设计的实际应用

在建筑设计不断发展的过程当中,人们经过不断摸索,更趋向于将自然光当做建筑采光的来源,并且不断将建筑采光技术发展推广,从而在建筑采光这方面也积累了大量的经验。最近几年,最新的建筑采光设计方法不断产生,并且也逐渐被应用到实际的建筑施工中。

4.1　导光管法的应用

导光管照明系统是新型照明装置,其与传统的照明设备大为不同,导光管法的应用原理是,其将一个地方自然光收集起来,之后再往另一个地方进行传送,且合理的再分配这些收集到的自然光,使得某一个需要照明的区域照明效果理想。

其系统通常主要由导光管、聚光器以及光扩散组件三部分组成。首先由聚光器最大限度的采集日光,之后将采集好的日光聚于导光管一端,新型聚光器可以日光进行智能跟踪,以便使日光采集尽可能的多,然而,其装置价格比较昂贵。光扩散元件是由漫反射以及扩散附件对日光在房间释放的形式以及方向进行调节。要注意,在夜晚或者其他特殊情况下,没有日光或者日光极其微弱,因此,导光管照明系统通常要备有人工光源,这样才可以在这些特殊情况下进行辅助照明。

4.2　光导纤维法的应用

光导纤维照明系统也是新的照明系统,其也有传统采光技术所不具备的优点,此系统和导光管照明系统相比,主要区别在于导光管系统组成部分光传输元件与其系统组成部分为光导纤维。此部分主要用来传输光束,其不仅可以将光在传输进行时的能量损耗减少,还可以将输出端的辐射光能量进一步提高,与此同时,其还有一个很大的优点,就是安装、维护都比较方便、易操作。

5　结束语

总而言之,进行建筑采光节能设计要进行综合考虑,要明确建筑采光节能设计应达到的目标,合理利用光热分区标准,进行建筑体型的优化和采光口的设置,协调好光热矛盾,进行科学的采光节能设计,充分利用采光设计方法与最新建筑采光设计,使得建筑采光节能更好的实现。

注：原文发表在2014年8月下旬《中华民居》