自然采光的节能设计方案

利用自然采光，不仅可以节约能源，并且使人们在视觉上更为习惯和舒适，在心理上能和自然接近、协调，可以看到室外景色，更能满足精神上的要求。室内采光效果，主要取决于采光部位和采光口的面积大小及布置形式，一般可分为侧光、高侧光和顶光三种形式。侧光可以选择良好的朝向、室外景观，但当进深增加时，采光效率就会很快降低。因此，常增加窗的高度或采用双向采光来弥补这一缺点。增加窗高，不仅有良好的景观，而且使室内充满阳光、明媚而富有生气。高侧采光照度比较均匀，留出较多的墙面可以布置家具、陈设，常用于商场等。顶光的照度分布均匀，影响室内照度的因素较少，但在管理、维修方面较为困难。

自然采光一般采取遮阳措施以避免阳光直射室内所产生的眩光和过热的不适感。如宾馆中庭的高窗采用的帏幔，使室内产生漫射光，光线柔和平静。但有时阳光对活跃室内气氛，创造空间立体感及光影的对比效果，起着重要的作用。

1.自然采光方法利用的生态原则

（1）与气候相协调。由于自然光的光源是太阳，所以，自然采光要考虑当地的云状、云量、日照率、大气透明度、日照强度等气候条件，选择最佳的采光措施。

（2）与地理条件相适应。各个建筑所在地点的地理条件都不一样，如纬度和经度、高山、平原、峡谷、城市、乡村、相邻建筑的高度和距离，以及周围其他遮挡物（如树木）的距离和高度等都影响着天然采光，因此，采光的方法和措施要与这些条件相适应。

（3）满足视觉舒适度的要求。采用的自然光在满足建筑的使用及工作要求的同时，要避免过强或过弱的光线，避免同一工作区内的强度变化过大、眩光、光反射等，确保视觉舒适度，防止视觉疲劳，预防眼疾，保证工作的安全性。

（4）尽可能降低能耗。自然采光降低了本身的照明能耗，但玻璃的热阻小于其他围护结构，夏季的阳光透过玻璃产生了“温室效应”，增加了制冷的能耗，因此，须采用热工性能较好的采光材料，选用热工能耗较小的方法和措施。在满足采光要求的前提下，整体考虑采光系统的能耗，从采光材料的生产、运输、施工、维护到废弃，应选择能耗最小的自然采光方式。

（5）合理利用采光材料。自然采光系统的材料发展很快，种类也较多，但选用这些材料时应考虑环境的因素和可持续发展的原则，选用本土的、生产过程污染小的、原材料丰富的、原材料开采对环境破坏较小的、回收率高的材料。

（6）防止“光污染”。玻璃幕墙在强烈的阳光照射下，会形成强烈的反射光，影响行人、汽车司机及相邻建筑内使用者的视觉舒适度，甚至会发生事故。

2.自然采光设计的注意问题

（1）采用有利的朝向。由于直射阳光比较有效，因此，朝南的方向通常是进行自然采光的最佳方向。无论是在一天中还是在一年里，建筑物朝南的部位获得的阳光都是最多的。在采暖季节里，这部分阳光能提供一部分采暖热能，同时，控制光线的装置在这个方向也最能发挥作用。

自然采光最佳的第二个方向是北方。因为虽然来自北方的光线数量比较少，但比较稳定。这个方向也很少遇到直接照射的阳光产生的眩光问题。在气候非常炎热的地区，朝北的方向甚至比朝南的方向更有利。另外，在朝北的方向也不必安装可调控光遮阳的装置。

最不利的方向是东方和西方，不仅因为这两个方向在每一天中只有一半的时间能被太阳照射，而且还因为这两个方向日照强度最大的时候，是在夏季而不是在冬季。然而，最大的问题还在于阳光在东方或者西方时，在天空中的位置较低，因此，会带来非常严重的眩光和阴影遮蔽等问题。从建筑物的平面布局来看，北侧开窗、南侧开窗并加装遮阳装置是最理想的楼面布局，如图7-2（d）所示。确定方位的基本原则如下：

1）如冬季需要采暖，则应采用朝南的侧窗进行自然采光。

2）如冬季不需要采暖，还可以采用朝北的侧窗进行自然采光。

3）用自然采光时，为了不使夏季太热或者带来严重的眩光，应避免使用朝东和朝西的玻璃窗。

（2）采用有利的平面形式。建筑物的平面布局不仅决定了天窗和侧窗之间的搭配是否可能，同时，也决定了自然采光口的数量。通常情况下，在多层建筑中，窗户进深为4.5m左右的区域能够被日光完全照亮，再往里4.5m的区域只能被日光部分照亮。图7-2（a）～（c）中列举了建筑的三种不同平面布置形式，其面积完全相同（都是900m2）。在正方形的布局里，有16％的地方日光根本照不到，有33％的地方只能照到一部分，有51％的部分自然采光比较充分。长方形的布局里，没有日光完全照不到的地方，但它仍然有大面积的地方日光只能部分照得到，而有中央天井的平面布局，能使屋子里所有地方都被日光照到。当然，中央天井与周边区域的实际比例，要由实际面积决定。建筑物越大，中央天井就应当越大，而周边的表面积越小。

图7-2　不同平面布局下的自然采光效率(www.xing528.com)

（a）30m×30m的平面布局；（b）115m×115m的平面布局；（c）50m×18m的平面布局；（d）南方和北方开窗的平面布局

现代典型的中央天井，其空间都是封闭的，其温度条件与室内环境非常接近。因此，有中央天井的建筑，即使从热量的角度一起考虑，仍然具有较大的日光投射角。中央天井底部获取光线的数量，由一系列因素决定：中央天井顶部的透光性，中央天井墙壁的反射率，以及其空间的几何比例（深度和宽度之比）。使用实物模型是确定中央天井底部得到光线数量的最好方法。当中央天井空间太小，难以发挥作用时，它们常常被当作采光井，可以通过天窗、高侧窗（矩形天窗）或者墙窗来照亮中央天井（图7-3）。

图7-3　具有自然采光功能的中央天井的三种形式

（a）天窗；（b）高侧窗；（c）墙窗

（3）采用天窗采光。一般单层和多层建筑的顶层可以采用屋面上的天窗进行采光，也可以利用采光井采光。建筑物的天窗可以带来两个重要的好处：一是它能使相当均匀的光线照亮屋子里相当大的区域，而来自窗户的昼光只能局限在靠窗4.5m的地方[图7-4（a）]；二是水平的窗口比竖直的窗口获得的光线更多[图7-4（b）]。但是，开天窗也会引起许多严重的问题，如来自天窗的光线在夏季时比在冬季时更强，而且水平的玻璃窗也难以遮蔽。因此，在屋面通常采用高侧窗、矩形天窗或者锯齿形天窗等形式的竖直玻璃窗比较适宜[图7-4（c）]。

图7-4　天窗采光的优点

（a）从侧窗进来的光线局限在靠窗4.5m的地方；（b）天窗可以不受限制提供相当均匀的照明；（c）各种形式的天窗

锯齿形天窗的特点是屋面倾斜，可以充分利用顶棚的反射光，采光效率比矩形天窗高5％～20％。当窗口朝北布置时，完全接受北方天空漫射光，光线稳定，直射日光不会照进室内，因此，减小了室内温湿度的波动及眩光，如图7-5所示。根据这些特点，锯齿形天窗非常适于在纺织车间、美术馆等建筑使用。大面积的轧钢车间或轻型机加工车间、超级市场及体育馆也有利用锯齿形天窗采光的例子。

图7-5　锯齿形天窗

（a）锯齿形天窗厂房剖面；（b）采用锯齿形天窗的工业厂房

散光挡板可以消除投射在工作表面上的光影，使光线在工作表面上的分布更加均匀，也可以消除来自天窗（特别是平天窗）的眩光（图7-6）。挡板的间距必须精心设计，才能既阻止阳光直接照射到室内，又避免在45°以下人的正常视线以内产生眩光。顶棚和挡板的表面应处理成既粗糙又具有良好的反光性。利用顶部采光达到节约照明能耗的一个很好的例子是我国的国家游泳中心——水立方（图7-7）。

该建筑屋面和墙体的内外表面材料均采用了透明的ETFE（聚四氟乙烯）膜结构，其透光特性可保证90％自然光进入场馆，使“水立方”平均每天自然采光达到9h。利用自然采光每年可以节省627MW·h的照明耗电，占整个建筑照明用电的29％。

图7-6　散光挡板的布置及效果

图7-7　水立方的内部屋面采光效果

（4）采用有利的内部空间布局。开放的空间布局对阳光进入建筑物深处非常有利。用玻璃隔板分隔屋子，既可以营造声音上的个人空间，又不至于遮挡光线。如果还需要营造视觉上的个人空间，可以将窗帘或者活动百叶帘覆盖在玻璃之上，或者使用半透明的材料，也可以选择只在隔板高于视平线以上的地方安装玻璃，以此作为替代。

（5）选用浅淡颜色。在建筑物的内外都使用浅淡颜色，以使光线更多更深入地反射到房间内，同时，使光线成为漫射光。浅色的屋面可以极大地增加高侧窗获得光线的数量。面对浅色外墙的窗户也可以获得更多的日光。在城市，建筑物采用浅色墙面尤其重要，它可以增加较低楼层获得阳光的能力。

室内的浅淡颜色不仅可以将光线反射到屋子深处，还可以使光线漫射，以减少阴影、眩光和过高的亮度比。顶棚应当是反射率最高的地方，地板和较小的家具是最无关紧要的反光装置，反光装置的重要性依次为顶棚＞内墙＞侧墙＞地板和较小的家具，因此，即使地板和较小的家具具有相当低的反射率（涂成黑色）也无妨。