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绿色建筑自然光环境设计思路分析

2021/12/17 阅读:

摘要:当前我国处在经济高质量发展时期,消费升级使得人们对建筑光环境的舒适度要求越来越高。从使用者和环境角度,分析了绿色建筑发展面临的两大问题——玻璃幕墙选材易产生光污染以及室内自然光引入不够而导致人工照明能耗增加,并从材料选用和安装、建筑形体设计两方面提出了相对应的解决方法。在高效利用自然光的同时,减少眩光等光污染的产生,以达到落实碳中和,实现低碳建筑的目的。

关键词:建筑节能;绿色建筑;建筑设计;建筑环境;碳中和

引言

室内光环境设计是绿色建筑的关注焦点之一,合理的建筑室内光环境能够营造多样化的环境氛围,减少视觉疲劳,提升工作和学习效率,同时降低建筑能耗、降低碳排放。

1绿色建筑自然光环境设计面临的问题

1.1玻璃幕墙材料选用和安装不当易产生光污染

光污染的产生主要来源于太阳光辐射中的反射光,反射光根据人眼观察角度不同,会产生面积不同的眩光,造成光污染。光污染在一定程度上对人体的健康有很大的危害,是抑郁症等疾病的诱发因素[1]。玻璃幕墙在某种程度上是完全采光的侧窗,如果不对其采取辅助优化处理,自然光通过玻璃幕墙直射进室内,必然会造成眩光问题,引起居住者的不适。临街玻璃幕墙外立面产生的眩光又会影响周围住宅楼居民的正常生活,甚至干扰过路车辆司机的视觉,影响司机的视觉判断和驾驶状态,进而引发交通事故。以北京市朝阳区CBD核心区中国尊为例,建筑高度528m,外立面大面积使用玻璃幕墙,经分析评估反射光影响发现,冬至日中国尊玻璃幕墙反射光的影响范围主要集中于南向;春(秋)分日反射光范围向东西两侧扩散;而夏至日反射光影响范围主要集中于东西向,对周围住户日常生活产生较大影响。

1.2室内自然光引入不够,人工照明能耗增多

受限于建筑空间和成本控制,考虑到投入产出比等经济效益,传统建筑增加高度和进深,依赖人工照明解决光源问题,而长期在这种没有自然光的环境中工作生活,难以感受到外界自然环境的变化,人体持续处于“生物钟黑暗”状态,人们罹患抑郁症等疾病的风险增加。同时人工照明也消耗大量电能,与环保节能的理念相违背。

2绿色建筑自然光环境设计的主要措施

经过试验测试与对比,高质量自然光环境设计既可以节省能量消耗,同时有效缓解城市建筑光污染问题[2]。

2.1合理安装玻璃幕墙,减少眩光产生

在玻璃幕墙材质的选择上,可选用粗糙的毛玻璃或可见光透射比较高的新型节能玻璃等,尽量不用或少用镀膜玻璃及反射比大于0.3的镜面玻璃,以减弱玻璃幕墙的定向反射光,减少眩光的产生。在安装工艺上,可在玻璃幕墙的内侧玻璃贴上黑色吸光材料,或在玻璃幕墙的外侧增加一层低辐射镀膜吸收光线,减轻光污染。还要注意玻璃幕墙的安装角度,减少凹面镜聚光引发室内火灾,或是凸面镜反射自然光产生更多眩光的现象。还可借助建筑周围的环境设计,降低玻璃幕墙反射光的不利影响,如借助地形地貌、植被等,发挥遮挡和吸收作用。

2.2合适的外立面遮阳措施降低光污染

遮阳措施不仅可以避免太阳直射辐射导致室内产生眩光和局部过热问题,同时可以减少外立面玻璃幕墙大面积反光导致的光污染。在建筑外立面设计中,可采用立面窗户设置自动调节遮阳百叶系统,形成自适应的动态调整系统。百叶上的传感器随着太阳角度变化而变换角度,达到控制窗墙比的效果,柔化照射进室内的自然光,避免自然光在室内多次反射,保证采光的均匀度。根据研究发现,百叶窗处于水平角度及向上倾斜时,自然光中的直射光和漫射光都会增加窗户的眩光问题;百叶窗向下倾斜时,形成柔性阴影并减少眩光问题,给空间适当的明亮感,便于活动[3-4]。在百叶窗的材质选择上,应尽量选择亚光而不是镜面的饰面,减少眩光的产生,同时杜绝室内无自然采光的现象。可在建筑外立面设置格栅,起到遮挡部分反射眩光的效果。通过研究分析,格栅高度与遮挡眩光效果成正比,格栅高度越高,遮挡效果越好。

2.3利用光导纤维技术及适宜光导管设置提升室内自然光

光导纤维技术传送自然光的损耗小、距离长,可降低自然光中的紫外线、红外线对人体造成的伤害,实现自然光的柔性传播和均匀分布,不会因室内局部过亮而形成眩光,也有利于人们办公时将注意力集中在工作区,提高工作效率。实践中在采光口辅助适宜的反光、折光及调光装置,如可调节高度角和方位角的跟踪反射镜,以控制与调整光线。以密尔沃基市联合卫理公会教堂为例,通过在不同季节调整反光镜的热控遮光器,将更多的自然光引向室内,利用二次反射镜面提高室内空间的照明度,同时也可保证光线照射方向和扩散的合理性,避免产生干扰的阴影和眩光。对于地下空间,尤其是没有直接采光的地下室等空间,采用光导管采光系统,利用光导管以及导管中设置的光收集镜面、光反射镜面、将自然光反射进吊顶的镜面,并引入地下空间,可达到减少人工照明能耗的目的。对于室内玻璃的选择,可采用扩散透光材料,例如乳白色玻璃、玻璃砖等,提高房间深处的照度,或使用能够感知周围环境中光和热变化的新型材料,例如调光玻璃、膜材料等[5-6]。同时可以采用计算机辅助监测自然光的手段,感知和调节采光材料,提高室内采光效率以及人体舒适度。

2.4建筑形体设计中注重光环境因素

创新建筑外形的设计,增加采光面。丹麦BIG建筑设计事务所在一次国际竞赛中提出的W—Tower方案设想。通过扭曲、推拉的手段,将巨大体量的建筑分解成三段小体量,将采光面从传统的4个面增加到12个面,既提升建筑的自然光采光效率,也增加建筑的使用效率,提供自然光采光新思路。对建筑屋面楼板进行特殊设计,可以延伸悬挑,在一定程度上充当百叶的作用,增加自然光反射。位于恩斯赫德的SIGMAX办公大楼,采用层叠式设计,悬挑楼板和连续的玻璃幕墙起到模糊室内外视觉界限。4块轻薄的楼板向四周延伸,经过计算设计,根据立面不同、延伸距离不同,并在楼板底部铺设不锈钢面板,增加自然光的折射率,保证室内深处的采光,最大程度保证每楼层有充分的光线,享受最优采光。在屋面增加天窗设计,沟通室内外空间,有效引入自然光,提高建筑室内采光率。天窗形式可以根据建筑的功能灵活设计,水平天窗、锯齿形天窗以及一些特殊造型的天窗在不同功能的建筑中已越来越普遍[7-9]。水平天窗的采光效率比建筑立面的侧向开窗至少提高两倍,且模块化的天窗排列使室内外形成和谐统一的韵律美,多运用于大面积、模块化的交通建筑中,如马德里巴拉哈斯机场、深圳宝安国际机场等;锯齿形天窗相比于水平天窗,在保证采光率提高的同时,丰富了建筑的第五立面,以华北理工大学图书馆和兰开斯特历史学校为例,两者均采用大尺度锯齿形天窗设计,形式新颖、装饰简洁,使建筑富有现代气息。对建筑立面进行折线设计,提高采光率。以德洛伊特办公楼为例,根据差异化立面分析各个方位受到的太阳辐射,尤其西、北立面,根据最极端的太阳入射角度切线,将立面开窗设计成“褶皱”效果,受到更多的自然光照射,这一方法普遍应用在我国居民住宅楼设计方面。倾斜外立面设计也可以提高建筑的采光率。建筑外立面设计成有倾斜角度的形式,作为夏季自遮阳方式之一,既形成空间可为行人遮风挡雨,又可避免阳光直射室内,例如达拉斯市政大楼主立面向前倾斜34°以及世博会中国馆的造型设计,均采用倾斜外立面设计。

3结语

建筑光环境的好坏是评价建筑室内环境质量的重要指标。在建筑设计过程中,如何合理、高效地利用自然光,减少用电消耗,推进碳减排工作,已经成为当代建筑设计首要考虑的任务之一。增加自然光的利用,既可提升居民生活质量以及生活环境的舒适度,又可实现可持续发展的环保理念,为实现碳中和做出贡献。

作者:孟宇凡 单位:北京建筑大学建筑系

绿色建筑自然光环境设计思路分析

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