充分利用天然光,为人们提供舒适和健康的天然光环境,传统的采光手段已无法满足要求,新的采光技术的出现主要是解决以下三方面的问题:1)解决大进深建筑内部的采光问题。由于建设用地的日益紧张和建筑功能的日趋复杂,建筑物的进深不断加大,仅靠侧窗采光已不能满足建筑物内部的采光要求。2)提高采光质量。传统的侧窗采光,随着与窗距离的增加室内照度显著降低。3)解决天然光的稳定性问题。天然光的不稳定性一直都是天然光利用中的一大难点所在,通过日光跟踪系统的使用,可最大限度地捕捉太阳光,在一定的时间内保持室内较高的照度值。
目前新的采光技术可以说层出不穷,它们往往利用光的反射、折射或衍射等特性,将天然光引入,并且传输到需要的地方。以下介绍几种先进的采光系统:
1、导光管
导光管最初主要传输人工光,逐渐扩展到天然采光。导光管主要由三部分组成:收集日光的集光器,传输光的管体部分和控制光线在室内分布的出光部分。其中集光器有两种:主动式集光器通过传感器的控制来跟踪太阳,最大限度地采集日光;被动式集光器是固定不动的。管体部分主要是利用光的全反射原理来传输太阳光。光扩散元件部分则是通过漫反射或其他扩散附件来调节阳光进入房间的形式。实际中垂直方向的导光管普遍应用,穿过结构复杂的屋面及楼板,把天然光引入每一层直至地下层。
德国柏林波茨坦广场上使用的导光管,直径约为500mm,顶部装有可随日光方向自动调整角度的反光镜,管体采用传输效率较高的棱镜薄膜制作,可将天然光高效地传输到地下空间,同时也成为广场景观的一部分。北科大体育馆安装了148个直径为530 mm的光导管。体育馆的钢屋架是网架结构,杆件较多,如果用开天窗的方法采集自然光,会受到杆件遮挡,效果不甚理想,而使用光导管就很好的解决了这个问题。
2、光导纤维
光导纤维是20世纪70年代开始应用的高新技术,最初应用于光纤通信,80年代开始应用于照明领域,目前光纤应用于照明的技术已基本成熟。
光导纤维采光系统一般也是由聚光、传光和出光三部分组成。聚光部分把太阳光聚在焦点上,对准光纤束。传光的光纤束根据光的全反射原理,使光线传输到另一端。在室内的输出端装有散光器,可根据不同的需要使光按照一定规律分布。光纤截面尺寸小,直径约为10mm,所能输送的光通量比导光管小得多,但可以灵活地弯折,而且传光效率比较高,具有良好的应用前景。
由英国蒙诺加特公司生产的桑帕普无能耗光导照明系统,它不但可以把光线传输到其他方法不能达到的地方,而且还可提高室内环境品质,是一种非常有效的太阳能光利用方式。清华大学超低能耗节能楼地下室就采用光导传输系统,“向日葵”集光机安装于室外。
3、采光搁板
采光搁板是在侧窗上部安装一个或一组反射装置,使窗口附近的直射阳光经过一次或多次反射进入室内,以提高房间内部照度的采光系统。房间进深不大时,采光搁板的结构可以十分简单,仅是在窗户上部安装一个或一组反射面,使窗口附近的直射阳光,经过一次反射,到达房间内部的天花板,利用天花板的漫反射作用,使整个房间的照度和照度均匀度均有所提高。当房间进深较大时,采光搁板的结构就会变得复杂。在侧窗上部增加由反射板或棱镜组成的光收集装置,反射装置可做成内表面具有高反射比反射膜的传输管道。这一部分通常设在房间吊顶的内部,尺寸大小可与建筑结构、设备管线等相配合。为了提高房间内的照度均匀度,在靠近窗口的一段距离内,向下不设出口,而把光的出口设在房间内部,这样就不会使窗附近的照度进一步增加。配合侧窗,这种采光搁板能在一年中的大多数时间为进深小于9m的房间提供充足均匀的光照。
4、导光棱镜窗
导光棱镜窗是利用棱镜的折射作用改变入射光的方向,使太阳光照射到房间深处。导光棱镜窗的一面是平的,一面带有平行的棱镜,它可以有效地减少窗户附近直射光引起的眩光,提高室内照度的均匀度。同时由于棱镜窗的折射作用,可以在建筑间距较小时,获得更多的阳光。产品化的导光棱镜窗通常是用透明材料将棱镜封装起来,棱镜一般采用有机玻璃制作。导光棱镜窗如果作为侧窗使用,人们透过窗户向外看时,影像是模糊或变形的,会给人的心理造成不良的影响。因此在使用时,通常是安装在窗户的顶部或者作为天窗使用。例如德国国会大厦执政党厅使用了导光棱镜窗作为天窗,室内光线均匀柔和。
5、其他采光技术及新型材料
导光玻璃是将光纤维夹在两块玻璃之间进行导光。带跟踪阳光的镜面格栅窗,能自动控制射进室内的光通量和热辐射。用导光材料制成的导光遮光窗帘,遮挡阳光直射室内的同时又将光线导向房间深处。在建筑采光中,能源材料的发展也起到至关重要的作用。一些新型的采光材料如太阳能薄膜电池,光(电)致变色玻璃,聚碳酸酯玻璃,光触媒技术薄膜涂层和纳米材料的应用等推进了采光方式的突破和发展。