王子健1 范涛2 章垠程3 向一心4 李莉5
上海理工大学 20093
摘要：介绍了国内外不同的研究背景，研究情况与解决方案，综述了对低楼层采光的看法，提出并分块介绍了对该问题的解决方案，说明存在问题和研究难点。
关键词：低楼层采光 太阳光 反射 集光
0 引言
建筑内部的光和亮度，不仅保证了人们生活和工作的进行，同时还起到调节气氛，满足人的精神需要的作用[1]。新房屋在设计和建造的时候都会考虑采光。即使是一楼，也基本上都能达到国家规定的最低日照标准，但大多还是利用人工光源达到照明效果。但与人工光源相比，以太阳光为代表的自然光光量巨大，且在以亿年计的时间范围内用之不竭，符合现今提倡的绿色，高效，环保可持续建筑大趋势，有巨大潜力。一般来说建筑的高层部分，采光比较理想，自然光的利用率高，但对于建筑的低楼层而言，受地理位置，天气状况，季节，日照时间和建筑结构等的影响，导致建筑物底层不能高效利用自然光，很多时候只能靠人工光源维持室内所需亮度，耗能大，很难做到节能和环保。在此情况下，对低楼层采光不理想问题的分析研究和寻找减少人工光源使用量而提高对自然光利用率的低层楼节能措施就显得十分重要。
低楼层采光问题的研究一直都在进行中。由于地理位置，天气状况，季节等为不可控因素，所以多数从建筑结构入手，从物理方法的角度，进行了“楼高，间距与室内采光的关系”的研究，得出不同纬度地区符合采光规定的楼层间距和楼高数据。但是要符合采光要求就要有一定的楼层间距，大大限制了居民房土地的利用，尤其是在上海和北京这样寸土寸金的地方。所以建筑间保持距离显然仍不是人们最满意的方案。在早期也有使用开灯或者涂高亮墙面涂料来提高采光的方法，这样做长期会消耗巨大能源以及涂料会损害人身体健康，近年来通常使用的方法是在窗洞上乳白玻璃和折光玻璃进行光的反射但缺点光线分布不均匀。而目前采用的较多的方法有光导管法，中国建筑科学院已经通过无窗厂房和地下室的自然采光研究得到这一成果以进行自然光的采集，还有是棱镜组多次反射法，美国加州大学的贝克利实验室用棱镜组折射的方法解决了十层大楼的采光问题，澳大利亚则用这种方法把光送到了房内十米深处进行照明，英国人也热衷于此类方法，他们用此解决了大部分的建筑物地下采光问题[1]。但是这两种方法都依赖于充足的自然光，显然轻易地被自然因素掣肘。在阴天或是长期梅雨的地区，多数时候仍旧需要大量地使用人工光，这部分耗能需要大量煤炭等资源的支持。
因此我们提出了集中太阳光再进行反射，有效提高太阳光光的利用率以及提高环保的有效的提高低楼层的采光的想法。
1研究方法及材料
当前，各大城市高楼林立，建筑越来越高、越来越密已成城市发展趋势，如此发展带来的环境问题不可忽略。例如低楼层采光较差带来阴冷潮湿的环境（尤其是冬天），降低人们的生活质量和工作效率。我们此次的研究主要着手解决低楼层采光较差的问题。本次研究主要使用两种方法：实验法和计算机模拟法。具体说明如下：实验法主要采集日光的光照强度和角度。我们在寝室楼（共7层）一层采光最差的阳台、三层采光较差的阳台、五层采光较好的阳台以及七层采光最佳的阳台共计四个地点，每个地点每20分钟采集一次数据，持续采集30天，得到的数据将用于计算机模拟法中进行比对。
计算机模拟法主要使用了建筑太阳光照实时模拟系统模拟全天候的日光分布情况，得到一组理论数据。该理论数据将与实际数据进行比对，寻找误差。在修正数据后，该组数据将直接用于装置的研究与制作。
机械模块：跟随转向装置实现方法是通过光感材料的阈值输出高低电平信号，激活单片机内的转向程序，间断性激活两个转向电机，实现在基准面上全方位转向跟随。实现方法是将墙壁作为机架，以紧贴墙壁且平行于地面的假想线作为x轴，以垂直于墙壁作为y轴，以垂直于水平面的假想线作为z轴。在xy轴水平面上使用电机、减速齿轮和转轴的结构实现水平方向上的旋转，在yz轴面上使用电机、减速齿轮、齿杆和滑块的机械结构实现在垂直方向上的俯仰跟随。
图一 传动装置简图
图二装置概念示意图
所选材料及其工艺：为提高装置的折射以及考虑到材料的环保无污染性以及成本。我们选用金属铝，铝在近紫外光、可见光、近红外光都有良好的反射率，是镀光学反射镜最常使用的材料，但是铝膜材质较软而且容易氧化，通常用于背反射膜，当用于前反射膜时，其表面必需镀上保护膜，也可以镀上金属或非金属膜来提高在特定波长的反射率。金与铜在650~800nm的反射率表现不错，但是当波长小于500nm时，金、铜的反射率却远低于铝、银。
综上，我们选择铝并进行镀膜处理。经过查阅资料，我们可以通过"真空镀膜"的方法给金属铝外镀一层二氧化硅与二氧化钛的混合薄膜，该薄膜不仅能提供反射金属的抗氧化性，且二氧化钛具有自清洁，增大反射率的功能。
低楼层的采光不理想即对人的身体有不良影响（如SAD），降低生产效率，而且会造成大量的不必要的能耗，产生污染。李婵娟等人研究表明，光照强度的改变会对人体产生不同的影响，影响工作效率[3]。所以阳光并不能被人工光源完全取代。我们通过研究发现，用光导管进行阳光的集中，之后再进行折射与分配既解决了既有建筑的低楼层采光问题，也可以对新建建筑的采光有很大帮助，而且减少了大量的多余能耗。将该装置安装在光照环境好或者较好的区域，每个装置负责一到两个单元，一到三层的折射工作。对设置高度的合理计算，可以减少折射光对生物的影响。建筑室内的影响可以通过安装反射板来解决。经过合适的分布和合理的改造，就可以将阳光投射进低楼层等长期阴暗的地方，提高舒适度，增加工作效率。
我们将四个点的数据处理成曲线图，放在一起进行对比，取光照强度合适时间数据取均值，根据均值和波动范围设定数值。
2结果及可行性分析
从市场需求角度而言，我国大部分的楼层就需要有关于低楼层采光的改进措施。我国人口众多，楼层亦如此，如果对于低楼层采光的研究可以有突破，将省下一笔巨大的财富。对于材料要求而言，本文所需要的实施材料在市场上比较常见，而非昂贵罕见的材料，因此并不存在材料难以获得的问题。另外，本文所提出的方案中建筑规模并不十分巨大，不需要动用太大的工程便可以完成。由于本文方案中的采光主要以太阳光线为主，而太阳能属于清洁能源，完全符合绿色能源的要求，对于保护环境，环保能源方面而言，既剩下了电能，又获得了光能，可谓是一举两得。
运行原理：该装置通过安装在高层楼顶的采光装置（采光板）聚集室外的自然光线，然后通过连接导光装置（导光管）将太阳光高效传输到反射板与传动装置，再通过合理的折射系统将采集的太阳光折射入每个低楼层室内。最后根据需要在室内安装反射板使光线分配均匀，以达到在不造成光污染的前提下利用太阳能解决低层采光问题
3结语
低楼层采光问题目前还没有很好的解决方案，这一方面还需要更加的得到重视。虽然对其有研究，但深度广度还不够，还需进一步深入研究。我们的装置因为光伏板的作用，相对耗电量更小，因为光敏系统和传动系统更加灵活，在白天能更少的造成光的损失，和室内散光板的配合使用避免了强光对人体的影响。但问题也存在，在没有太阳的天气里，该装置的作用微乎其微，还有待解决。室内光环境设计是一项复杂的工程，更是关乎人的身心健康和长久利益的工程，需要对空间的功能性质、空间形态、装修材料物理属性等方面内容进行全面了解，做出相应的照明技术分析。生态文明时期的最大特点可以说是“和谐共生、良性循环、全面发展、持续繁荣”为基本宗旨的文化伦理观。采用该方案，符合国家绿色节能的精神同时可以解决底楼层光采光不足的问题。
参考文献：
[1]付光美.光之语境与建筑空间——论自然光在建筑空间中的运用[D].东北师范大学，2008：1-33
[2]贾佳，《建筑设计中自然光的运用》，2013，《科协论坛（下半月）》，10.3969/j.issn.1007-3973.2013.04.060
[3]孙婵娟，Work performance in relation to lighting environment in office buildings，2018，Science Citation Index，10.1177/1420326X18820089
论文作者:王子健1,范涛2,章垠程3,向一心4,李莉5
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第1期
论文发表时间:2019/9/3
标签：采光论文; 楼层论文; 装置论文; 反射论文; 自然光论文; 建筑论文; 方法论文; 《建筑细部》2019年第1期论文;