CN1385734A - 利用高楼等导引调控阳光 - Google Patents

Abstract

本发明就是要解决诸如此类的问题。它通过在楼房、塔柱形建筑等的顶部高处设计安装阳光导引调控装置(阳光翼板、导引阳光曲管、“新日光灯”透光镜......),来改变阳光的传播方向和路径,给需要阳光的地方引入阳光,加强、减弱阳光,有目的、有选择地吸收、“变换”(如滤光)阳光。进一步,还可有阳光工程和阳光规划。遮挡问题的至今仍然严重存在,有力地说明了本发明的新颖性和独创性。

Description

利用高楼等导引调控阳光

本发明涉及，在楼房塔柱形建筑等的顶部高处设计安装导引调控阳光装置、阳光工程和阳光规划，它可以满足人们各种合理的采光调光需求。

                    一.技术领域

阳光利用。

                    二.技术背景

阳光是生命的要素，它给人类带来光和热。它能杀菌抗病，清洁空气，创造居室最适宜的小气候，维持人们的健康和工作能力。太阳能是清洁能源。地球上几乎所有已知的其他能源都直接或间接地来自太阳能。

古代，人口不多，居住分散，房屋低矮，人均绿地很多，所以几乎不存在采光问题。

近代，特别是现当代，人口猛增，城市化提速，高楼林立，日照问题便被当作一个重要的问题提了出来。1932年，在瑞典召开的第四届国际建筑师代表大会上指出：“在冬季，保证住房每天有不少于2小时的日照是必要的。对建筑师来说，阳光进入到住房，这是一个新的重要的任务。”但是，长期以来，这一号召并没有在多数民用建筑的设计和建造中实现。

1963年3月21日，针对居民楼和民用建筑用地的日照需求，苏联第一次以日照卫生标准做出规定。

在日本，楼房遮挡邻居阳光的纠纷，1960年左右就开始引人注目，到1965年，投诉急剧增多，舆论更是火上加油，使问题愈闹愈大，有时甚至出现流血事件。建设省因此于1972年成立了日照标准专门委员会，并于1973年8月提出了草案，部分修改后，直到1976年11月，国会才通过这个关于日照标准的建筑标准法修正案(日影规定)，并定于1977年11月开始在全国实施。

北京市现在依据的地方法规，是1994年经市政府批准修订的《北京市生活居住建筑间距暂行规定》。该《规定》第四章即有这样的规定：“现状居民因新建、扩建建筑而被遮挡，造成冬至日满窗日照时间不足1小时的，享受一次性经济补偿。”这里有三点值得注意：

1、《规定》强调的是“新建、扩建建筑”而不包括早先建筑和同期建筑；

2、是“冬至日满窗日照时间不足1小时”而不是前面提到过的“2小时”；

3、是“一次性经济补偿”而不是“阳光”补偿。

这里，不仅冬季“保证住房每

天有不少于2小时日照”降到了“冬至日满窗日照时间”1小时，还不顾以前和同期建筑造成的既成事实的遮挡，后来建筑生成的遮挡也不过“一次性经济赔偿”(想来不会多)了事，遮挡依然是遮挡。无奈、折衷、妥协、不彻底.....更何况2小时并不等于冬季住房前毫无遮挡时的日照时间。所以说《北京日报》2001年7月31日发表的短评《注意保护你的采光权》中的“采光权”，只是当地法律意义上的有限制的采光权，而不是真正彻底的采光权。

我要从一条北京新闻来继续论述——

“为了使2008年的北京奥运会真正成为绿色奥运会，北京将充分利用太阳能、地热能等备种新能源，建设一批示范项目。”届时，“奥运场馆80％至90％的洗浴热水，能源来自太阳。”

从这一新闻，我们可以看到，太阳能技术的应用是多么重要！多么前程无限！

内部连续不断进行核聚变反应的太阳有着巨大的能量，但近年来实测得的太阳常数仅为1367±7瓦/米²，而穿过大气层到达地球表面上的太阳辐射功率，大约只是其到达地球大气上界的太阳辐射功率的47％，而且还因时、因纬度、因地形地貌、因有无遮挡等而异。

再引用一条近日的北京新闻——

“读者周小姐打来热线：她买下了单位的房改房。。。。。现在她别扭的是，住房内见不到一丝阳光，因为窗户南边不足3米处就有一排房子，平房的高度有4米多。周小姐问，盖这排平房在前，她搬进房改房在后，她有权要求拆去这排平房吗？”(2002年3月5日《北京青年报》)

引用这样一条新闻是想要说明，低矮的平房也能产生遮挡，和至今为止，遮挡问题依然存在，且有愈演愈烈之势。

邻里间产生的遮挡纠纷(有的冤仇深结，甚至大打出手，法庭对讼，赔偿损失)能不能有彻底的、合情合理的解决办法呢？

为什么我们的房屋建筑必须坐北朝南？

为什么我们的城市不能很好地依地形地貌来规划设计？

为什么我们不能多多地、主动地利用阳光？

为什么相邻土地的农作物因地形地貌差异而产量不同，有的地段还不宜种植？

这些多是因为，如今的太阳能利用有它的局限性，即：

1、多集中在热利用和电利用；

2、被动利用。也就是自然光照到那儿，那儿就能利用；没照到那儿，那儿就利用不上。人们完全顺其自然，无所作为；

3.正因为如此，产生“遮挡”，城镇规划才必须有建筑间距规定，建筑难以建高、建大、建密，必须坐北朝南，方方正正，城镇不能依地形地貌来规划设计；农村一些地段因背阴、因阳光不充足而不宜种植某些作物或产量不高。如此等等。

                        三.发明内容

本发明是在高处建立阳光导引或(和)控制调节装置。

所谓高处是指：

1.高楼楼顶和高墙立面(为主)；

2.灯塔、水塔、灯柱等现有建筑物高处；

3.为此专门新建的高建筑物高处。

所谓阳光导引或(和)控制调节是指：

1.改变太阳光直线传播的方向和路径；

2.阳光的聚焦、色散。。。。。

3.阳光的吸收、贮存等。

这类“装置”有：

1.与大楼、塔(等高建筑物)设计成一体或后来固装的平面或曲面玻璃、金属钣、塑料薄膜镜面等；

2.在高楼楼顶等处安装的可自动或手动跟踪太阳或固定的反射镜、透射镜。。。。。。

总之，通过它们，可以改变阳光的传播方向，给需要阳光的地方引入阳光，加强、减弱或去除阳光，有目的、有选择地吸收、“变换”(如滤光)、贮存阳光。

                           四.附图说明

见另两纸。

对《说明书附图》：

前面的六个图阐明本发明依据的物理学原理。根据几何光学，光的传播方向和路径是可以改变的。图1和图2是光在平面和球面上的反射和折射，图中，1——入射光，2——反射光，3——折射光，N——法线，n——介质1，n——介质2。图3则说明光导纤维是如何使光线变向的。图中，1——光导纤维，2——射入光，3——射出光。图4是反射镜聚焦。图中，1——入射光，2——焦点，3——反射光，4——反射镜。图5是透镜聚焦。图中，1——入射光，2——透镜，3——出射光，4——焦点。图6是白光通过棱镜产生色散(分光)。

图7是一居住建筑遮挡另一居住建筑阳光例，图中的北楼1和南楼2等高，都是六层，东楼3矮，是二层。南楼对北楼一层产生遮挡。图8是说明利用被遮挡楼自身就能彻底解决遮挡问题。图中，1——冬季阳光，2——夏季阳光，3——反射装置，4——被遮挡楼。

图9和图10是我提出的两项导引阳光设计。“导引阳光曲管”8类似光导纤维，但尺寸要大得多，而且不等径。采光段3的开口扁圆，斜切，较大，这是因为太阳辐射的能流密度低的缘故，安装时东西沿长轴放置，切口向着太阳行经方向，如此一天中可多吸纳阳光；接着是聚光段4，它将光线快速“束紧”；导引段5等径，较小较长，能使阳光基本定向；指向段6可有喇叭形的、一般较采光段开口为小的开口，它最终完成任务，将阳光导射向所需照耀的地段。图中其它为，1——冬季阳光，2——夏季阳光，7——射出光。“可收放转动的阳光翼板”是面积较大的平面板、“折面”板或曲面板，因用与不用而可收可放，还可因太阳不同高度角而转动，将阳光更多地反射到所需照耀的地段。图中示各种剖面，1——平面翼板，2——“折面翼板”，3——曲面翼板。

图11是“新日光灯”示意图。它可以如通常的路灯装置稍加改造，将灯柱2加高，下面还是电灯1，中间是“新日光灯”5，最上面则是聚光镜4。当然，聚光镜最好能自动跟踪太阳。在其焦区设圆管，开口光纤在此吸收阳光3，而后通过光缆将其传导到下面的“新日光灯”“灯泡”处，再利用实际上就是反射镜的“灯罩“，将阳光反射到需要阳光的地方。图12是“新日光灯”聚光镜的一种选择——复合抛物面聚焦装置。它的优点是，固定沿东西方向放置后，一天之内，可以不用再想法去跟踪太阳。从日出到日落，全天的太阳辐射都能聚焦在抛物面轴线的圆管上。它只要一个月手动改变一两次倾角就可以了。图中，1——左侧抛物线，2——右侧抛物线，3——圆管，4——聚焦装置中心线。

《摘要附图》选的是《说明书附图》中的图8，不过稍作更动，用高楼自身设计来解决遮挡问题。以说明解决此类问题的方式实在是多种多样。图中，1——冬季阳光，2——夏季阳光，3——反射阳光，4——被遮挡楼，5——楼嵌反射镜。

                       五.具体实施方式

对城镇已建成小区，在需要采光、即没有阳光照射或日照不充分的地面附近，择(建)一处或数处合适的高建筑物(一般为高楼。也可以是灯塔、水塔等)，在其立面设嵌反射镜(玻璃、金属钣等)，或在其顶部设计安装阳光导引调控装置，利用可跟踪太阳或固定的镜面反射、折射或吸收阳光来达到目的。若是密集楼群，则宜在几处高点设计建造阳光导引“网”，“中继站”，以保证最省最好地应时辐射到所需要的部位或地区。

对城镇拟新建小区，则往后必须如有绿地规划、交通规划等一样，同时也必须有在高点建“网”的楼群、小区和城市的阳光规划。这与建成小区的补建阳光导引调控装置已不同，它应该预先策划好。这些“装置”既可与楼房或其他建筑物设计成浑然一体，如球顶、柱顶、角亭、“翘壳“、”飞檐“等，又可设计成灯柱、灯塔模样的单体小品，务求美观、强固、实用。个别可作为城市的标志性建筑。如小“太阳”、小“月亮”，纳入城市设计和总体规划中。

对农村背阴土地(农田)、温室。。。。。。则宜在制高点上或在新建高建筑物上设置阳光导引调控装置，使阳光能多多辐射到所需处所地面。

本发明具体实施重点在：

1.选择或单独设计高建筑物；

2.进行光学设计：反射、折射、吸收，镜面形状、大小、高度、安装位置

  等；

3.镜面设计、安装。

试举几例：

1.建筑遮挡。

建筑遮挡已成为世界上一个普遍性难题。如今仍然如此。这恰恰是本发明具有新颖性、创造性的强有力的证明。

*举一个我熟悉的例子。如《说明书附图》图7，有三座楼，北楼1和南楼2均为六层，东楼3为二层。楼2对楼1一层产生遮挡。按本发明，就可利用三座楼提出好几种解决办法——

利用楼1自身。又分利用南墙立面高处或楼顶。对前者，如是在楼房建造前，则可在高处嵌贴曲面玻璃、金属钣、塑料膜等反射阳光至所需一层，玻璃等与楼房一体设计建造(如《摘要附图》)；若楼房已建成，则后装贴(如《说明书附图》图8)。对后者，可在楼顶一角安装基座，上立反射镜，将阳光反射到楼下一层和楼前地面。

也可利用产生遮挡的南楼和旁边的东楼的楼顶设计安装反射镜、透射镜等来达到目的，几何光学上这并不是难题，例如就可以用图9的“导引阳光曲管”。

*往后设计如国贸大厦一般的摩天大楼，因其高度，过去，可以产生大片遮挡，许多建筑、绿地便须敬而远之；也因其高度，现在，因祸得福，根据我的发明，它反而可以带来更多的阳光以及由此产生的欢乐，只要把它的顶部高处好好进行光学设计，利用镜面反射、折射、阳光翼板等多种手段，不但可以给它原来必定遮挡的地方带来充足的阳光甚至彩虹(通过三棱镜)，还可以使别的高层建筑和绿地从此可以与“巨人”较亲密接触，且因其绝对高度，它还能是光辉普照的“小太阳”、“小月亮”，给这个城市的好多地段都带来阳光和(或)斑斓色彩。

*基于上述，城镇小区的遮挡问题往后不应单个、独立地解决，而应整体地解决。即新建小区时，必须有与邻近小区协调的本区阳光导引调控规划，以最少的人力、物力、财力，获取总体最佳的日照效果。对需要日照和需要加强日照的农村地块、塑料大棚等，也可这样作通盘考虑。

2.“新日光灯”

前面提到过的北京2008年奥运场馆周围80％至90％的路灯“能源来自太阳”，是指来自太阳能电站，而我要提出一种新原理“日光灯”，与其说它是灯光照明，还不如说它是给对面背阴绿地，给北面背阴结冰而须化冻的马路。。。施射阳光。

它可和平常路灯一般设计，不过灯柱加粗加高，下面仍装电灯，而

——上部装一面积较大的固定的反射镜，直接将阳光反射到所需地面；或

——上部装设一聚光镜和一“新日光灯”。聚光镜可跟踪太阳，其焦点附近有吸收阳光的开口光纤，再将光缆另一端引至“新日光灯”焦轴，藉反射镜的“灯罩”反射至需要阳光处(图11)。跟踪可借助电子计算机自动进行，要求不高时也可手动控制。

显然，因为地球绕太阳的公转和自转，即光源在白天是变化着的，所以第一种“新日光灯”虽然简单，但反射光是变化着的，不如第二种来得稳定。

3、阳光的调控

上面我们说的都是把阳光导引到没有阳光或阳光很少的地方，当然我们完全可以反向应用，即让那些地方仍然没有阳光或阳光减弱，在久旱不雨，在炎炎夏日，只需使镜面向天或偏转，也可将镜面或涂层更换成吸收阳光的材料。我们还可通过选择镜面材料或涂层，来消除阳光中的红外线、紫外线，获取单色光、杂色(复合)光，美化环境，烘托氛围，等等。总之，我们可以通过光的反射、折射、会聚、发散、吸收，滤光，材材的不同选用，装置和镜面的不同位置，来达到不同的目的，完成各种特定的功能。

本发明极便于施行，因为：

1、太阳能至少40亿年内取之不竭。在我国，全年日照时数2200——3300的地区，占全国总面积的三分之二以上。北京即属之。

2、我国有大面积的闲置的高楼屋顶和高墙立面资源，所以虽然太阳辐射能流密度低，垂直投射到地表每平方米面积上的太阳辐射功率约只有640瓦，但需阳光更多、更强时，完全可以通过把反射镜、透射镜等镜面面积做大或聚焦等来满足要求，对房屋建筑毫无影响。

3、太阳能应用光学(反射、透射、吸收等)理论研究已足够成熟。

4、太阳能利用技术已有相当程度发展，无论是反射、吸收、转换和贮存哪一方面，特别是在太阳能热利用和电利用(光伏电池)上。例如：

*已有各种集光器——抛物柱面的、圆柱面的、锥面的、旋转抛物面的、菲涅尔透镜的等；

*已研制出各种太阳自动跟踪系统。电子计算机的应用，更可提高它的精度，降低成本。也能有手动调节系统，还可采用复合抛物面的固定装置，它无须一天之内自动跟踪太阳。

*反射镜不仅可用平面玻璃在烘箱内加热软化，做成各种适宜形状，于背面镀银制成，也可以用玻璃小镜片粘贴在模具上做成，还可在模具上粘贴镀铝塑料薄膜，更可用透明塑料代替玻璃来制做透射式集光器。

*太阳能反光材料、吸收涂层、表面保护膜、太阳灶壳体材料、贮热材料等的研究，均有较大进展。

4.因城镇规划时已考虑过建筑物采光和遮挡问题了，所以需要照射的背阴面一般不会很大。遮挡纠纷是由于距离太近，当更是如此。准备新建小区若已做小区阳光规划，则更没有问题。

5.如此大好的事业，政府一定会大力支持，人民会热烈拥护。

                     六.好处

本发明好处很多，大致可归纳如下：

1.过去谈阳光利用，一般认为就是指太阳能热利用、电利用。不同的是，本发明还包括光利用，更是光和热的主动利用。

2.过去谈太阳能利用，是指一家一户一单位的孤立利用，而本发明则扩展到一个楼群、一个小区、一个系统、一个城镇，是形成网络地整体利用。

3.采用本发明后，经过整体阳光工程规划，对楼群中的楼房，不再是被动地接收阳光，不管是房屋的哪个朝向，都可以让它有阳光照射，所以不一定坐北朝南、方方正正了，可以按地形地貌来做城镇规划了，可以按批地、按实际需求来设计各种美观、实用、适宜的形状(如太阳房，朝向变得不那么重要了，不一定南边高出一大截了。又如，可以设计出“回”字形的四合楼了，阳光能通过反射镜和光纤导入中部“天井”。建筑外观也可以是六面体、八面体、曲面体等多种丰富的形状了)、高矮、体量的建筑物了。现在几乎是清一色的平屋顶，而中国古建则多“大屋顶”。本发明恰好能丰富屋顶设计，如塔形、半球体、旋转抛物面等等。

4.不仅房屋建筑采光如此，太阳能的整体利用也更主动、更充分了。原来日照不到的地方可以让它有阳光了，，原来阳光不充足的地方，太阳辐射时间可以更长、更集中了，太阳能灶、太阳能热水器、太阳能电池、太阳能制冷、太阳能养殖、日光温室等等，可以更多、更好地应用了。

5.因为可吸收更多的阳光、光合作用可以更好地进行，绿化规划将不像以前那样受被动日照的诸多限制了，供暖、供电规划也能因可多吸收太阳能而得以改善了，再加上前面说过的不受地形地貌、坐北朝南等限制，城镇规划和城市设计就能海阔天空展开美丽想像的翅膀了，生态环境会越美，人居环境会更舒适。。。。。

6.最见实效的、马上有大用的，莫过于彻底消弭建筑遮挡纠纷了。

7.与上有关，因采光而提出的建筑物间的距离要求没必要了，特别是摩天大楼附近的房屋建筑、绿地等可以更“紧凑”了。建筑的密集、长高和长大，节约了国家和城镇宝贵的土地资源。城镇土地可以更合理地开发了，寸土千金的地段无形中便增加许许多多了。城镇人均各种可使用面积将能大大增加，从一个方面解决了住房难、停车难。。。。。。城镇土地利用率将大大提高，可持续发展后劲大增。

8.利用好了大量闲置的部分屋顶资源、高墙立面“资源”和建筑高处“资源”。

9.特别适合中国国情。我国经济欠发达地区，刚好太阳能资源很丰富或者比较丰富，因而可以分散地将它作为主要能源或辅助能源，有条件的地区，更可逐步提升到主要能源位置。

现在世界上大规模使用的主要能源——矿物燃料终将穷尽，且为期已不远。它还产生各种污染。温室气体排放，是当今世界上令人头痛的重大环境问题。如今我国石油便必须大量进口，且日见增多，还计划进口天然气，不免受制于人，有时还是饮鸩止渴，中东石油危机时的欧美，便有过这方面的惨痛教训。似此能源供应紧张局面长期存在下去，于我国经济、社会、国防、可持续发展等等实诸多不利。节约能源，开发我国充足、物美价廉的新能源，便成为当务之急，太阳能就正好满足了这一需求。

太阳能被称为“二十一世纪的能源”。它“永远洁净”，不产生污染。它能杀菌消毒，让人类健康生活；它对进行光合作用必不可少，让植物茁壮成长。因而于生命不可或缺。太阳能、太阳城、太阳镇、太阳村、太阳房，日光温室。。。。。。花香鸟语，蓝天白云，美好的生态环境和适宜的人居环境是我们每个现代人的期盼和理想。洁净的空气减少了大气对太阳辐射的吸收和散射，反过来又提高了本发明的效率，这是多么美好的良性循环啊！因此可以说，哪个国家把阳光利用好它就处于国际优势地位。

综上所述，本发明的普遍实施，会是一项重大的公益事业，一项于国计民生大有裨益的事业。所以应从长远和大处着眼。有政府的支持，有人民的拥护，就一定能在较短期限内取得重大的进展，取得重大的社会、经济、环境、生态效益，我敢坚信并断言！

Claims (8)

1. 一种利用高楼等导引和调控阳光的方法，其特征为：

   1、在楼房、塔柱形建筑等的顶部高处，设计安装阳光导引调控装置，将阳光导引至日照不到或日照不充分的地方，并可调控阳光(聚焦、色散、滤光、贮存...)。
2. 2、如权利要求1的导引调控阳光方法，其特征在于：利用被遮挡楼、产生遮挡的建筑或旁边的建筑解决建筑遮挡问题。
3. 3、如权利要求1的导引调控阳光方法，提出“导引阳光曲管”，其特征在于：是口径较大的不等经管，一般有采光段、聚光段、导引段和指向段或其中的几部分，可以将大量阳光导引至一定地段部位。
4. 4、如权利要求1的导引调控阳光方法，提出“可收放转动的阳光翼板”，其特征在于：它可以是平面的、“折面”的或曲面的翼板，可以收放，也可以根据太阳高度角的不同而转动。
5. 5、如权利要求1的导引调控阳光方法，提出“新日光灯”，其特征在于：灯柱上部有聚光镜和“新日光灯”两部分——前者将阳光聚焦，且在其焦区有吸收阳光的开口光纤；而后者的“灯泡”处则是从前者引来的光缆的另一端开口，“灯罩”即特殊的反射镜。
6. 6、如权利要求1的导引调控阳光方法，其特征在于：可以解除对单体建筑的朝向、形状、高度、体量等以前种种由于采光问题而提出的限制，设计出美观、实用、方便、造价低廉的各种建筑来。
7. 7、如权利要求1的导引调控阳光方法，其特征在于：可以解除对建筑用途、楼群密度、绿化用地等种种以前由于采光问题而提出的限制，制订阳光规划，从而也能有以前根本不可能有的上佳的城市设计和城镇规划。
8. 8、如权利要求1的导引调控阳光方法，其特征在于：能形成阳光工程。因可导引、加强阳光辐射，所以能促进和强化现有太阳能技术的推广与应用；这也因为它还可调控阳光的有无、强弱、会聚、色散、吸收、存贮等等。

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