光导管照明技术在建筑照明设计中的应用

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摘要：本文首先介绍了光导管照明技术的国内外发展历程及现状，阐述了光导管照明系统的基本结构和类型，结合实际工程案例，重点分析了光导管照明系统的优越性和目前存在的问题，并提出了光导管照明技术在建筑照明设计中的适用范围及其发展趋势。 

关键词：自然采光建筑照明 光导管 节能减排  abstract: this paper first introduced the optical tube lighting technology at home and abroad and the development course and the present situation, this paper expounds the optical tube lighting system the basic structure and types, and combining with actual engineering example, analyzed the optical tube lighting system superiority and the existing problems, and puts forward the optical tube lighting technology in building lighting design of the applicable scope and development trend.  keywords: natural lighting building lighting optical tube energy conservation and emission reduction    中图分类号：tu113.6+6 文献标识码：a 文章编号：  引言  当今节能和保护环境已成为世界各地普遍关注的社会问题，并直接关系到社会的持续发展。人工照明在现代照明中仍然占据着举足轻重的分量，全世界的平均照明用电已占总发电量的10%~20%，而我国照明用电已占总发电量的10%~12%。照明用电的迅速增加，不但要增加大量的电力投资，牵制国民经济的发展，而且还会产生大量污染。为了珍惜利用地球有限的能源资源，保护环境，造福后人，照明节能工作不能停顿。我国绿色照明工程办公室启动的”绿色照明”项目，需进一步从照明产品、照明设计、照明管理、天然光利用等方面挖掘照明节能潜力，以节约能源，保护人们的生存环境 。其中可见自然采光是绿色照明的重要一项。 同时，在现在高节奏的生活中，人们越来越关注工作和生活的环境舒适度，人们逐渐从物质追求转移到了精神追求，舒适的光环境是人们重要追求之一。采集太阳光的光导管照明系统能够把白天的太阳光有效地传递到室内阴暗的房间或者不适宜采用电光源的易燃易爆房间，改变目前很多建筑“室外阳光灿烂，室内灯光辉煌”的局面，可以有效地减少电能消耗。  1. 光导管技术的国内外发展历程及现状  光导管的构想最初源于人们对自来水的联想，既然水可以通过水管输送到任何需要的地方，那么光线是否也能像水流一样人工输送呢？最初人们研究光导管只是想输送人工光，直到20世纪80年代才开始扩展到自然采光。现代越来越紧张的能源局势使自然采光成为了光导管技术的主流，同时也是照明领域的热点问题之一。  早在1880年，俄国的科学家就提出了光导管的设想，但是由于当时的材料和技术工艺都很不成熟，在若干次尝试后制作出来的光导管性能并不令人满意，这也直接导致了在很长一段时间处于停滞状态。1963年，前苏联工程师gennady bukhman提出采用空心圆柱管道输送光的设想，于1965年制成第一个大尺寸的光导管。1999年，英国诺丁汉大学的g.oakley等考察了已经商业化的光导管的采光性能。美国，瑞典也开展了相应的研究工作。由于采集太阳光的光导管绿色照明系统结构简单、安装方便、成本较低、实际照明效果好，因此在国外发展十分迅速，应用也比较广泛。目前国外已经有不少公司具备了生产光导管的能力，如英国的蒙诺加特公司、美国的odl公司，以及日本的株式会社等。  2．光导管系统的基本结构和类型  2.1光导管系统的工作原理  光导照明系统通过采光装置聚集室外的自然光线并导入系统内部，再经过特殊制作的导光装置强化与高效传输后，由系统底部的漫射装置把自然光线均匀导入到室内任何需要光线的地方，从而打破了“照明完全依靠电力”的观念。  2.2 光导管系统结构  常见的光导管系统主要由三部分组成：采光部分、导光部分和散光部分。采光部分通常是一个透明的玻璃罩。放置于室外楼顶、地坪或室外墙体的侧面；导光部分是导光管，管壁是反射率一般在95%以上的反射材料，光导管可以旋转弯曲来改变导光角度和长度；散光部分安装在系统底部，是将通过光导管传输的光线散射到室内使光线均匀照明的装置，同时具有避免眩光的作用。  2.3光导管系统类型  按照采光方式，光导管可分为主动式和被动式。主动式光导管通过一个聚光器采集太阳光，再将太阳光传输到室内，因为聚光器上装置了传感器和反馈装置，可以使聚光器的采光方向总是向着太阳。这种光导管采集太阳光的效果非常好，但是由于聚光器的较高工艺要求造成了其成本过高，因此主动式光导管很少见。  此外，光导管按传输光的方式还可以分为有缝光导管和棱光镜光导管。有缝光导管是在管壁上留一条很长的出光缝，以使光线能够照射到工作面上，这种光导管光在传输过程中容易造成泄露，因此效率不高，实际中很少用到。  3．光导管系统在建筑照明中的应用  自然光光导照明相对于侧窗采光、天窗以及电力照明，都有很大优势。下面结合实际工程案例，对采用光导照明系统产生的节能效应作详细分析。  3.1工程案例分析  本项目为佛山东平新城地下室，采光面积为45000㎡（参考图纸数据）。根据《建筑采光设计标准》可知，佛山地区属于光气候分区第ⅲ区，其地区全年平均照度24klx≤eq﹤26 klx。以全年平均照度25 klx进行照度计算，得出标准照度值。  注：当室外临界照度大于25klx时，其室内照度就越大，照明范围就越大，室内也就越亮。达到以上室内照度是按晴天的状态下而得出，阴雨天等特殊天气除外。  照明布置建议：  按照度要求分布，使用373套（stgc450-y）“尚拓”光导照明系统配置。如下图1为现场图片：  图一：光导管应用于车库  3.1.1投资回收经济分析：  1.直接节电耗电分析  （1）根据cecs45:92《地下建筑照明设计标准》可知，地下车库车位地面照度要求20 lx～30 lx～50 lx，车道地面照度要求30 lx～50 lx～75 lx，当车库内照度为75lx时，单位面积用电量为7.5w/㎡（荧光灯）。  （2）光导照明系统平均每天采光照明10小时左右。  （3） 由图纸可知，车库光导照明系统照明面积为45000㎡  综合（1）、（2）、（3），一天日间照明用电费用为（电费以商业用电1元/kwh计算）：  45000㎡×0.0075kw/㎡×10h=3375kw.h  一天日间的总用电费量为3375kw.h    2.间接节约的镇流器耗电  荧光灯镇流器耗电量约占照明用电的20%-30%，以20%计算，其镇流器年耗电费用为：  3375kw.h×20%=675kw.h  一天日间照明总耗电量约为：  3375 kwh +675 kwh =4050kwh  一年日间照明总用电约为：  4050kwh×365 =1478250kwh×1元/kwh=1478250元  即：约为147.83万元  3.节省耗材分析  根据照明灯具国家标准寿命3年计算得：传统电力照明灯泡3年需要更换一次，该项目还需支付定期维修与更新灯具的费用。电力照明设备维护费14万元/年，更换费7万元/年。而光导管系统从安装使用开始便属于一次性投资，不需要维护，使用寿命很长，正常情况下大于30年，利用效率比较高，可以有效地弥补人工照明的不足。  综上所述，电力照明系统一年的运行费用约为：  147.83万元+14万元 +7万元=168.83万元  3.1.2节能减排  （1）节能环保方面，光导管最大的优点是节能。一方面由于完全采用自然采光不需要人工能源，所以光导管可以节约20%－30%的建筑用电，电的生产过程中会耗费大量的非可再生资源，在照明的同时会释放二氧化碳等有害气体，并伴随着热污染。光导管系统引入室内的热负荷比较小。  以下数据均依照国家标准计算。我国现在主要是以火力发电的国家，火力发电厂所使用的燃料基本上都是煤炭，全国煤炭消费总量的49%用于发电。所以，在节能分析中我们主要计算煤的消耗量。其中指出每节约1度电，就相应节约了0.4千克标准煤和4升净水。使用煤炭发电，煤炭属于不可再生能源，无法与清洁、绿色、自然的自然光相比。  （2）减排分析：  在此项目中，使用光导照明系统一年可以节约电力能源1478250千瓦时，这样就意味着阻止了二氧化碳等有害气体排放到大气中。以下数据均依照国家标准计算，其中明确指出，每生产一度电就会释放不同量的有害气体。  有害污染物排放估计量（单位：千克/千瓦时）  二氧化碳（co2） 0.997  二氧化硫（so2） 0.03  氮氧化物（nox） 0.015  碳粉尘 0.272  由以上数据计算得出以下数据：  采用光导照明系统减少污染物排放的估计量（单位：吨 ）  二氧化碳（co2） 1473.82吨  二氧化硫（so2） 443.48吨  氮氧化物（nox） 22.17吨  碳粉尘 402.08吨  3.1.3静态投资回收期计算  合计年度总节省能源费用约为：168.83万元  该项目光导照明系统总投入费用约为：256.43万元  项目静态投资回收期：1.52年  即 静态投资回收期约为2年  50年长期对比  1、节约耗电费用支出约为：8441.5万元  2、光导照明系统投入约为：256.43万元×（50÷25）＝512.6万元  3、节能成本：约为158.57万元/年  以上数据分析可见，应用光导照明系统只有首期投资的问题，它的应用范围越大，经济回收期就越短，应用效果就越明显。  除此之外，光导管利用太阳光，相比于人工光源的照射，更多的人还是偏爱享受自然光，这是由于自然光的光谱范围广，光线均匀柔和，可以起到杀菌和防治多种皮肤病的功效，且经过光导管系统处理的太阳光没有频谱和眩光，在采光罩上加设防辐射涂层还能有效地滤除有害辐射，这些都是人工照明办不到的。  3.2光导管系统在建筑照明应用中存在的问题  作为一种新型的自然采光照明方式，光导管技术有很大的发展空间，同时该技术也存在一些固有的缺陷。  （1）光导管系统使用太阳光作为光源，因此其采集的光能量直接受气候的影响，同时也存在地区性要求。有的地区日照时间比较长，适宜采用光导管照明；而有的地区常年光比较少，应用光导管照明效果就不是很好。  （2）光导管由于其本身的采光方式，对采光的时段性也有要求。对于屋顶采光系统，正午时太阳接近直射，其采光率最高，采光效果最好，而在早晚太阳升降时其光能量通常不能满足照明要求；对于屋外墙侧采光系统，可能早晨（或傍晚）的采光量最高，而在其它时段则不能保证。  （3）光导管的适用问题。在建筑设计的同时需要考虑给光导管预留安装位置，而有的建筑形式不一定能给光导管预留出合适的安装位置；如果在建筑已经建好后再考虑安装光导管就会对原有建筑结构造成破坏。另一方面，由于光导管在传导光线时，如果管路过长，则光度的衰减也会很大，即使是性能很好的光导管，在通过很长的传输距离后也会造成大量光通量的削减，因此低层用户的采光率就会大打折扣，这也限制了光导管的使用范围。  （4）由于目前国内还没有掌握一些关键的生产技术，产品性能和国外有很大差距。  3.3光导管系统的适用范围  结合光导管系统的优越型及其固有缺陷，光导管照明技术广泛适用于地下空间、厂房、体育场馆、商场超市、展览馆、动物园、物流中心、港口、火车站、移动房、别墅等建筑楼层单一的场所，同时对于一些特殊的建筑，光导管照明技术是最安全可行的采光方式 ，为易燃易爆、高温高湿、有电磁辐射危险及有毒害物质场所的照明提供了新的解决方案。  4.结束语  综上所述，安装光导管照明系统，能够享受到自然光带来的舒适的照明效果,避免了日间电力照明固有的能源浪费和安全隐患,延长了灯具的使用寿命,同时还降低了人工维护和设备更新成本,带来了可观的经济效益，然而光导管系统的一些缺陷限制了其使用范围和推广，光导管系统需要和其他系统结合起来考虑，比如通风系统、光导-光伏系统等，结合新技术不但可以提高光导管的性能还能拓展其应用范围。未来光导管照明技术是我们实现建筑节能减排，环保健康，促进可持续发展的一项非常值得关注并值得发展的新兴应用技术，这需要业内人士在综合应用上做更多的研究。  参考文献：  [1] william grise ,charles patrick.passive solar lighting using fiber optics[j].journal of industrial technology,2002-2003,19(1):786-789 [2] 王凡、龙惟定 .太阳能光导管采光技术应用现状和发展前景.建筑科学. 2008.8  [2]沈天行，李伟，一种无缝棱镜导光管及其光线传输原理和应用研究.照明工程学报.2005（6）p7~8  [3] 王爱英，时刚，天然采光技术新发展.建筑学报..2005.（5）p16-18  [4] 杨航超 .浅析智能型消防应急照明、疏散指示系统 .灯与照明.2011.（3）：p12～15  注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。