光導管照明技術在建筑照明設計中的應用

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摘要：本文首先介紹了光導管照明技術的國內外發(fā)展歷程及現狀，闡述了光導管照明系統(tǒng)的基本結構和類型，結合實際工程案例，重點分析了光導管照明系統(tǒng)的優(yōu)越性和目前存在的問題，并提出了光導管照明技術在建筑照明設計中的適用范圍及其發(fā)展趨勢。 

關鍵詞：自然采光建筑照明 光導管 節(jié)能減排  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    中圖分類號：tu113.6+6 文獻標識碼：a 文章編號：  引言  當今節(jié)能和保護環(huán)境已成為世界各地普遍關注的社會問題，并直接關系到社會的持續(xù)發(fā)展。人工照明在現代照明中仍然占據著舉足輕重的分量，全世界的平均照明用電已占總發(fā)電量的10%~20%，而我國照明用電已占總發(fā)電量的10%~12%。照明用電的迅速增加，不但要增加大量的電力投資，牽制國民經濟的發(fā)展，而且還會產生大量污染。為了珍惜利用地球有限的能源資源，保護環(huán)境，造福后人，照明節(jié)能工作不能停頓。我國綠色照明工程辦公室啟動的”綠色照明”項目，需進一步從照明產品、照明設計、照明管理、天然光利用等方面挖掘照明節(jié)能潛力，以節(jié)約能源，保護人們的生存環(huán)境 。其中可見自然采光是綠色照明的重要一項。 同時，在現在高節(jié)奏的生活中，人們越來越關注工作和生活的環(huán)境舒適度，人們逐漸從物質追求轉移到了精神追求，舒適的光環(huán)境是人們重要追求之一。采集太陽光的光導管照明系統(tǒng)能夠把白天的太陽光有效地傳遞到室內陰暗的房間或者不適宜采用電光源的易燃易爆房間，改變目前很多建筑“室外陽光燦爛，室內燈光輝煌”的局面，可以有效地減少電能消耗。  1. 光導管技術的國內外發(fā)展歷程及現狀  光導管的構想最初源于人們對自來水的聯想，既然水可以通過水管輸送到任何需要的地方，那么光線是否也能像水流一樣人工輸送呢？最初人們研究光導管只是想輸送人工光，直到20世紀80年代才開始擴展到自然采光。現代越來越緊張的能源局勢使自然采光成為了光導管技術的主流，同時也是照明領域的熱點問題之一。  早在1880年，俄國的科學家就提出了光導管的設想，但是由于當時的材料和技術工藝都很不成熟，在若干次嘗試后制作出來的光導管性能并不令人滿意，這也直接導致了在很長一段時間處于停滯狀態(tài)。1963年，前蘇聯工程師gennady bukhman提出采用空心圓柱管道輸送光的設想，于1965年制成第一個大尺寸的光導管。1999年，英國諾丁漢大學的g.oakley等考察了已經商業(yè)化的光導管的采光性能。美國，瑞典也開展了相應的研究工作。由于采集太陽光的光導管綠色照明系統(tǒng)結構簡單、安裝方便、成本較低、實際照明效果好，因此在國外發(fā)展十分迅速，應用也比較廣泛。目前國外已經有不少公司具備了生產光導管的能力，如英國的蒙諾加特公司、美國的odl公司，以及日本的株式會社等。  2．光導管系統(tǒng)的基本結構和類型  2.1光導管系統(tǒng)的工作原理  光導照明系統(tǒng)通過采光裝置聚集室外的自然光線并導入系統(tǒng)內部，再經過特殊制作的導光裝置強化與高效傳輸后，由系統(tǒng)底部的漫射裝置把自然光線均勻導入到室內任何需要光線的地方，從而打破了“照明完全依靠電力”的觀念。  2.2 光導管系統(tǒng)結構  常見的光導管系統(tǒng)主要由三部分組成：采光部分、導光部分和散光部分。采光部分通常是一個透明的玻璃罩。放置于室外樓頂、地坪或室外墻體的側面；導光部分是導光管，管壁是反射率一般在95%以上的反射材料，光導管可以旋轉彎曲來改變導光角度和長度；散光部分安裝在系統(tǒng)底部，是將通過光導管傳輸的光線散射到室內使光線均勻照明的裝置，同時具有避免眩光的作用。  2.3光導管系統(tǒng)類型  按照采光方式，光導管可分為主動式和被動式。主動式光導管通過一個聚光器采集太陽光，再將太陽光傳輸到室內，因為聚光器上裝置了傳感器和反饋裝置，可以使聚光器的采光方向總是向著太陽。這種光導管采集太陽光的效果非常好，但是由于聚光器的較高工藝要求造成了其成本過高，因此主動式光導管很少見。  此外，光導管按傳輸光的方式還可以分為有縫光導管和棱光鏡光導管。有縫光導管是在管壁上留一條很長的出光縫，以使光線能夠照射到工作面上，這種光導管光在傳輸過程中容易造成泄露，因此效率不高，實際中很少用到。  3．光導管系統(tǒng)在建筑照明中的應用  自然光光導照明相對于側窗采光、天窗以及電力照明，都有很大優(yōu)勢。下面結合實際工程案例，對采用光導照明系統(tǒng)產生的節(jié)能效應作詳細分析。  3.1工程案例分析  本項目為佛山東平新城地下室，采光面積為45000㎡（參考圖紙數據）。根據《建筑采光設計標準》可知，佛山地區(qū)屬于光氣候分區(qū)第ⅲ區(qū)，其地區(qū)全年平均照度24klx≤eq﹤26 klx。以全年平均照度25 klx進行照度計算，得出標準照度值。  注：當室外臨界照度大于25klx時，其室內照度就越大，照明范圍就越大，室內也就越亮。達到以上室內照度是按晴天的狀態(tài)下而得出，陰雨天等特殊天氣除外。  照明布置建議：  按照度要求分布，使用373套（stgc450-y）“尚拓”光導照明系統(tǒng)配置。如下圖1為現場圖片：  圖一：光導管應用于車庫  3.1.1投資回收經濟分析：  1.直接節(jié)電耗電分析  （1）根據cecs45:92《地下建筑照明設計標準》可知，地下車庫車位地面照度要求20 lx～30 lx～50 lx，車道地面照度要求30 lx～50 lx～75 lx，當車庫內照度為75lx時，單位面積用電量為7.5w/㎡（熒光燈）。  （2）光導照明系統(tǒng)平均每天采光照明10小時左右。  （3） 由圖紙可知，車庫光導照明系統(tǒng)照明面積為45000㎡  綜合（1）、（2）、（3），一天日間照明用電費用為（電費以商業(yè)用電1元/kwh計算）：  45000㎡×0.0075kw/㎡×10h=3375kw.h  一天日間的總用電費量為3375kw.h    2.間接節(jié)約的鎮(zhèn)流器耗電  熒光燈鎮(zhèn)流器耗電量約占照明用電的20%-30%，以20%計算，其鎮(zhèn)流器年耗電費用為：  3375kw.h×20%=675kw.h  一天日間照明總耗電量約為：  3375 kwh +675 kwh =4050kwh  一年日間照明總用電約為：  4050kwh×365 =1478250kwh×1元/kwh=1478250元  即：約為147.83萬元  3.節(jié)省耗材分析  根據照明燈具國家標準壽命3年計算得：傳統(tǒng)電力照明燈泡3年需要更換一次，該項目還需支付定期維修與更新燈具的費用。電力照明設備維護費14萬元/年，更換費7萬元/年。而光導管系統(tǒng)從安裝使用開始便屬于一次性投資，不需要維護，使用壽命很長，正常情況下大于30年，利用效率比較高，可以有效地彌補人工照明的不足。  綜上所述，電力照明系統(tǒng)一年的運行費用約為：  147.83萬元+14萬元 +7萬元=168.83萬元  3.1.2節(jié)能減排  （1）節(jié)能環(huán)保方面，光導管最大的優(yōu)點是節(jié)能。一方面由于完全采用自然采光不需要人工能源，所以光導管可以節(jié)約20%－30%的建筑用電，電的生產過程中會耗費大量的非可再生資源，在照明的同時會釋放二氧化碳等有害氣體，并伴隨著熱污染。光導管系統(tǒng)引入室內的熱負荷比較小。  以下數據均依照國家標準計算。我國現在主要是以火力發(fā)電的國家，火力發(fā)電廠所使用的燃料基本上都是煤炭，全國煤炭消費總量的49%用于發(fā)電。所以，在節(jié)能分析中我們主要計算煤的消耗量。其中指出每節(jié)約1度電，就相應節(jié)約了0.4千克標準煤和4升凈水。使用煤炭發(fā)電，煤炭屬于不可再生能源，無法與清潔、綠色、自然的自然光相比。  （2）減排分析：  在此項目中，使用光導照明系統(tǒng)一年可以節(jié)約電力能源1478250千瓦時，這樣就意味著阻止了二氧化碳等有害氣體排放到大氣中。以下數據均依照國家標準計算，其中明確指出，每生產一度電就會釋放不同量的有害氣體。  有害污染物排放估計量（單位：千克/千瓦時）  二氧化碳（co2） 0.997  二氧化硫（so2） 0.03  氮氧化物（nox） 0.015  碳粉塵 0.272  由以上數據計算得出以下數據：  采用光導照明系統(tǒng)減少污染物排放的估計量（單位：噸 ）  二氧化碳（co2） 1473.82噸  二氧化硫（so2） 443.48噸  氮氧化物（nox） 22.17噸  碳粉塵 402.08噸  3.1.3靜態(tài)投資回收期計算  合計年度總節(jié)省能源費用約為：168.83萬元  該項目光導照明系統(tǒng)總投入費用約為：256.43萬元  項目靜態(tài)投資回收期：1.52年  即 靜態(tài)投資回收期約為2年  50年長期對比  1、節(jié)約耗電費用支出約為：8441.5萬元  2、光導照明系統(tǒng)投入約為：256.43萬元×（50÷25）＝512.6萬元  3、節(jié)能成本：約為158.57萬元/年  以上數據分析可見，應用光導照明系統(tǒng)只有首期投資的問題，它的應用范圍越大，經濟回收期就越短，應用效果就越明顯。  除此之外，光導管利用太陽光，相比于人工光源的照射，更多的人還是偏愛享受自然光，這是由于自然光的光譜范圍廣，光線均勻柔和，可以起到殺菌和防治多種皮膚病的功效，且經過光導管系統(tǒng)處理的太陽光沒有頻譜和眩光，在采光罩上加設防輻射涂層還能有效地濾除有害輻射，這些都是人工照明辦不到的。  3.2光導管系統(tǒng)在建筑照明應用中存在的問題  作為一種新型的自然采光照明方式，光導管技術有很大的發(fā)展空間，同時該技術也存在一些固有的缺陷。  （1）光導管系統(tǒng)使用太陽光作為光源，因此其采集的光能量直接受氣候的影響，同時也存在地區(qū)性要求。有的地區(qū)日照時間比較長，適宜采用光導管照明；而有的地區(qū)常年光比較少，應用光導管照明效果就不是很好。  （2）光導管由于其本身的采光方式，對采光的時段性也有要求。對于屋頂采光系統(tǒng)，正午時太陽接近直射，其采光率最高，采光效果最好，而在早晚太陽升降時其光能量通常不能滿足照明要求；對于屋外墻側采光系統(tǒng)，可能早晨（或傍晚）的采光量最高，而在其它時段則不能保證。  （3）光導管的適用問題。在建筑設計的同時需要考慮給光導管預留安裝位置，而有的建筑形式不一定能給光導管預留出合適的安裝位置；如果在建筑已經建好后再考慮安裝光導管就會對原有建筑結構造成破壞。另一方面，由于光導管在傳導光線時，如果管路過長，則光度的衰減也會很大，即使是性能很好的光導管，在通過很長的傳輸距離后也會造成大量光通量的削減，因此低層用戶的采光率就會大打折扣，這也限制了光導管的使用范圍。  （4）由于目前國內還沒有掌握一些關鍵的生產技術，產品性能和國外有很大差距。  3.3光導管系統(tǒng)的適用范圍  結合光導管系統(tǒng)的優(yōu)越型及其固有缺陷，光導管照明技術廣泛適用于地下空間、廠房、體育場館、商場超市、展覽館、動物園、物流中心、港口、火車站、移動房、別墅等建筑樓層單一的場所，同時對于一些特殊的建筑，光導管照明技術是最安全可行的采光方式 ，為易燃易爆、高溫高濕、有電磁輻射危險及有毒害物質場所的照明提供了新的解決方案。  4.結束語  綜上所述，安裝光導管照明系統(tǒng)，能夠享受到自然光帶來的舒適的照明效果,避免了日間電力照明固有的能源浪費和安全隱患,延長了燈具的使用壽命,同時還降低了人工維護和設備更新成本,帶來了可觀的經濟效益，然而光導管系統(tǒng)的一些缺陷限制了其使用范圍和推廣，光導管系統(tǒng)需要和其他系統(tǒng)結合起來考慮，比如通風系統(tǒng)、光導-光伏系統(tǒng)等，結合新技術不但可以提高光導管的性能還能拓展其應用范圍。未來光導管照明技術是我們實現建筑節(jié)能減排，環(huán)保健康，促進可持續(xù)發(fā)展的一項非常值得關注并值得發(fā)展的新興應用技術，這需要業(yè)內人士在綜合應用上做更多的研究。  參考文獻：  [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、龍惟定 .太陽能光導管采光技術應用現狀和發(fā)展前景.建筑科學. 2008.8  [2]沈天行，李偉，一種無縫棱鏡導光管及其光線傳輸原理和應用研究.照明工程學報.2005（6）p7~8  [3] 王愛英，時剛，天然采光技術新發(fā)展.建筑學報..2005.（5）p16-18  [4] 楊航超 .淺析智能型消防應急照明、疏散指示系統(tǒng) .燈與照明.2011.（3）：p12～15  注：文章內所有公式及圖表請用pdf形式查看。