光導照明系統的基本原理及使用概況

文｜北京東方風光新能源技術有限公司 徐登輝 劉志東

1 引言

光導照明出現于20世紀80年代。1981年，加拿大的Whitehead公司與美國3M公司合作，利用全反射原理開發出了棱鏡導光管。1999年，英國諾丁漢大學的G·Oakley等考察了已經商業化的光導管的采光性能。美國、瑞典等公司也開展了相應的研究工作。該照明系統以室外自然光線為光源，通過特殊的傳輸裝置將光線導入到室內需要照明的場所，得到由自然光帶來的特殊照明效果，是一種綠色健康、節能環保的新型照明產品。該系統無需使用電能等常規能源，因此不存在因火力發電帶來的環境污染，同時也沒有因用電帶來的安全隱患。由于采集太陽光的光導管綠色照明系統結構簡單，安裝方便，成本較低，實際照明效果很好，因此在國外發展十分迅速，應用也比較廣泛，有許多公司生產光導管和基于光導管的照明產品。目前，光導照明系統已是國外普遍流行的一種新型照明系統。

2 光導照明系統的優勢

2.1 節能

光導照明帶來的能源節約被證明是極其顯著的。美國能源部聯邦能源管理計劃報道，光導照明可以顯著降低建筑內部照明能源消耗，甚至可以達到75%～80%。能源部設在科羅拉多州戈登市的美國國家可再生能源實驗室的熱實驗大樓采用了日光照明，使得該大樓的照明系統比同類型沒有采用光導照明的大樓節約了75%的能源。整棟大樓除中心服務區外，全部使用日光照明，也使得大樓人工冷卻系統的能源負荷得到降低。能源部的報告稱，許多商業建筑可以通過優化使用日光照明戰略降低三分之一的能源成本。

2.2 健康

研究表明，長期缺乏光導（日光）照明會造成人體生物鐘的紊亂，輕微的生物鐘紊亂會導致“時差綜合癥”，更嚴重的紊亂將導致短期或長期的健康問題，而這些都已在生產線工人身上得以證實。光導照明使人們沐浴在陽光下，能以健康愉快的心情去工作，這會大大提高人們的工作效率。

3 光導照明系統的工作原理及結構

3.1 系統工作原理

自然光光導照明系統通過室外采光裝置收集室外的自然光線并將其導入系統內部，再經由特殊制作的光導管傳輸后，由安裝于系統另一端的漫射裝置把自然光線均勻發散到室內任何需要照明的地方。利用該系統得到的室內照明亮度從黎明到黃昏，甚至是在陰天都十分充足。而為了實現這一目標，提高系統的采光及傳導效率，使采光裝置采集的光量盡可能多，而在光導管內的損失盡可能少，系統在結構和材料兩個方面進行了精心的設計。

3.2 系統結構

光導照明系統主要由采光裝置、光導管、漫射裝置三部分組成，其系統結構如圖1所示。采光裝置、光導管和漫射裝置三部分的性能將決定系統的總體性能。

圖1 光導照明系統結構示意圖

（1）采光裝置

采光裝置用來收集室外的太陽光，根據不同環境的要求可有不同的外形和結構。采光裝置通常包括采光罩和防雨板，這種結構的優點是既照顧了外形美觀的需要，又可以根據不同的房頂結構改變防雨板的形狀。

采光罩一般由PC材料注塑而成，外表面經過拋光處理，透光率高。采光罩外表面可以覆一層防紫外線的涂層，這樣一方面可使進入裝置內的紫外線大大減少，另一方面也能延緩采光罩的老化過程，使裝置經久耐用。采光罩表面覆有耐磨擦涂層，即使長期處在惡劣的風沙環境中，如風沙較頻繁的西北、華北等地區，也不會因長期摩擦而影響其透光性；采光罩的適應溫度范圍為－40℃～125℃，即使在晝夜溫差較大的地區也可以安全使用。采光罩有良好的隔熱、隔音性能，采光效率高，不易破碎；燃燒時不釋放有毒物質，離火自熄，是一種既安全又環保的產品；可以有多種形狀，比如半球形、鉆石形和方形等。

為了提高采光效率，采光裝置的結構還可以進行各種改進。以北京東方風光新能源技術有限公司開發的尚拓（Suntube）系列產品為例，該產品在采光裝置中增設了一個增光裝置（如圖2所示），這個裝置可以有效地提高系統利用早晚太陽光的能力。增光裝置的懸挑安裝對采光器采集其背面的自然光基本無影響。此外，我們還在研究能夠提高光導系統工作效率的主動尋光系統（如圖3所示）。該系統能夠通過控制盒旋轉懸臂，使懸臂上的反射鏡始終迎向太陽的方向，從而通過鏡片的反射提高光導管內的光通量。其核心是一個定位系統，該定位系統能夠感應太陽的位置，并對鏡片進行精確控制。

圖2 尚拓光導照明系統的增光裝置

圖3 尚拓光導照明系統主動尋光系統示意圖

（2）光導管

光導管是把采光裝置收集的太陽光導入室內的管道，一般為鋁制結構，質量較輕。光導管可以按形狀分為直光導管和彎管兩種，彎管可以有不同的彎曲角度，如尚拓光導照明系統的光導管，彎曲角度變化范圍為0～90°（如圖4所示）。為了使管道內傳播的光線經多次反射后的損失降到最小，光導管的內壁鍍有一層高反射率的薄膜。隨著科技的進步，光導管材料制作工藝不斷提高，材料的反射率也不斷提高，現在普遍使用的光導管內壁材料的反射率都在98%以上。由于光在光導管內傳輸時要經過多次反射，光導管的反射率越高，其光強剩余量也就越大，所以選用高反射率的材料制成的光導管，其傳輸效率也比較高。

圖4 尚拓光導照明系統的光導管

（3）漫射裝置

漫射裝置由PC材料或PMMA材料制成，具有良好的透光性、漫射性和非常好的隔熱、隔音效果，不易著火且離火自熄。從光導管傳至室內的光線不是完全均勻，因此要使室內的光線均勻分散，就要借助于漫射裝置的光散射特性（如圖5所示）。透鏡具有匯聚或發散光的特性，把透鏡做得很薄，就能夠用于漫射器的制備。例如菲涅爾透鏡，即可被用于漫射裝置的制備。它具有改變光傳播方向的作用，而且本身可以做得非常薄，無論是在透光性還是在散射光特性方面都有很好的性能。此外，晶體顆粒及棱鏡等也都可以起到發散光的效果。

圖5 漫射裝置光散射特性示意圖

漫射裝置外形美觀，規格多樣，可制成各種類型，如磨砂型、顆粒型、鉆石型、圓型、方型等。

（4）其他附屬裝置

一個完整的光導照明系統還包括其他附屬裝置，比如防雨板、調光閥、電控裝置等，其作用是使光導系統的功能更完善，外表更美觀。圖6展示出了尚拓光導照明系統的一些附屬裝置。

圖6 尚拓光導照明系統的附屬裝置

4 光導照明的使用現狀及應用前景

在光導照明出現前，天窗采光的方式被廣泛用于大型廠房，但天窗采光有容易產生局部聚光現象等缺陷；而自然光光導照明的照明效果不會因光線入射角的變化而改變，且照射面積大、出射光線均勻、無眩光、不會產生局部聚光現象。采光天窗受室內吊頂結構及傳輸距離的限制，采光面積相對較大，導致安裝難度較大、防水不易處理，而自然光光導照明針對不同的屋面有不同的安裝方法及防水措施，不受室內吊頂結構等的影響。在光線傳輸方面，小孔徑自然光光導照明傳輸距離可達10m左右，大孔徑自然光光導照明傳輸距離可達20m以上，并且還可以使用彎管，這使得系統的安裝更加靈活，適應性更強。

近年來，由于能源供應日趨緊張、環境問題日益為人們所重視，光導照明系統越來越多地受到國內外相關人士的關注，并且在國外得到廣泛的應用。目前，國外有很多生產此類產品的公司，如蒙諾加特公司、歐德公司、Fox Lite公司等，其產品廣泛應用于各種場合，如大型體育場館和公共建筑以及辦公樓、住宅、商店、旅館、白天陰暗的房間或地下室、地下車庫等建筑的采光照明中。

光導照明系統在國內起步比較晚，但發展很快。國內從事光導照明的企業勇于創新，積極吸收國外的先進技術和理念，開發適合于國內建筑實際情況的產品。其中部分產品具有自主知識產權，北京東方風光公司開發的尚拓光導照明產品就是典型的代表之一，該產品已經在國內得到了廣泛的應用（如圖7、圖8所示）。

圖7 尚拓產品在奧林匹克森林公園項目中的應用

圖8 尚拓產品在某企業生產車間項目中的應用

近幾年，國務院連續出臺了一系列關于建筑節能的標準和法規，如2005年的《公共建筑節能設計標準》和《中華人民共和國可再生能源法》，以及2006年國務院印發國家發改委等部門制定的《節能減排綜合性工作方案》，提出政府將強化新建建筑執行能耗限額標準全過程監督管理，實施建筑能效專項測評，對達不到標準的建筑不予辦理開工和竣工驗收備案手續，不準銷售使用。這同時也給光導照明行業的發展提供了新的契機。

光導照明系統不但可以把光線傳輸到其他照明方式不能達到的地方，而且還可提高室內環境品質。目前，我國照明耗電量占總發電量的15%左右。2009年我國的總發電量為3.6506×1012kWh，年照明耗電達5.4759×1011kWh。據專家統計，白天照明用電占照明用電總量的50%以上，主要集中在商業和工業領域。而普及使用自然光照明系統（光導照明技術）可使白天用電量下降50%以上，相當于每年節電約1.09518×1011kWh。按每度電0.8元人民幣計算，每年可節省電費約876.14億元人民幣。此外，每節電1kWh，就相當于節省了0.4kg煤和4L凈水，同時還減少了1kg二氧化碳和0.03kg二氧化硫的排放。

大量的實驗檢測和數據對比證明，光導照明技術應用于大型體育場館和公共建筑以及地下室、地下車庫等建筑的采光照明中可以取得良好的視覺照明效果和經濟效益。應用此技術可以充分利用太陽能，有效地減少白天的照明電耗。

另外，值得一提的是，自然通風和自然光照明的結合應用正越來越多地出現在現代建筑之中。與自然通風相結合的光導管系統可以同時滿足建筑物對自然采光和自然通風的需求，使自然光照明效果更加完善，在給室內照明的同時使室內保持良好的自然通風，既利于建筑節能又改善室內空氣質量，必將得到更好的發展。未來，光導照明的發展方向將更加傾向于同其他建筑環境技術相結合，為建筑節能和改善室內環境品質作出更大的貢獻。開發與自然通風相結合的光導管系統將進一步拓寬光導管的應用范圍，對于建筑節能具有積極意義。

5 結束語

光導照明系統既能充分利用太陽能，有效地減少白天的照明電耗，緩解能源供應緊張的局面，在節約能源方面發揮巨大的作用，又能夠提供良好的采光效果，因此可以在建筑采光領域中取得良好的經濟效益和社會效益。光導照明系統還可以與自然通風系統相結合，在滿足采光的同時使室內保持良好的自然通風。