太陽光導入器在北京城區應用的建筑光學關鍵技術研究

張 昕 袁宗南 詹慶旋

(1.清華大學建筑學院，北京 100084;2.(中國臺灣)袁宗南照明設計事務所，中國臺灣 114)

1 前言

本項目在北京市自然科學基金與臺灣合作科研課題支撐下，至今已開展四年，中國大陸 (清華大學建筑學院、北方工業大學建筑工程學院、北京市建筑設計研究院、浙江五礦進出口公司)、中國臺灣 (中原大學、袁宗南照明設計事務所)、日本(La Forêt Engineering Co．，Ltd．)的相關學者針對太陽光導入器在東亞地區大城市 (北京、臺北、東京等)應用的建筑光學關鍵技術開展科研合作。

本項目組系統梳理了管式太陽光導入器的相關理論與應用實踐，針對“北京城區太陽光導入器應用”這一特定命題，通過2008年、2009年兩年的逐時測試，獲取了全光譜的系統傳輸數據。該數據用以補充各類太陽光導入器于北京城區應用的橫向比較研究，并指導太陽光導入器的研究發展。本研究為未來北京地下空間的照明節能與環境舒適性改善，以及太陽光導入器的低成本推廣提供技術支持。

2 研究內容與研究方法

本課題在分析國內外實踐探索的基礎上，以北京市的太陽光導入器應用為實驗模型，探索適宜北京地下空間照明應用的太陽光導入系統。具體的研究內容和研究方法如下:

(1)太陽光導入系統的比較分析

比較各類太陽光導入系統的實踐應用和關鍵技術，分析不同類型地區和建筑空間的太陽光導入系統應用策略。通過廣泛查閱文獻以及對相關工程實踐的調查測試，嘗試從多個角度進行系統總結，對研究和實踐所涉及的關鍵技術進行深入分析并按照類型進行系統比較。

(2)太陽光導入器的系統效率

以實驗性的分析方法，獲取北京城區光氣候條件下太陽光導入器的“可見光”系統效率。將不受遮擋的清華大學建筑館頂層設備間改造為太陽光導入器系統實驗室 (詳見圖1)，同時記錄到達集光器與導入室內的光通量數據，獲取太陽光導入器的“可見光”系統效率。

圖1 清華大學建筑館的太陽光導入器測試系統圖

評估北京城區光氣候條件下應用太陽光導入器系統提供地下空間照明的合理性。連續記錄室內接收端的光學數據 (光通量、光譜等)，開展為期兩年的數據采集 (典型日數據可參見圖2，如春分日的“晝時日平均”光通量為1096.4lm、相關色溫為5461.6K、平均顯色指數為84.6)。利用軟件對全時數據進行分析，完成對2008、2009年北京城區應用太陽光導入器的數據評估。

圖2 春分日輸出的“晝時日平均”光譜分布圖

3 研究結論

3.1 太陽光導入系統的比較分析

管式太陽光導光系統類型研究主要依傳輸方式劃分，包括光線透鏡式、空腔鏡面反射式、空腔棱鏡式和實體核心方式。在相同條件下，系統效率由低到高依次為光線透鏡式、空腔鏡面反射式、空腔棱鏡式和實體核心方式。就目前的應用領域而言，空腔鏡面反射式的導光系統依然是主要的應用對象，因為其具有經濟和效率的綜合優勢，但該類型的系統效率已經很難得到大幅度的提高。實體核心方式是目前研究的重點之一，其優勢在于:

(1)傳輸部分的柔韌性較好。相比其他傳輸方式，無論塑料光纖還是石英玻璃光纖都可以自由的大角度彎曲，在設計和施工上具有“自由度”優勢，能方便地把陽光送達室內的任何地方，在已建和新建建筑物中的安裝均相對方便。

(2)傳輸效率較高。在相同條件下，四類傳輸方式中理論上效率最高的為實體核心方式 (即光纖傳輸方式)。它的傳輸效率主要取決于傳輸長度而不是空腔管體直徑。除了傳輸長度這個主要因素之外，實體核心方式傳輸光線的能力還受光入射角度、光通量、色度、溫度、材料折射率影響。材料物理層面上的衰減也會帶來傳輸損失。此外，如果光纖的溫度環境改變，尤其是溫度升高超過了光纖材料的熱承受能力，光線的傳輸問題將變得非常復雜。

(3)調試、校準和維護方便。其他三類傳輸方式在使用時需要對各組成構件進行較為復雜的調試和校準，尤其是光線透鏡式，其傳輸光線的效率非常依賴于準確的校準和調試。此外，其他三類傳輸方式的空腔體在使用中易存在污濁，透鏡和鏡面的潔凈度直接影響傳遞光線的效率。光纖傳輸的構件結構清晰簡潔，管徑小且傳輸部分無透鏡組件，光纖入射端主要密閉搭載主動式集光器，調試、校準和維護相對方便。

(4)光纖占用空間較小且發出端小型、靈活利于設計整合。其他傳輸方式的傳輸部分所需空間較大，需詳細分析與建筑的結合方式。

但現階段，按單位導入光通量的成本估算，太陽光導入器的價格相對較高。以2009年8月的測試為例，一臺六棱鏡組集光器+30米光纖的導入光相當于1支46W白熾燈，目前僅適用于對光譜有較高要求的特殊空間，如醫院、養老院、光治療室、水族箱等空間。更新材料、降低造價、通過設計減少光纖長度、結合建筑的有效應用策略等是目前應用該類傳輸方式的主要研究內容。

3.2 太陽光導入器的系統效率

經過測試，當系統工作時(“逐日”系統啟動時)，Himawari系統的“六棱鏡組集光器+30米光纖傳輸部分”的系統效率 (室內“光分配器”效率未計入在內)約為40～45%，該系統效率值的計算方法詳見表1。該數據為結合光導纖維進行散光裝置設計以及空間中輔助人工照明的設置都提供了基礎信息。

“集光器+傳輸部分”系統效率的主要影響因素如下:

(1)采光球罩表面清潔程度。按四個月維護計，清潔兩個月后的透光比約為90.7%，清潔四個月后的透光比約為84.1%，可以推算出剛清潔過后的系統效率約為45.6%。

(2)光纖路徑損耗。本試驗采用的是日本進口的30米玻璃光纖，路徑損耗較低。

(3)2008年、2009年北京城區應用太陽光導入器的數據評估

表1 系統效率計算樣表 (2009年4月15日12時)

3.3 2008年、2009年北京城區應用太陽光導入器的數據評估

根據兩年的連續觀測 (2008年3月至2010年2月)，太陽光導入器的系統實驗模型提供了本課題研究的主要數據信息如下:

(1)光通量

①按光通量的數值等級分析，100～700lm的中等水平的光通量最多，占有全部數據的51%，其次為低水平的光通量 (＜100lm)占39%，較高水平(＞700lm)的光通量占12%。

②按時間分布分析 (詳見圖3)，全年在初期(1月、2月)和末期 (11月12月)所獲得的光通量相對較低，年中 (6月、7月、8月)相對較高。通過對比美國EPA所有的北京天然光照度統計的結果也可以發現同樣的趨勢，即年中的天然光條件整體上要優于年初與年末。

圖3 月光通量有效值與時間關系曲線

③按數據分布的穩定分散程度分析，就兩年的數據統計，12月、1月和2月的數據相對穩定并絕大部分數據分布在較低水平 (300lm以下)，太陽光導入器系統在這幾個月份中無法提供充足的照明條件;6月、7月、8月、9月和11月的數據兩年差距較大，并不具有一致性。例如，2008年8月的光通量水平均維持在較高水平，高于700lm的天數占全月的74.2%，2009年8月的大部分數據 (77.4%)集中在300lm以下，這是由于天氣條件的不穩定性造成的。由于天氣條件的不穩定性，太陽光導入器系統在這四個月中需要緊密結合人工照明進行補充;其余月份數據分布相對分散，各個等級水平的光通量分布相差不大。

④經過逐時數據采集，可以發現光氣候條件(2008年、2009年相差較大)、奧運會環境治理、汽車數量、污染企業開工情況等外部條件對于太陽光導入器系統的使用是有較大影響的。項目組將同國家氣象局合作，密切關注北京城區直射輻射的變化趨勢，動態更新評估結果。

(2)相關色溫

①按相關色溫數值的等級分析，全部數據在3000K～4500K區間分布為最多，達到了54%，其次為4500K～6000K的21%。

②按時間分布分析 (詳見圖4)，7月、8月、9月三個月的相關色溫有效數值較高，其中2008年9月的月相關色溫5566K為全部獲取數據最高。一年中的年終和年初 (11月、12月、1月和2月)的相關色溫偏低，在3000～4500K區段;春季 (3月、4月、5月)的數值則集中在3000～4500區段;8月、9月、10月的數值分布比較穩定，集中在4500～6000K區間;6、7兩個月的數據分布相對分散，缺少穩定性。在分析太陽光導入器系統應用時，需要了解環境的光色要求，在不同月份使用中進行相應調整。

圖4 月相關色溫有效值與時間關系曲線

(3)顯色指數

除因天然光條件較差 (逐日裝置未啟動)而無法采集到顯色指數外，兩年內約50%的顯色指數分布集中于80～90的區間。

(4)數據變量 (光通量、相關色溫、顯色指數)之間的關系

①全部數據中，光通量變化范圍較大;顯色指數和相關色溫變化范圍較小，分布在各自比較集中的區間 (平均顯色指數70～90;相關色溫3000～6000)內，二者不隨光通量變化而產生較大變化。

②光通量較低時 (小于300lm)，相關色溫和顯色指數的分布都在相對較低區間;光通量較高時(大于700lm)，相關色溫分布在較高區間4000～6000K(93.3%)，顯色指數全部大于80。由于光通量能夠較大程度的反應天然光整體條件，因此呈現出了上述變量關系。

4 研究展望

(1)提出“日光終端光纖”的光導照明具體方式

完善模型與模擬試驗相結合的研究方法，評測并評估光導照明系統下使用空間的環境質量和節能效益，提出適合地下空間使用功能的“日光終端光纖”的光導照明系統。

(2)分析光導傳輸系統和與人相關要素之間的主要關系

針對地下空間中的使用者，基于建筑環境行為和心理學的研究方法，在建筑光學層面分析并改進光導傳輸系統的應用技術，探索光導傳輸系統和與人相關要素之間的主要關系。

(3)提出光導傳輸系統的建筑設計整合策略

結合北京市地下空間的設計實踐展開使用評估。依據日照時數、傳輸距離、使用功能等對于擬采用該技術的項目進行位置規劃并編制模擬分析軟件。提出可供推廣的追蹤收集器的構造策略與立面整合策略。

［1］http://www．himawari．com．cn/news/2009．2．

［2］Muhs，Jeff．Hybrid solar lighting doubles the efficiency and affordability of solar energy in commercial buildings．CADDET Energy Efficiency．2002b．

［3］Muhs，Jeff．Design and analysis of hybrid solar lighting and full-spectrum solar energy systems．SOLAR2000 Conference．Madison，Wisconsin，USA．2002．

［4］L．Curt Maxey，Melissa V．Lapsa．et al．Hybrid Solar Lighting:Final Technical Report and Results of Field Trial Program．OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY，U．S．DEPARTMENT OF ENERGY，Oak Ridge，Tennessee，USA．2008(9):A-11～A-14．