建筑中光導照明通風系統(tǒng)的應(yīng)用可行性研究

張亞冉

(河北工業(yè)大學建筑與藝術(shù)設(shè)計學院，天津300142)

光導照明技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀80年代，是利用光纖或管道將室外的自然光引入室內(nèi)，為室內(nèi)提供日光照明，故光導照明又被稱為自然光照明［1]。光導照明技術(shù)可與自然通風技術(shù)結(jié)合，在改善采光照度均勻性的同時增加室內(nèi)通風換氣的次數(shù)，提高空氣質(zhì)量。該技術(shù)無需電能等常規(guī)能源，在保證自然光在室內(nèi)的高效傳輸與自然通風的前提下不會產(chǎn)生多余的能量，是一種有效的綠色照明與通風技術(shù)。光導照明通風系統(tǒng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，在高校教學建筑這類一般公共建筑中還未見實踐實例。本文研究系統(tǒng)在寒冷地區(qū)高校教學建筑中的應(yīng)用是可行性，以期能為今后工程實踐提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 工作原理

1.1 系統(tǒng)工作原理

光導照明通風系統(tǒng)由兩部分組成:光導照明系統(tǒng)和自然通風系統(tǒng)。光導照明系統(tǒng)有三個重要的組成部分:采光裝置、導光裝置和慢射裝置。與通風裝置的整合即是在傳統(tǒng)光導管外壁增設(shè)一層通風管道，在采光裝置下端、外管道上端處和慢射端口處分別設(shè)置進出氣口，空氣可自由進入，其結(jié)構(gòu)縱剖面如圖1所示。

光導管采光原理:通過室外采光裝置聚集自然光線導入系統(tǒng)內(nèi)部，經(jīng)過自然光全光譜高反射性能的導光管反射與強化傳輸后，由漫射裝置將自然光線發(fā)散到室內(nèi)。

光導管輔助通風原理:光導管與外管道間形成可與外界連通的自由空氣通道，利用室內(nèi)外溫差與裝置自身的高度優(yōu)勢，采用風壓與熱壓方式進行通風換氣:采光裝置吸收太陽輻射熱量，加熱導管壁中空氣，使系統(tǒng)兩端進出風口產(chǎn)生空氣溫差促進熱壓通風。冬季室內(nèi)外溫差較大，室內(nèi)熱空氣上升形成熱壓通風，當室外風速達到2－4 m/s時，在導管風口處形成風壓，新鮮冷空氣壓入導管平緩進入室內(nèi)，渾濁空氣排出，達到通風換氣效果，如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)有控制閥，夏天控制閥完全打開，加速空氣交換，冬天控制閥部分打開，實現(xiàn)部分通風換氣的條件下，避免室外冷空氣的過量進入。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)越性

光導照明通風系統(tǒng)適合各種場所的自然采光，可廣泛應(yīng)用于地下空間、商場、工業(yè)廠房、學校、體育場館、火車站等公共建筑中，對風向、風速與建筑朝向要求不高，受季節(jié)和室內(nèi)環(huán)境影響較小。同電力照明相比，系統(tǒng)在大多數(shù)天氣條件下都可提供8h以上穩(wěn)定充足全頻譜的室內(nèi)照明且不會對室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生熱干擾，系統(tǒng)可進行光量調(diào)節(jié)，出射光線照度均勻，亮度大且彌補了側(cè)窗采光易產(chǎn)生眩光的缺點。相較于天窗采光形式，系統(tǒng)不因光線入射角的變化而改變，照射面積較大，且不產(chǎn)生局部聚光現(xiàn)象(圖3、圖4)。系統(tǒng)采用全封閉形式，維護費用較低，具有防水、防火、防塵等性能。

在光線有效輸送長度方面，小孔徑光導管最大傳輸距離8 m，大孔徑光導管最大傳輸距離可達20 m［2]。

2 應(yīng)用于寒冷地區(qū)的可行性

2.1 氣候特征

我國的寒冷地區(qū)包括北京、天津、河北、山東、河南、甘肅、陜西、內(nèi)蒙等大部分地區(qū)，在《建筑設(shè)計采光標準》(GB_T 50033－2001)劃分的光氣候分區(qū)中分屬Ⅰ、Ⅲ類，太陽輻射較強，年太陽總輻射照度約為150－190 W/m2，年日照時數(shù)為2 000－2 800 h，年日照百分率為 40% －60%［3]。大部分地區(qū)冬春季節(jié)與夏秋季節(jié)的主導風向大致相反，風速全年平均2－5 m/s。

2.2 教學建筑光環(huán)境的現(xiàn)狀與要求

針對高校教學建筑室內(nèi)物理環(huán)境現(xiàn)狀的調(diào)查與實地測量，發(fā)現(xiàn)了一系列普遍存在的采光照明與通風方面的問題和缺陷。寒冷地區(qū)高校教學建筑除中庭與頂層空間部分利用天窗采光外，多依靠側(cè)窗采光形式。在對天津某高校的教學建筑光環(huán)境滿意程度調(diào)查中，靠近采光口的學生中90.3%的人對桌面自然光持不滿意態(tài)度，認為由于直射光線的影響桌面眩光現(xiàn)象嚴重。遠離采光口的學生中有52.9% 的人認為桌面光線不夠充足，多見室內(nèi)光線照度分布不均勻。

自然通風是目前教學建筑采用的主要通風方式，教學建筑人員密度大、停留時間長，單一的通風方式無法滿足需要。寒冷地區(qū)高校教學建筑普遍存在夏季室內(nèi)悶熱，完全依靠電扇輔助通風;冬季門窗緊閉，依靠冷風滲透換氣，室內(nèi)CO2含量超標，空氣質(zhì)量下降。

對于寒冷地區(qū)高校教學建筑而言，舒適的室內(nèi)光環(huán)境應(yīng)保證基本照度，還應(yīng)避免因室內(nèi)照度不均勻或眩光引起的眼睛疲勞和損傷。《建筑照明設(shè)計標準》規(guī)定學校建筑教室天然采光臨界照度為300 lx，照度均勻度不應(yīng)低于0.7。《建筑采光設(shè)計標準》中規(guī)定學校建筑采光系數(shù)最低值為2.0%。教學建筑每天室內(nèi)通風次數(shù)不少于3次，同時采用有組織的通風形式，合理控制風速，冬季室內(nèi)的風速控制在0.25 m/s以內(nèi)，隨著夏季環(huán)境溫度升高，理想風速控制在1.0 m/s以內(nèi)較為適宜。

2.3 技術(shù)可行性

早在上個世紀80年代光導照明裝置已在國外普遍流行，經(jīng)過近三十年的發(fā)展與不斷完善，光導技術(shù)已日臻成熟。光導管材料質(zhì)輕且反射率不斷增大，現(xiàn)普遍采用的光導管材料反射率在0.92－0.99 之間［4－6]，光線的傳輸效率也隨之提高。采光裝置耐重壓，外表面經(jīng)過拋光處理，涂有防紫外線涂層，透光率較高且減少紫外線進入、延緩了老化過程。此外光導管內(nèi)部封閉，空氣不與外界連通，可避免灰塵與雨水進入，從而降低清潔與維修費用。光導照明通風系統(tǒng)的基本原理成熟，且各部分構(gòu)造輕巧簡單，便于安裝。

正是由于光導照明通風系統(tǒng)的上述優(yōu)點，系統(tǒng)很快得到國內(nèi)外企業(yè)與設(shè)計師的廣泛關(guān)注，陸續(xù)涌現(xiàn)出大量的試點建筑。2004年傳入我國后，北京科技大學體育館、清華大學建筑學院環(huán)境節(jié)能樓、山東日照廠房、北京三星綠色奧運宣傳館、北京奧林匹克森林公園、同濟大學航力學院、深圳設(shè)計之都、北京師范大學附屬實驗中學教室等公共建筑大量采用了光導照明系統(tǒng)，這些成功案例為系統(tǒng)應(yīng)用于寒冷地區(qū)高校教學建筑提供施工設(shè)計經(jīng)驗與佐證。與這些建筑類型相比，教學建筑功能較為單一，結(jié)構(gòu)較為簡單，光導照明通風系統(tǒng)安裝過程中可按照已有的施工技術(shù)與實踐經(jīng)驗進行操作，無特殊性要求，技術(shù)上是可行的。

2.4 經(jīng)濟可行性

光導照明通風系統(tǒng)常應(yīng)用在大進深商業(yè)、辦公建筑、庫房及地下空間中，取代人工照明，節(jié)約能源，短期內(nèi)可回收成本。而應(yīng)用于教學建筑的特殊性在于建筑重視自然采光與通風，系統(tǒng)的引入是為了解決室內(nèi)照度不均勻、通風不暢的問題，并可在陰天或早晚室內(nèi)照度不足時提供輔助照明以減少人工照明，降低電耗節(jié)約能源。也就是說光導照明通風系統(tǒng)主要起到改善室內(nèi)熱舒適與提高采光舒適度的作用。因此系統(tǒng)在教學建筑中的應(yīng)用回收周期相對較長。光導照明通風系統(tǒng)在低維護費用或無維護條件下的壽命周期為25a。

3 結(jié)語

寒冷地區(qū)教學建筑結(jié)構(gòu)簡單、功能單一、無特殊要求，光導照明通風系統(tǒng)可按已有施工技術(shù)與實踐經(jīng)驗操作，技術(shù)上可行。在不考慮對系統(tǒng)通風效果量化分析的前提下，每間中等規(guī)模教室在系統(tǒng)25年全壽命周期內(nèi)可回收成本，且每年節(jié)約用電1438.8kwh，直接經(jīng)濟效益971.19元，具有經(jīng)濟可行性。

［1] D J CARTER.The measured and predicted performance of passive solar pipe systems［J] .Lighting Research and Techn －ology.2002，27(1):32 －34.

［2] D JENKINS.Modelling light－pipe performances － a natural daylinghting solution［J] .Building and Enviroment.2003，39(7):972 －974.

［3] 孫宇.北方高校教學樓適應(yīng)性改造研究－節(jié)能優(yōu)化與整合策略［D] .上海:同濟大學，2008.

［4] 馬新慧.自然光光導照明在自然采光中的應(yīng)用［J] .建筑電氣，2007，26(4):192 －195.

［5] GB50034－2004，建筑照明設(shè)計標準［S] .

［6] 戴鵬飛.中小學教室光導照明通風一體化設(shè)計研究［D] .哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2009.