Light-pipes Lighting Technology and its Engineering Application

Zou Zhihui / Li wei

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Light-pipes Lighting Technology and its Engineering Application

Zou Zhihui / Li wei

AbstractLight-pipe lighting system working principle and its application in architecture engineering are introduced, the advantages of the technology in comfort, economy , energy saving and environmental protection are analyzed with the practical application cases, and point out that it is an application technology of green lighting which worth popularizing.

Keywordslight-pipe, green lighting, economy, energy saving and environmental protection

0引言

據統計，照明用電量約占社會總用電量的20%，如何實現照明系統節電無疑成為節能環保措施中的重要一步。目前在建筑照明系統中，主要對光源、燈具和控制方式進行節電處理，如采用高效節能型熒光燈、LED燈、無極燈等；或是采用高反射率的燈具以提升光效；亦或是采用智能照明控制方式來控制燈具的開關或者對燈具進行調光以滿足不同需求時的照明照度水平，達到省電節能的目的。此外，一種更加節能的措施是直接利用自然光，而光導管的應用使得這一技術手段在工業與民用建筑領域得以更好體現。由于采集太陽光的光導管綠色照明系統具有結構簡單、安裝方便、成本較低、實際照明效果好等優點，因此在國外發展十分迅速，應用也比較廣泛。如今這項技術已在國內不少城市建筑中得以應用(如圖1～2所示)，節能效果十分顯著，應得以充分地展示和推廣。

圖1　某大學體育館光導管照明實例

圖2　某城市低碳科技館光導管照明實例

1光導管照明系統工作原理

1.1系統組成

系統主要由以下三部分組成。

1.1.1采光區

利用透射和折射原理在室外利用采光罩高效采集太陽光、自然光，并將其導入系統內部。其中采光罩有半球型、平板型等，采用亞克力材質，透光率高、抗沖擊性強、耐摩擦、能有效隔離90%以上的紫外線且表面平滑光亮，經風刮雨淋就可實現自清潔功能。采光罩外形如圖3所示。

圖3　光導管照明采光罩

1.1.2傳輸區

采用七彩無極限管道專利技術對導光管內部進行反光處理，光線反射率達99.7%、顯色指數達97%以上，光線傳輸距離長達20m，還可進行0～90°隨意轉彎，可保證光線的傳輸距離更長、更高效。

1.1.3輸出區

由漫射器將比較集中的自然光均勻、大面積地照到室內需要光線的各個地方，無論黎明、黃昏、陰天或雨天，該照明系統導入室內的光線可始終保證充足。漫射器采用3D納米漫射鏡片或進口PC、亞克力材料加工而成，不易破碎，透射性、擴散性高，顯色性好、透光率達90%以上，漫射器外形如圖4所示。經過漫射的光線為全光譜、無眩光、無頻閃，并能通過調光器進行光線控制，調整室內照度。光導管照明裝置主要技術參數如表1所示。

圖4　光導管照明漫射器

型號管道尺寸(直徑)/mm采光罩有效日光采集面積/cm2參考照明面積(照度值按地面100lx,光導管長度4m)/m2光線可傳輸距離/m290DS350103223～289+330DS530212930～5015750DS530483830～5015M74-基礎單元740-50～7020M74-擴光單元740-60～9020

1.2系統主要特點

光導管采光系統100%利用自然光照明，可有效降低建筑物內部80%以上的白天照明，無能耗、一次性投資、無需維護，使用壽命可長達25年，在節約能源、創造效益的同時也減少了大量CO2和其他污染物的排放。系統各部件所使用的材料為健康環保型材料，可全部回收利用，不產生二次污染。另外，為避免人們長期生活和工作在電光源下，光導管采光系統將陽光引入室內，減少電磁污染，降低疾病發病率的同時，也減少了因停電引起的安全隱患和用電引起的火災隱患，通過直接采集室外自然光、太陽光，能過濾90%以上的有害紫外線，導入室內的光線能達到全光譜、無頻閃、無眩光，使工作環境更加舒適，減輕人們長期處在燈光下引起的視覺疲勞。

1.3光導管照明的應用范圍

主要應用于單層建筑、單層地下室及建筑頂層空間等，其中包括大型的體育場館、工業廠房、物流中心、地下空間、學校、醫院、展覽館、火車站、地鐵站、機場、港口、商場、酒店、超市、別墅、高級會館等建筑，光導管照明系統在建筑中的應用如圖5所示。

圖5　光導管照明系統的應用

2光導管照明的應用案例

2.1光導管照明系統的應用

光導管照明技術是一項非常節能的照明技術，無需消耗電能，通過利用自然光將室外光線引入室內，實現了真正意義上的綠色健康照明技術。隨著光導管技術的不斷進步，產品價格也在不斷下降，該照明技術也得到了越來越多的推廣和應用，僅武漢地區就有諸多項目投入使用，如武漢市民之家、武漢光谷未來科技城等項目。如今在國家大力倡導發展綠色建筑的政策下，該技術會有更好的發展及應用前景，下面就該產品技術在武漢市民之家項目上的應用進行介紹和分析。

武漢市民之家位于湖北省武漢市江岸區，占地面積99 200m2，建筑規模123 400m2，是武漢市重要的標志性、景觀性建筑。

該項目采用了自然采光、太陽能光伏發電、透水地面、太陽能熱水、節能照明、中水回收、地源熱泵等20多項綠色節能技術，是一座現代化的政務建筑，既有高新的科技元素，又有濃厚的藝術、人文氣息，還有時尚的環保理念，是現代化綠色建筑的典范。

本項目電氣節能新技術的應用主要包括智能照明控制系統、太陽能光伏發電系統及光導管照明系統，其中主要在建筑物地下室車庫及地上六層資料室、洽談及政務公開區、走廊等區域設置共30多套光導管裝置，下面僅以其在地下室部分的應用對光導管照明系統進行分析說明。

地下室設置的10套光導管主要應用于車道及車位照明，光導管照明采光罩均安放在對應地下車庫區域的地面綠化帶上，以保證日光充分導入地下車庫，如圖6所示。因光導管需要穿地下室頂板出地面，所以光導管需要預留孔洞尺寸，同時設備安裝時要做好防水處理，以免引起地下室漏水。采用290DS 開放式光導裝置，按每個結構柱網(8.4m×8.4m)中間均勻布置一根管徑350mm、長2m(根據地下室的土建基礎條件及照度要求)的光導管，采光罩距地面300mm，漫射器距地下室頂板400mm，管間布置間距8.4m，光導管照明裝置剖面圖如圖7所示。

圖6　武漢市民之家地下室光導管照明系統

圖7　光導管照明裝置剖面圖

根據GB 50033-2013《建筑采光設計標準》中國光氣候分區圖可知，武漢地區位于Ⅳ區，屬于光照資源比較富裕的地區，天然光年平均總照度30klx≤Eq<35klx，以全年平均總照度值Eq=32.5klx進行計算，通過visual軟件進行照度計算分析，可得車庫光導管區域平均照度為79lx，高于標準規定的車庫照度50lx，滿足使用要求。實際運營效果表明，該系統能在大多數天氣條件下滿足白天地下車庫的照度要求，尤其是晴朗天氣，照明效果最佳。同時地下室設置了智能照明控制系統，在陰雨天和夜晚，當室內采光不足時開啟電光照明以滿足車庫照度需求。

2.2光導管照明系統的經濟性分析

光導管照明系統提供的是日間照明，考慮陰雨天采光不足等因素，照明用電量以平均9h/天的時間計算。地下室該區域車道和車位照明均采用28W節能型單管熒光燈，共安裝100盞，設備安裝功率共計28×100=2.8kW，可得一天日間照明耗電量為2.8kW×9 h=25.2kW·h，另考慮燈具附件電子鎮流器的附加耗電量，按照明用電量的10%考慮，其用電量為25.2 ×10%=2.52kW·h，所以一天日間照明總耗電量約為27.72kW·h。電費以商業用電1元/ kW·h計算，一天日間照明總用電費用約為 27.72元。

由此可見，本項目地下室光導管照明系統一年可節省用電27.72×365=10 118kW·h，節約電費10 118×1=10 118元，另外考慮電力照明設備的維護費和更換費，分別按300元/年、200元/年考慮，一年可省500元，一年共省運營管理費用10 118+500=10 618元，本工程光導管照明設備費為7 500元/套，另考慮設備安裝費350元/套，地下室光導管總投入費用=10× 7 850=78 500元，靜態回收期=光導管照明設備總投入費用/年度總節省能源費用=78 500 /10 618=7.4年。

光導管的尺寸和長度對光線的引入有較大的影響，管徑越大，光導管越短，所引入的自然光越充分，光線傳輸損耗越小，照度越高。由于武漢市民之家地下室應用的光導管管徑偏小，安裝數量較少，所產生的經濟性還不算高，而根據已經竣工投入使用的光谷未來科技城地下室的應用情況，其優越性就得到了充分的體現，該項目地下室共采用了30多套大管徑的光導管裝置，建成后實際照明效果非常好，而且整個項目的靜態回收期大約為4年。

2.3光導管照明系統的節能與減排分析

在節能環保方面，火力發電的生產過程中會耗費大量的非可再生資源，同時會釋放CO2等有害氣體，并伴隨著熱污染。

我國現在還是主要以火力發電為主的國家，且火力發電廠所使用的燃料基本上全是煤炭，據統計，全國煤炭消費總量的49%都用于發電。所以，在節能分析中主要計算煤的消耗量，其中每節約1度電，就相應節約了0.4kg標準煤和4L凈水。因此，在武漢市民之家項目中地下室采用光導管照明系統后，一年可節約標準煤0.4×10 118=4 047kg，折合原煤4 047k/0.714 3=5 665.7 kg；節約凈水4×10 118kW·h=40 472 L。

火力發電過程中每產生1度電會釋放出不同量的有害氣體：CO2為0.997kg/ kW·h，SO2為0.03kg/ kW·h，NOx為0.015kg/ kW·h，碳粉塵為0.272kg/ kW·h。由此該項目地下室采用光導管照明系統后，一年可減少CO2排放量10 118×0.997=10 087.6kg，SO2排放量10 118 ×0.03=303.5kg，NOx排放量 10 118×0.015=151.8kg，碳粉塵排放量 10 118×0.272=2 752.1kg。

綜上所述，煤炭屬不可再生資源，省電即可減少煤炭的消耗和因煤炭燃燒而引起的大氣污染，同時光導管照明系統完全利用自然光的物理特性，基于反射和折射的原理充分利用自然光，不需要消耗其它能源，而且光導照明系統大部分設施可進行回收利用，真正做到了綠色、環保、節能減排。

3結束語

光導管照明是一項非常節能的照明應用技術，在建筑照明領域其應用雖然有一定的局限性，易受日照條件及天氣的影響，適用于日照時間較長的地區，且導光距離不宜過長，主要適用于工業廠房、大型室內體育建筑、單層地下空間或頂層空間等，但是因為該應用中自然光能達到舒適的照明效果、具有良好的經濟性、又無需消耗能源并具有很好的節能減排作用，所以光導管照明仍是一項值得推廣的綠色照明應用技術。

參考文獻

[1]趙金劍. 綠色公共建筑電氣設計要求簡析 [J]. 建筑電氣.2012(3)：35-39.

[2]李旭東、孫震. 建筑工程電氣設計中的節能問題 [J]. 建筑電氣.2013(9)：50-53.

[3]GB 50378—2006 綠色建筑評價標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[4]李蔚. 建筑電氣設計常見及疑難問題解析[M]. 北京: 中國建筑工業出版社，2010.

[5]李蔚. 建筑電氣設計要點難點指導與案例剖析[M]. 北京: 中國建筑工業出版社，2012.

[6]李蔚. 建筑電氣設計關鍵技術措施與問題分析[M]. 北京: 中國建筑工業出版社，2016.

光導管照明技術及其工程應用

鄒智慧 / 李蔚

(中信建筑設計研究總院有限公司，武漢 430014)

摘要介紹了光導管照明系統的工作原理及其在建筑工程中的應用，以實際工程應用為例分析了該項技術在舒適性、經濟性及節能環保等方面的優越性，指出它是一項值得推廣的綠色照明應用技術。

關鍵詞光導管綠色照明經濟性節能與減排