光導管照明技術在大開間教學樓中應用研究
——以山東建筑大學藝術教學樓為例

張萍，房韶澤，魏曄

（1.山東建筑大學基建處，山東濟南250101；2.山東建筑大學管理工程學院，山東濟南250101）

光導管照明技術在大開間教學樓中應用研究
——以山東建筑大學藝術教學樓為例

張萍1，房韶澤2，魏曄1

（1.山東建筑大學基建處，山東濟南250101；2.山東建筑大學管理工程學院，山東濟南250101）

光導管照明技術是建筑節能領域的一種新興技術，具有安全、高效、節約建筑用電成本等優勢，在大開間教學樓項目中具有提高照明效果，節約照明耗電的應用價值。針對大開間教學樓進行光導管綠色照明技術的應用設計，文章設計了光導管的結構，闡述了光導管綠色照明技術原理，計算了光導管的傳導效率，根據光導管的傳導效率并結合濟南市當地的光照條件，通過文獻閱讀、實地調查和技術研究等方法，按照山東建筑大學藝術教學樓照度設計的要求，對項目進行了光導管綠色照明技術應用設計；對光導管綠色照明技術在教學樓使用過程中的照明效果和增量效益進行了評估分析。結果表明：光導管綠色照明技術實現了教學樓一層展廳、二層門廳冬季7∶20－17∶00時間段的日間零能耗照明零能耗照明，照明亮度平均值分別達到了329.9和312.7 Lux，教學樓年節約電能189000 kW·h，節能減排效益明顯。

光導管；綠色照明；增量經濟效益；增量環境效益

0 引言

2015年我國年照明用電量占到了社會總用電量的10%左右［1］，隨著國家經濟的發展，照明用電量還將會進一步增加。節約能源，保護環境是人類發展的永恒主題，光導管綠色照明是一種利用太陽光進行室內照明的新興技術，可以將建筑用電降低20%～30%，具有安全、高效、節約用電成本等優勢［2－5］。作為綠色能源應用方面的代表，它的興起與普及在減少照明用電量、緩解“電力危機”方面扮演了積極、重要的角色。

20世紀90年代初，美國環保局首先提出了“綠色照明”的理念，并推進美國“綠色照明工程”的進程。我國的綠色照明的相關工作于1993年底正式啟動。1995年11月，我國相關單位討論研究了我國的綠色照明實施規劃，倡導將太陽光作為室內照明光源，因此，利用太陽光是綠色照明的重要領域［6］。王凡對光導管技術的應用狀況及前景做了系統闡述和分析［7］，王偉針對光導管在冬季的采光性能開展了相關研究工作［8］；而Malet等通過實驗模型對光導管系統能效進行了分析研究［9］；在工程應用方面，杭州卷煙廠、山東美術新館，龍奧金座大廈等項目，以及沙特工業項目公司的百事可樂倉庫項目均使用了光導管綠色照明系統并取得了良好的節能效果［10］。

目前對光導管綠色照明應用的研究多局限于工業廠房、商業建筑，在教學樓項目中的工程實踐相關應用研究還缺少分析。教學樓門廳的照明滿足一般照明要求即可，而展廳為使展品每個細節恰到好處地展現，實現良好的色彩效果，且不會產生視覺不舒適和炫光，設計要求統一的眩光值UGR達到20，顯色指數Ra達到80。山東建筑大學藝術教學樓二層藝術教學展廳和門廳面積為805 m2，由于開間較大，僅靠開窗不能滿足日間采光照度要求，為保證設計要求的照明效果，且考慮到展廳需常年對學生和來訪者開放，采用傳統電力照明耗電巨大。經綜合論證，通過布置光導管綠色照明系統來滿足大開間教學樓的照明及節能要求。文章針對光導管綠色照明系統在項目中的應用效果和其所達成的增量效益進行分析。

1 光導管綠色照明技術

1.1 光導管的結構

光導管由采光裝置、導光裝置和散光裝置3個部分組成［11－12］。采光裝置的主要構件是采光罩、安全網和墩型防水帽。采光罩采用了具有高抗沖擊性能的碳酸聚酯材料，能有效過濾紫外線，安全網和墩型防水帽負責防止異物掉落與雨水滲透［13］；導光裝置的主要構件是導光管，其主要作用是將太陽光經過折射聚焦傳導至輸出區；散光裝置的主要構件是漫射器，即室內發光裝置，其由多個透鏡組成，將頂部采光轉化成室內光源，提供照明。具體結構如圖1所示：

圖1 光導管的基本結構圖

1.2 光導管綠色照明技術的工作原理

光導管綠色照明技術的運行不借助于電力，其基本原理是通過采光罩高效采集室外自然光線并導入系統內重新分配，再經過特殊制作的光導管傳輸和強化后由系統底部的漫射裝置把自然光均勻高效的照射到室內。在日間，無論天氣狀況的好壞，都能高效的收集陽光供室內照明使用。導光管采光區通過室外采光罩收集自然光并濾除接近97%的紫外線，經過紫外線過濾的陽光進入導光區，并通過導光區的反射再過濾，濾除陽光中的紅外線，到達輸出區的漫射裝置，然后經由漫射裝置傳導至室內，達到照明的目的。同時，通過對采光裝置和漫射裝置的材料優化配置，進一步加強陽光收集能力與傳導效率，減少陽光的傳導損耗，且把熱量和紫外線拒之室外。

1.3 光導管的傳導效率

影響光導管傳導效率的因素有很多，包括天氣狀況、季節變化、光線的強度和照射角度、導光管部分所用材質和尺寸等因素，此外，人為造成的霧霾也會不同程度上削弱光導管的傳導效率。在日間，光導管的光傳導效率受不同時刻的陽光亮度的變化影響。假設在天氣狀況為晴天的條件下，選取全年的偶數月作為研究樣本，通過王書曉的研究及國際照明委員會制定一般天空亮度模型［14］，對光導管傳導效率進行計算，結果如圖2所示。從圖2中可知，光導管的傳輸效率變化趨勢呈現拋物線狀，與全天中陽光亮度同趨勢變化。

圖2 光導管效率變化曲線圖

2 光導管綠色照明技術的應用設計

2.1 應用案例

山東建筑大學為積極響應國家節能減排的號召與政策，倡導綠色、節能環保，推廣各種創新節能技術，在教學樓的展示室和二層門廳安裝索樂圖公司陽光大師系列光導管綠色照明系統，現已投入使用。教學樓工程于2016年12月榮獲由山東省照明學會、山東省照明電器協會、山東省信息產業協會和山東省節能環保低碳協會聯合頒發的山東省綠色照明獎建筑照明施工二等獎。

2.2 濟南市光照條件

由于我國幅員遼闊，各地陽光照射條件不盡相同。20世紀80年代，中國科學家根據全國設置在北京、上海、西安、廣州等城市的14個監測站收集的輻射光當量值數據，對全國進行了光氣候的分區［15］，濟南市屬于Ⅲ類氣侯區，如圖3所示。濟南市的氣候屬于典型的溫帶季風氣候，陽光照射充沛，具備良好的天然采光條件，但由于霧霾的影響，會對光導管采光效率造成一定的影響。根據收集到的濟南市的氣候數據，選取偶數月份作為樣本，繪制了濟南市的散射光照度和直射光照度在全年的變化趨勢圖，如圖4、5所示。并統計了偶數月份散射光照度和直射光照度，見表1。通過對濟南光照條件的分析可得出，12月濟南市的散射光照度和直射光照度均為樣本月份最低值。根據光導管的傳導效率隨光照條件的變化而變化，在全晴天空的條件下，12月份的光導管傳輸效率亦達到最低，因此以12月份光照條件為基礎，對增量效益評價進行分析，得出光導管綠色照明系統所能實現最低增量效益。

圖3 中國光氣候分區圖

圖4 濟南市散射光照度分布圖

圖5 濟南市直射光照度分步圖

表1 濟南偶數月份總照度分析表／kLux

2.3 采用的光導管技術

2.3.1 光線彎折技術

項目中采用的光導管采光罩使用了光線彎折技術，較普通采光罩有更強的光線收集能力。整個采光罩具有紫外線過濾涂層，其內部使用羅盤將反射面朝向太陽，可以最大限度的收集太陽光，考慮到正午強烈的陽光直射，在采光罩頂部涂抹了陽光反射涂層，有效降低正午時的熱效應。在非頂部區域，可以將照射在采光罩各個位置的太陽光折射至于水平面夾角90°的方向，垂直向下，將太陽光的收集效率最大化，并且將太陽光造成的熱效應大幅降低。

綜上，項目所采用的技術主要有以下3個優點：

（1）反射正午直射太陽光，降低自然光照明的熱效應；

（2）低角度陽光垂直轉向，使陽光收集效率最大化；

（3）抵擋紫外線，過濾對人體有害射線。

2.3.2 極限導光管技術

導光管是光導管綠色照明裝置中間部分的導光元件，在山東建筑大學藝術教學樓工程項目中采用的導光管使用了極限導光管技術，該技術較普通光導管的優勢主要有：（1）具有出色的光譜反射率，經實驗測算，光譜反射率最高可以達到99.7%；（2）經過導光管進入室內的光顯色指數CRI值接近100（太陽光的顯色指數定義為100），CRI是衡量人工光源顏色特性的重要參數，被廣泛應用于評價人工照明光源。，它的數值體現了太陽光的色彩真實度；（3）該技術的日光傳輸距離超過18 m，具有更強的照明能力，可以為大面積場館提供良好的照明效果；（4）管內涂有一層碳涂層，可以吸收太陽光中的大部分紅外線，保護使用者免受紅外線傷害。

2.3.3 日光漫射器

日光漫射器是根據燈盤的尺寸，由許多透鏡組合而成，可將頂部聚集的太陽光均勻地分散釋放，避免了炫目的光源，使照明效果更加柔和、自然。日光漫射器部分還添加了一層紫外線過濾網，進一步對紫外線進行過濾，使光源更加健康舒適。

2.4 使用區域信息及設計要求

項目位于山東建筑大學藝術教學樓展廳、二層門廳，用于白天照明。按照照度設計要求，藝術教學展廳設計共使用照明設備30套，二層門廳設計共使用該照明設備24套，直徑均為530 mm，設計照度均為300 Lux，充分滿足使用要求，為室內提供了均勻舒適的自然光照明，具體分布如圖6、7所示。

2.5 實際照明效果

按照設計圖紙進行施工，藝術教學樓二層展廳和門廳的光導管綠色照明設備已全部安裝到位，實現了冬季7：20～17：00時間段的日間零能耗照明。藝術教學樓二層展廳和門廳的實測亮度如圖6、7所示。

圖6 藝術教學展廳布置情況圖／mm

圖7 二層門廳布置情況圖／mm

表2 藝術教學展廳照明亮度數據

表3 二層門廳照明亮度數據

從表2和3數據可以得出光導管綠色照明系統的照明效果良好，藝術教學展廳和二層門廳的亮度平均值分別達到了329.91和312.71 Lux，充分滿足了場館日常運營的照明需要。

3 光導管綠色照明技術增量效益分析

房屋建筑在日常運營中，光導管綠色照明技術的增量效益主要體現在經濟和環境兩個方面［16］，經濟方面的效益是照明技術在運營過程中帶來的直接效益，環境方面的效益是照明技術在節約能源保、保護環境方面帶來的間接效益，因此綠色建筑全生命周期的增量效益計算可采用式（1）表示為

3.1 增量經濟效益分析

根據廠家提供的數據，一套該型號的光導管燈具的流明輸出約為15000 Lm，相當于一盞功率為1200 W的大型照明燈，按全年每天使用8 h計算，相當于節電3500 kW·h，由于光導管綠色照明技術的最突出的特點是降低建筑物的能耗，即節約電能的使用，所以可以將光導管綠色照明技術在用電方面的增量經濟效益表示為年節電效益，年節約經濟效益是指光導管綠色照明技術相比傳統照明技術和設備所節省用電能，按照式（2）計算為

式中：S節電為光導管綠色照明系統一年內節省的總用電量，kW·h；Q節電為每套光導管燈具每年節省的電量，kW·h；N為光導管綠色照明燈具的數量。

項目共使用光導管綠色照明燈具54套，則每年節約電能計算為

由于光導管綠色照明技術的零能耗，由此看出在電能節約方面其所帶來的經濟效益用節約電能表示是189000 kW·h，相比于傳統的電力照明技術，每年能夠有效的降低教學樓的電能消耗。

3.2 增量環境效益的分析

光導管綠色照明技術的增量環境效益，直接表現為降低CO2的排放量，間接表現為減少燃煤使用量。根據廠家提供數據，每套光導管綠色照明設備的年節電量轉換成標準煤為1400 kg，可分析計算光導管綠色照明技術的增量環境效益如下：

（1）降低CO2排放量

由于采取了節能環保的措施而降低了CO2排放量，對這部分減排的CO2的處理成本被稱為CO2的減排效益。CO2的減排效益根據式（3）計算為

式中：SCO2為藝術教學樓項目CO2年減排效益；PCO2為每t的CO2處理成本；N為光導管綠色照明燈具的數量；E煤為每套光導管綠色照明設備的年節電量所減少消耗的為標準煤的量；TCO2為每t標準煤經過充分燃燒產生的CO2量；其值為2.66～2.72 t，根據CO2處理工藝不同，其處理所需的成本為205～486元／t［9］。每t煤燃燒后CO2取最大值，假設取中間價格CO2處理技術，按照350元／t計算，則經過計算每年產生的CO2減排效益計算為：

由式（3）可以看出，山東建筑大學藝術教學樓項目的光導管綠色照明技術每年CO2減排效益達到71971元，大幅節省社會所需要環境處理成本，同時減少了CO2的排放，對保護大氣環境做出有益貢獻。

（2）減少燃煤使用量

由于采取了節能環保的措施而減少了燃煤的使用量，對這部分燃煤減少量所節約的成本稱為燃煤節約效益。燃煤節約效益根據以下式（4）來計算為

式中：S煤為藝術教學樓項目燃煤節約效益；P煤為每t標準煤的價格；N為光導管綠色照明燈具的數量；E煤為每套光導管綠色照明設備的年節電量所消耗標準煤的量。

根據從山東省煤炭工業局取得的調研數據得知，2016年市場上每t標準煤價格在400～600元之間［17］，這里取中間價格500元／t。則經過計算每年產生的燃煤節約效益計算為

S煤＝500×1.4×54＝37800（元）

4 結論

（1）藝術教學樓展廳和二層門廳冬季7：20～17：00時間段的日間零能耗照明，照明效果良好，藝術教學展廳和二層門廳的亮度平均值分別達到了329.91和312.71 Lux，充分滿足了場館日常運營的照明需要。

（2）光導管綠色照明技術的增量經濟和環境效益顯著，按全年每天使用8 h計算，相當于節電3500 kW·h，年節約電能189000 kW·h；年燃煤節約效益37800元；年CO2減排效益71971元，減少了CO2的排放。

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Study on the application of light pipe illum ination technology in the teaching building of large bay：A case study of the art teaching building of Shandong Jianzhu University

Zhang Ping1，Fang Shaoze2，Wei Ye1

（1.Department of Infrastructure，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.School of Management Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Light pipe illumination is a new technology in the field of building energy conservation with the advantages of safety，high efficiency and saving construction cost.It has application value that improves lighting effects and saves lighting power consumption in large teaching building project. Aimed at the design of green lighting technology for light tunnel in large teaching building，the structure of the light pipe is designed，the principle of the green illumination of the light pipe is expounded，the conduction efficiency of the light pipe is calculated.According to the transmission efficiency of the light guide and local illumination conditions in Jinan City，with the methods of field investigation，literature analysis and empirical research，the papermakes the design of green lighting technology of application in the art teaching building project.According to the design requirements of the illumination，the technology of solatube was used in the project.The incremental benefit evaluation and lighting effect of green lighting technology was analyzed in the process of using in the teaching building.The results show that the green light guide lighting technology achieves the zero energy consumption during the time of 7：20－17：00 in winter in the exhibition hall on the first floor and the lobby on the second floor.The average brightness reaches 329.91Lux and 312.71 Lux，theannual electricity savings of teaching building ismore than 189000 kw·h，so the effects in energysaving and emission-reduction is siguificant.

light pipes；green lighting；incremental economic benefits；incremental environmental benefits

F282

：A

1673－7644（2017）02－0177－06

2017－02－15

張萍（1967－），女，高級工程師，碩士，主要從事工程項目管理等方面的研究.E-mail：zp1967＠sdjzu.edu.cn