不同天氣模式下光導照明系統的效率分析

盛 夏，曹冠英,2，宣 昂，韓 磊，張滿溪，周 婷，楊 軼,2，賀曉陽,2

(1.大連工業大學信息科學與工程學院，遼寧 大連 116034；2.大連工業大學光子學研究所，遼寧 大連 116034)

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不同天氣模式下光導照明系統的效率分析

盛 夏1，曹冠英1,2，宣 昂1，韓 磊1，張滿溪1，周 婷1，楊 軼1,2，賀曉陽1,2

(1.大連工業大學信息科學與工程學院，遼寧 大連 116034；2.大連工業大學光子學研究所，遼寧 大連 116034)

以大連地區為例，主要研究標準陰天、晴天以及霧霾三種天氣模式下光導照明系統中光導管的效率。運用HOLIGILM軟件進行仿真計算，通過設定三個不同時間段和擬定不同的光導管長徑比，得出效率的計算結果。研究結果表明，光導管效率隨長徑比呈線性變化并且是反比函數。

光導管效率；長徑比；天氣模式；HOLIGILM; 照明；光導管；CIE標準陰天

引言

當前我國 70% 以上的發電量依賴火力發電提供，火力發電廠會向大氣排放二氧化硫、氮氧化物、粉塵、灰渣、二氧化碳等，造成可怕的大氣污染[1]。2015年，北京霧霾天氣長達179天，其中重度霧霾46天[2]。大力推行清潔能源已經是時代的需要。自然光是取之不盡、用之不竭的，是大自然賜予人類的寶貴財富，具有清潔、安全的特點，這是其他能源所沒有的，自然光的導入可采用光導照明系統。光導照明系統對于建筑節能方面有很大的幫助，更好地為我們實現了建筑的節能減排，是一項現代的新興應用技術，值得關注[3]。充分利用自然光可節省大量照明用電，節約照明用電又可間接減少自然資源的消耗及有害氣體的排放。

光導照明系統整個系統主要由采光罩、光導管以及漫射器組成[4],可以將太陽光直接引入室內實現照明。本文運用HOLIGILM軟件進行仿真設計，旨在分析研究光導管的管長與直徑在何種比值下，能使整個系統的照明效率達到最高。通過擬定三種生活中常見的天氣模式——標準陰天，晴朗天氣以及霧霾天氣，分析得出最佳的設計方案，為光導照明系統使用省及生廠商提供參考。

1 仿真計算

1.1 HOLIGILM簡介

HOLIGILM以射線追蹤解決方案為基礎，對標準天空條件進行考慮和分析，并可以預先規定太陽高度角及方位角和光導管規格。本文運用HOLIGILM來計算光導管的效率，也可以分析其天空亮度、工作面照度、漫射器照度以及光強分布[5]。在軟件運行之前，首先要預先設置好室內空間參數以及光導管的一些性能指標，選擇CIE 模式的 15 種常見天空模型、設定光導管長度以及直徑、漫射器透射率等。

在軟件模擬分析中，主要對一個光導管作用于室內工作面進行效率和照度分布研究，通過以上計算可以得出總照度。已知輸入和輸出光通量，便可以確定光導管效率。

1.2 計算方案

本文以大連地區為例，選取了三種日常的天氣模式，分別為CIE標準陰天模式，晴朗天氣以及頻繁出現的霧霾天氣為研究背景，改變光導管長度和半徑，算出長徑比(即長度與直徑的比值)，研究光導管效率與長徑比之間的規律；找出不同時間段光導管的最大效率。

大連位于遼東半島南端，地理位置為東經121°44′～121°49′，北緯39°01′～39°04′。首先通過軟件中的方位角計算器得出在這三種天氣模式下的每天的三個典型時間段的太陽方位角分布。接下來對所要研究的工作面以及光導管參數進行設計，擬定為在一個4 m×4 m的矩形房間內，照明系統的漫射器為朗伯漫射器，漫射系數為 0.75，采光罩的透射系數為 0.92；管壁內反射率為 0.934[5]，通過改變管長與管徑的取值即長徑比取值來測定光導管的效率。國內的光導管規格長度沒有明確規定，這里取600 mm，1 200 mm，2 000 mm，3 000 mm作為代表值，直徑主要有330 mm，450 mm，530 mm，750 mm四種規格供選擇[6]。其中330 mm以及450 mm主要應用于小型照明場所諸如走廊、洗手間、小儲藏室等地，530 mm應用在辦公室、走廊、學校等一般照明需求場所，750 mm主要應用在機場、倉庫、大堂、生產廠房等地，在實際應用中也可以根據需要進行最合適的選擇。由此可算出光導管的長徑比，見表1。

通過將以上數據導入軟件HOLIGILM中計算并得出不同長徑比下不同天氣模式下的光導管效率，結合工作面及其漫射器照度結果就可以對光導管的性能進行系統的分析，從而得出對應最佳效率下的光導管設計方案。

表1 光導管的長徑比關系Table 1 The ratio of hollow light guide’s length to diameter

2 結果及分析

通過軟件模擬計算，分別得出了在大連地區在CIE標準陰天、晴朗天氣以及霧霾天氣下，一天中9∶00,12∶00,18∶00三個典型時間下的光導管效率。

2.1 標準陰天

表2及圖1為標準陰天模式下，三個典型時間下的光導管效率。由軟件仿真計算結果可以看出，在標準陰天下的18∶00，光導管長度取600 mm，直徑為750 mm即長徑比為0.8時的效率最高，可達67.7%。從圖1中可以看出，光導管效率隨著長徑比的變化成線性關系，即隨著長徑比的增大而減小。

表2 標準陰天不同條件下的光導管效率Table 2 The hollow light guide’s efficiency under different conditions of CIE overcast sky

圖1 標準陰天不同長徑比下的光導管效率Fig.1 The hollow light guide’s efficiency under different conditions of CIE overcast sky

2.2 晴朗天氣

表3及圖2為晴朗天氣模式下，三個典型時間段下的光導管效率。在晴朗天氣的中午12∶00，光導管長度取600 mm，直徑為750 mm即長徑比為0.8時的效率最高，效率可達67.7%。同一時間段下光導管效率隨長徑比變化呈線性關系，隨著長徑比的增加而降低。與其他兩個天氣模式不同，在晴天天氣條件下，三個典型代表時間段下光導管效率差別較大，中午12點的效率相比較于9∶00和18∶00的效率明顯要高，分析原因是晴朗天氣中午日照充足，三個時間段下進入光導系統采光罩的光通量差別很大，所以導致效率差別明顯。

表3 晴朗天氣不同條件下的光導管效率Table 3 The hollow loght guide’s efficiency under different conditions of CIE clear sky

圖2 晴朗天氣不同長徑比下的光導管效率Fig.2 The hollow light guide’s efficiency under different conditions of CIE clear sky

2.3 霧霾天氣

表4及圖3為霧霾天氣模式下，三個典型時間段下的光導管效率。可以看出在霧霾天氣下18∶00的光導管效率最高可達64.5%，光導管效率與長徑比之間仍呈線性變化關系，即同一時間段下，效率隨著長徑比的增大而減小。

表4 霧霾天氣不同條件下的光導管效率Table 4 The hollow hight guide’s efficiency under different conditions of haze

圖3 霧霾天氣不同長徑比下的光導管效率Fig.3 The hollow light guide’s efficiency under different condifions of haze

通過分析可以看出在三種天氣模式中，在確定了光導管直徑的情況下，出現了光導管效率隨著管長的增加而降低的情況。分析原因是隨著管長的增加，進入光導系統的光通量在光導管的傳遞過程中出現反射吸收等損耗，導致最后照射至工作面的光通量減少，使導光系統效率降低。

3 結論

光導照明系統在白天可以取代傳統的電力照明系統，可以運用在地下停車場，大型體育場所，倉庫或者其他辦公場所等地，它節能環保，安裝簡單，如果可以大力推行這一系統，勢必會為當今的環保做出很大的貢獻，霧霾天氣也會有所減少。本文運用HOLIGILM仿真計算軟件探究了大連地區在三種不同天氣模式三個不同時間段下的光導管效率與長徑比之間的關系，并得出以下結論。

1)光導管長徑比為0.8時，在三種天氣模式下，三個不同代表時間段的效率最高。同時光導管的效率與長徑比成線性變化關系，即隨著長徑比的增大而減小，即在光導管長度一定的情況下，效率隨著半徑的增加而增加；

2)陰天模式以及霧霾天氣下，在18∶00時光導管效率較高，而晴朗天氣下12∶00時較高。分析原因是因為晴朗天氣模式下，在 12∶00時，隨著太陽的移動，進入光導系統采光罩的光線更充足，效率也就更高。同時晴朗天氣下不同時間段光導管效率變化差異大，因為晴朗天氣下不同時間照射入光導系統采光罩的光通量變化差異大；

3)在生產商確定了消費者的使用場所之后，即可以選擇適合的光導管直徑，在此時為了能使整個光導照明系統的效率達到最高，可以在保證使用場所合適的的前提下使長徑比盡可能接近0.8，因為長徑比為0.8時效率最高。同時在直徑一定的情況下，光導管的效率會隨著管長的增加降低。

[1] 黃旨弘．綠色節能產品——光導照明系統[J].建筑與環境,2014，8(3)：95-95.

[2] 王碩．北京曬2015治霾成績單 空氣達標天數超五成．http://news.sina.com.cn．

[3] 紀思美．自然光和LED混合照明系統在隧道照明設計中的應用[J]．照明工程學報,2013，24(3)：53-57.

[4] 徐登輝，劉志東．光導照明系統的基本原理及使用概況[J]．智能建筑與城市信息,2010，(6)：81-84.

[5] DARULA S,KOCIFAJ M, MOHELNIKOVA J.Hollow light guide efficiency and illuminance distribution on the light-tube base under overcast and clear sky conditions[J]．Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2013，124(17):3165-3169.

[6] 王善鑫．光導照明系統配光曲線的測試[J]．大連工業大學學報,2014，33(1)：66-70．

《中國照明工程年鑒(2017)》編纂工作啟動

2017年4月26日，中國照明學會在北京召開《中國照明工程年鑒(2017)》編纂工作啟動會。《中國照明工程年鑒(2017)》編纂工作組部分成員出席會議，會議由中國照明學會專職副理事長高飛主持。中國照明學會竇林平秘書長出席并致辭。

中國照明學會原理事長王錦燧向大家介紹了《中國照明工程年鑒》的重要性及編纂工作的具體要求。專職副理事長高飛就《中國照明工程年鑒(2017)》的具體內容做了詳細的介紹。與會人員就內容展開了討論，積極建言，會議就《中國照明工程年鑒(2017)》編纂工作的任務分工、計劃安排和實施方案達成共識。

The Efficiency Analysis of Hollow Light Guide System under Different Weather Patterns

SHENG Xia1，CAO Guanying1,2，XUAN Ang1，HAN Lei1，ZHANG Manxi1，ZHOU Ting1，YANG Yi1,2，HE Xiaoyang1,2

(1.School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China;2.Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China)

Taking Dalian as an example, the efficiency of hollow light guide system was mainly studied in three weather patterns, which are CIE overcast sky, CIE clear sky, and fog and haze. Three typical time periods and different ratios of length to diameter were set up to simulate and calculate the light guide efficiency by using software HOLIGILM. The results show that the light guide efficiency as the length to diameter ratio varies linearly and inversely proportional to the function.

light guide efficiency; ratio of length to diameter; weather patterns; HOLIGILM; lighting; light guide; CIE overcast sky

大連工業大學創新創業計劃訓練項目(201610152368) 通信作者：曹冠英，E-mail:gycao@dlpu.edu.cn

TU113.6

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10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.013