導光管采光系統在甘肅天水站大空間照明中的應用

許云飛

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

引言

導光管采光技術是在能源緊缺及環境問題日益突出的背景下提出的，20世紀80年代初在歐美等國家和地區已開始應用，目前比較成熟。我國該領域發展較晚，自2008年北京奧運會場館工程建設中大規模采用后，對導光管采光照明開始重視并逐漸推廣應用[1-4]。目前導光管采光技術在鐵路客站中的應用尚在探索階段，在成都南站、上海虹橋站等地下空間的室內照明中得到了較少運用[5，6]，而在地上站房大空間照明中的應用研究屈指可數。

本文簡要分析鐵路客站大空間照明的現狀及存在問題，介紹導光管采光系統的原理及組成；重點介紹了導光管采光技術在天水站站房改造工程中的應用，通過技術經濟等多方面比較得出導光管采光照明比傳統照明更加節能環保、綠色健康；希望為今后鐵路客站大空間照明設計提供借鑒和參考。

1 傳統照明及導光管采光系統

1.1 鐵路客站大空間照明

鐵路客站大空間照明主要是指在站房的進站廳、候車大廳、售票廳等公共場所設置的照明[7]，以下對其現狀及存在問題進行簡要的分析。

目前國內鐵路客站大空間照明根據站房規模及建筑形式的不同，主要分為兩種：①人工照明，全天由照明燈具提供電力照明；②人工照明與天窗采光相結合，白天由采光天窗提供自然光照明，夜晚由照明燈具提供電力照明。

1)人工照明。鐵路客站大空間照明現階段基本選用三基色熒光燈、金屬鹵化物燈或LED燈等高效光源，根據裝修形式和空間高度的不同選擇相應的光源及燈具。但即使選用高效光源和高效燈具，與自然光采光相比亦會產生能量消耗、污染物排放和引發電氣火災隱患。

2)天窗采光。隨著鐵路客站建設理念的不斷改變，采光天窗等透光圍護結構得到了廣泛應用[8]。通過引入自然光，使得旅客候車環境更加舒適，也減少了白天人工照明的開啟。但在實際使用中天窗采光也存在：局部聚光、眩光及均勻度差、有害輻射、隔熱保溫差引起空調能耗增加[9，10]、防水性差且易聚集灰塵等諸多問題。

1.2 導光管采光系統

導光管采光是一種無電照明系統，白天利用太陽光進行室內照明，可解決大進深建筑和地下建筑采光問題。

1)系統原理及組成。導光管采光系統基本原理是通過屋面設置的采光罩高效采集室外自然光，導入系統內部后重新調整，再經過導光管傳輸到室內的漫射器中，將自然光均勻高效的照射到室內場所。從黎明到黃昏，甚至陰天或雨天，導光管采光系統導入室內的光線仍很充足。該系統主要由三部分組成：室外采光區、導光傳輸區、室內漫射區。系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 導光管采光系統結構示意Fig.1 Structure indication of tubular daylighting system

2)系統優點。采光罩內可利用透鏡技術，根據日光入射的角度不同而采集適量的陽光，保證全天日光通量的均勻和穩定，并使有效日光采集表面積得到顯著提高；另導光管內利用非金屬薄膜等抑制紅外線的傳導，并能有效地防止紫外線，同時不會將太陽熱輻射傳到室內，減少室內空調負荷的消耗；漫射器采用菲涅爾透鏡技術將光線均勻地漫射到室內，使光線更加的均勻、柔和，避免眩光的產生；因采光罩表面平整光滑，經過雨水、風吹可將表面的灰塵沖刷干凈，達到自潔效果，免去了人工定期清潔的費用。

綜上，導光管采光系統與傳統照明相比較，具有以下幾種優點：①光效高：系統所傳輸的為自然光，其波長范圍為392～780 nm，顯色性Ra=100，室內光線柔和，照度分布均勻。②節能：無電力消耗，同時系統具有良好的隔熱保溫性能，減少室內空調能耗。③安全：不存在電氣火災隱患。④健康：無頻閃，不會對人眼造成傷害，使少量的紫外線進入室內，可抑制微生物生長，清除室內霉氣，改善周邊環境。⑤環保：材料均屬于綠色環保產品。⑥使用年限長：≥25年。

2 在天水站改造中的應用

天水站位于甘肅省天水市麥積區，是隴海鐵路和天平鐵路的重要車站。改造前站房建于1989年，建筑面積約為3833 m2，2016年9月啟動改擴建工程，改造后建筑面積約為10916 m2，于2018年1月竣工完成。

2.1 改造策略

本次改造工程為了盡量保存車站歷史風貌和延續文化經典，最大化地保留了老站主體，拆除部分嚴重老化、利用率較低的空間；在原有通高的第一候車室內部加建一層新候車室；在老站房南側新建出高度整合的功能空間，其中包含擴建的售票廳、進站廳及出站廳等。

由于擴建區域及新增候車夾層的出現，使站房進深倍增，為充分利用自然光線，在新建區域的大空間中設置導光管采光系統。

2.2 系統設計

本工程導光管采光系統設計選用蘇州中節能索樂圖日光科技有限公司的型號為M74和330DS產品，分別用于新建的售票廳、進站廣廳和商務茶座。

根據相關規范要求[11-13]，經過計算和照明模擬軟件visual進行照度模擬，并與室內管線及結構碰撞調整后，在上述三處區域各相應布置12套導光管采光系統，布置示意圖如圖2所示。

圖2 導光管采光系統布置示意圖Fig.2 Illustration of lighting system arrangement of tubular daylighting system

2)屋面防水。本工程擴建區域的屋面為混凝土結構，導光管采光系統需在屋面預留混凝土墩座。以M74系列為例，預留墩座為方形，完成后墩座最大寬度為900 mm，內徑為780 mm(±10 mm)。導光管采光系統屋面預留墩座節點圖，如圖3所示。

圖3 導光管采光系統屋面預留墩座節點圖Fig.3 Pillar node diagram reserved for roof of tubular daylighting system

2.3 經濟投資分析

2.3.1 費用分析

與電力照明相比，節省的主要是電力消耗和系統維護費用。

1)電力消耗費用。導光管采光系統適用于白天，平均日工作時間為10 h左右。該布置區域內另設置有34套1×150 W金鹵燈和48套2×26 W節能型熒光筒燈，用于10 h外的照明。

金鹵燈及熒光燈鎮流器的耗電量約占照明用電量的10%左右，計入鎮流器功率，每天白天照明用電量為83.6 kW，電費按1.0元/kWh計，每年白天照明用電總費用為30514元，約為3.1萬元。

2)系統維護費用。根據國家標準規定，傳統電力照明燈泡3年需更換一次，其中包括定期清潔和維修的費用。本工程電力照明每年系統維護平均總費用約為1.4萬元，導光管采光系統具有自潔功能，基本可免去此項費用[15]。

綜上，電力照明每年額外產生的總費用約為4.5萬元。

2.3.2 靜態投資回收分析

本工程共采用36套導光管照明系統，投資總費用(包含安裝費)約為54萬元。

本系統較電力照明系統年節約總費用約為4.5萬元，項目靜態投資回收周期約為12年。

上述計算尚未考慮因電力照明發熱所引起的空調能耗增加，若計入此項影響，回收周期較計算結果會進一步減小。

導光管采光系統使用年限約為25年，投資回收期會隨著應用范圍的增大而縮短，約在使用周期的1/3～1/2范圍內，即可回收投資成本，經濟效益較高。

2.4 節能減排分析

我國目前主要以火力發電為主。據統計，每生產1度電，就相應地消耗0.4 kg標準煤，同時產生的大氣污染物約為0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫和0.015 kg氮氧化物，此類有害物質會對環境產生影響。

本工程采用導光管采光系統每年可節約電能約為30514 kWh，相應可節約標準煤約為12.2 t、凈水約為122 t。可減少的污染物排放估計量如表1所示。

表1 污染物排放估計量

2.5 應用實例

天水站改擴建工程自交付使用后，導光管采光系統應用效果良好，滿足運營及設計要求。改造后的天水站實景照片，如圖4所示。

圖4 導光管在改造后的天水站的應用Fig.4 Application of tubular lighting system in the Tianshui station after reconstruction

3 工程中需注意的問題

導光管采光系統適用于年日照時數長、光照充足地區，相反條件的地區則不宜采用，在工程運用中應合理選擇。

采用該系統需在結構屋面板上預留相應尺寸的孔洞，安裝時應做好防水處理，并與室外鋪裝景觀相協調；還需與各專業密切配合，避免室內綜合管線發生碰撞，以確保工程的順利實施。

中小型鐵路客站因其規模較小，建筑形式和布局較為簡單，為在大空間照明中設置導光管采光系統提供有利條件。但大型和特大型鐵路客站相對復雜多樣，如何做到該系統與建筑形式、布局及采光天窗三者間的有機結合，是需要思考和進一步研究的問題。

4 結論

導光管采光照明在特定情況下可取代電力照明，節約能耗，減少二氧化碳等有害物質對大氣的污染，構建一個綠色健康、節能環保的照明方式。

利用導光管采光系統，讓人們在柔和、明亮的日光下出行，可改善心情，讓思維更活躍；同時還能帶來百分百的顯色性，降低錯誤率，并讓周圍事物的顏色更加生動真實。

我國近年來制定并頒布了多項建筑節能鼓勵政策，積極推動綠色建筑的發展。導光管采光屬于可再生能源利用技術，可以因地制宜地運用到鐵路客站的建設中，替代傳統照明方式，實現綠色照明的目的。