光導照明技術在工業園區及公共建筑中的應用

鄭明悟 褚以衛

摘要：光導照明技術是太陽光能利用的一種方式，該技術為光能的高效傳輸提供了可能的途徑。本文對光導照明技術的研發歷史做了回顧，并緊密結合工程實踐，對光導照明系統在工業建筑工程中的應用做了重點總結。基于當今綠色建筑的發展趨勢，文章最后對該技術的未來發展方向做了個人分析，即光導管技術與自動調光、自然通風等技術相結合，可以使光導管的功能更加完善，在采光的同時使室內保持良好的自然通風，對于建筑節能和改善室內空氣品質具有積極意義，其應用必將更加廣泛。

關鍵詞：光導照明 綠色照明 自然采光 自然通風

1 引言

能源和環境是全球共同關注的焦點。隨著社會的發展，照明用電的迅速增加，不但增加大量的電力投資，牽制國民經濟的發展，而且還會產生大量污染。

天然光是大自然賜予人類的寶貴財富，相比其它能源具有清潔、安全的特點。充分利用天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。

1991年1月美國環保局（EPA）首先提出實施“綠色照明（Green Lights}”和推進“綠色照明工程（Green Lights Program）”的概念。1993年11月中國經貿委開始啟動中國綠色照明工程，1995年11月16日召集八家單位研討“中國綠色照明實施規劃”，其中的一條就是倡導自然采光。因此，天然采光是綠色照明的重要方面。

采集太陽光的光導管綠色照明系統，能夠把白天的太陽光有效地傳遞到室內陰暗的房間或者不適宜采用電光源的空間如易燃易爆房間，改變目前很多建筑“室外陽光燦爛，室內燈火輝煌”的局面，可以有效地減少電能消耗。光導管還可以用于建筑地下室的自然采光或輔助照明，并能取得良好的采光照明效果，是太陽能光能利用的有效方式。

在工業建筑改造和新建建筑中，大空間中分隔小空間，以及地下室空間、豎向和水平穿插的復雜空間較多，利用光導管系統可將自然光有效地傳遞到所需要的空間中，以解決大空間、大進深工業建筑的自然采光問題。

2 光導照明系統的基本結構和類型

光導照明系統也稱導光管采光系統，是一種用來采集天然光，并經管道傳輸到室內，進行天然光照明的采光系統，通常由集光器、導光管和漫射器組成（《建筑采光設計標準》（GB50033-2013））。

集光器主要由采光罩和防雨裝置組成。屋面采光罩應具有耐候性和抗沖擊性，外觀造型有半圓形、平板型和異形等。半圓形采光罩的直徑可以根據工程需要設計，最大可做到2.4m;

導光管由標準管、彎管、延長管和下部的固定環組成。導光管內壁為高反射材料，反射率一般在98%以上，導光管可以通過各種角度的彎管伸向需要采光的建筑室內。導光管目前最長可做到20m。常用導光管直徑為330mm～750mm，大型導光管系統的導光管直徑1000mm～2400mm;

最底部就是室內漫射器。漫射器的作用是使室內光線分布均勻，避免眩光。因此應具有較強的透射性和散光性，使光線均勻地分布到室內作業面。

上述系統組成詳見“導光管采光系統結構構成示意圖”。

從采光方式上分類，光導管有主動式和被動式兩種。主動式是通過一個能夠跟蹤太陽的聚光器來采集太陽光，這種類型的光導管采集太陽光的效果較好，但是聚光器的造價昂貴，很少在建筑中采用。目前應用較為廣泛的是被動式光導管，聚光罩和光導管本身連接在一起固定不動，聚光罩多由PC材料或有機玻璃注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱。這種類型的光導管主要由聚光罩、防雨板、可調光導管、延伸光導管、密封環、支撐環和散光板等組成。

從光導管的安裝方式上來分，又分為頂部采光和側面采光兩種。目前國外應用的采集太陽光的光導管系統多采用頂部采光，側面采光起初不多，近些年來的應用逐漸增多。

3光導管技術的國內外研究現狀

光導管自出現以來，人們一直沒有停止對它的研究和改進，最初人們研究光導管主要是為了傳輸燈光，到了上個世紀80年代以后才開始研究采集太陽光的光導管系統。

國外光導管技術的研究相對比較成熟。俄羅斯和美國在這個領域里成績斐然。1880年，俄國的Chikoleve.、Wheeler、Molera和美國的Cebrian分別公開了他們有關光導管的發明。1881年Wheeler在美國中請了第一個光導管專利。由于系統結構簡單、安裝方便、成本較低、實際照明效果好，因此在國外發展迅猛，多家跨國公司都生產此類產品。

我國目前還不具備大規模生產光導管的能力。主要原因是我國還沒有掌握光導管用的高反射率薄膜的生產工藝。光導管的傳輸效率有待進一步提高，在基礎理論研究和產品設計、實踐操作等方面的工作還很不夠，因此在我國光導管技術在大規模進入市場的同時，導光管的核心技術——聚合物薄膜仍然需要進口。

4 建筑用光導管技術的應用實例——首鋼遷鋼能源中心項目

4.1項目概述

首鋼遷安鋼鐵有限責任公司配套完善能源中心項目，是一座集能源管理及控制、辦公、參觀、接待、會議等功能為一體的綜合性多層建筑。總建筑面積11800㎡。地上5層，地下1層，建筑高度19.85m。

在設計方案階段，采用國際上較為成熟的節能減排技術：實現智能技術的應用、保持地表水回流系統、建立環保有效的外遮陽系統、太陽能的綜合利用、照明系統的節能等，本文重點介紹光導照明系統在本項目中的應用。

4.2 預期效果及系統設計

本項目作為首鋼遷鋼的能源中心，設計力圖充分體現能源的有效利用，而光導管照明技術又是較為直觀的表現形式。因此，作為設計方提出的這一構想得到了業主的充分肯定，并明確要求力求在室外晴天狀況下，室內的這兩個大廳的環境照明可以達到不使用或者盡量少使用人工照明，以體現可再生資源得以充分利用的設計理念。

由此，作者對這兩個空間的采光等級、采光系數標準值、室內天然光照度標準值等設計參數進行了設定，并同電氣專業對這兩個大廳的天然光照明和人工照明進行系統設計，并使其相互補充、相互融合。

指揮大廳及遠控大廳位于首鋼遷鋼能源中心的首層，使用面積分別為600㎡和450㎡。吊頂高度5.5m～7.5m。設計擬采用高效節能燈具與光導照明系統相融合的方式，并結合聲控系統、門禁一卡通系統，最小限度地使用人工照明，設計意圖擬在室外晴天甚至全陰天環境下，室內天然光照明與人工照明互為補充。600㎡的指揮大廳呈同心圓形均勻排布28組光導管，450㎡的遠控大廳呈同心圓形均勻排布25組光導管，則室內平均18㎡～21.4㎡均勻布置一個光導管。光導管前后排距2500mm，左右間距3000mm～5500mm（隨同心圓半徑增大而由小漸大），左右之間均分別布置人工照明的圓盤LED吸頂燈，可在室外全陰天狀況下進行人工補充照明，或在夜間停用光導管系統時進行人工照明。光導管外徑530mm，中段導光管長度均為4500mm。由光導管下端的漫射器至工作面（均按距地1m計）的凈高分別為5.0m、5.4m、5.8m、6.2m、6.4m。

根據現行的國家標準《建筑采光設計標準》（GB50033-2013），辦公室、會議室、閱覽室、控制室等場所的采光等級為Ⅲ級，則指揮大廳及遠控大廳的采光等級可設定為Ⅲ級。即采光系數標準值設定為2%，室內天然光照度標準值≥300lx。詳見“表4.0.8 辦公建筑的采光標準值”、以及“表4.0.15 工業建筑的采光標準值”。

根據設備廠家所提供的設計參數表——詳見“導光管采光系統設計參數表”，我們預期項目建成后，在室外晴天狀況下，設定室外照度值為45Klx時，經使用光導管照明系統的能源大廳和遠控大廳，其工作面的照度值約為80lx～120lx之間。而指揮大廳及遠控大廳的采光等級設定為Ⅲ級，要求室內天然光照度標準值≥300lx，這樣，建筑專業與電氣專業協同，將光導管與吸頂燈間隔排布，人工照明選用圓盤型LED燈具，每個燈具的功率為54W。經計算，天然光與人工照明的混色光在工作面上的照度標準值≥400lx（因初次應用，且考慮全陰天狀況下的使用效果，故設計預留一定的余量）。詳見“調度大廳燈具布置圖”、“遠控大廳燈具布置圖”、“能源大廳與遠控大廳剖面圖”及“能源大廳與遠控大廳剖面局部放大圖”。

4.4 光導管照明系統構造安裝

光導管照明系統的組成本文前面已述及，此處詳細介紹在首鋼遷鋼能源中心項目中的構造設計。

4.4.1 采光罩的安裝構造

半圓形和異形采光罩適用于各種平屋面。半圓形采光罩的安裝構造通常分為三種基座做法。

一是利用成品高密度聚乙烯專用波紋管做模板現場澆制。具有施工簡單，和較好的保溫隔熱效果。二是鋼筋混凝土基座邊緣帶出挑。三是鋼筋混凝土無邊基座。

平板型采光罩為正方形平面，只適用于停車屋面，安裝洞口的四周均做翻邊，翻邊的頂面高度低于屋面設計標高130mm。

首鋼遷鋼能源中心項目的光導管照明系統采用半圓形采光罩的第二種構造方式，即鋼筋混凝土基座邊緣帶出挑，并考慮保溫和隔熱效應，基座四周加設50mm厚聚苯板。采光罩材質是5mm厚PC板（聚碳酸酯板），由專業廠家一次擠壓成型。透光率≥90%，密度1.2g/cm3，紫外線透射比=0（即具有完全過濾紫外線功能），顯色指數≤95，傳熱系數≤1.6W/（㎡·K），適用溫度-45～125°C。1.4mm厚鋁合金板防雨裝置（即防雨罩）也由專業廠家定型制作。

4.4.2 導光管的選用與安裝構造

本項目導光管采用直段式導光管，無彎管。直段式導光管的口徑530mm，長度4500mm，光學反射率≥99%，材質為0.8mm厚不銹鋼板內附聚合物薄膜，連接方式采用卡口式縫合連接，并加設鋼絲繩牽拉在導光管中部的固定環和屋頂網架之間，以加強牢固度。詳見下圖：

4.4.3 漫射器的選用與安裝構造

漫射器材質為0.6mm厚PC板（即聚碳酸酯板）制作，透光率≥90%，密度1.2g/cm3，重量0.72kg/㎡，紫外線透射比=0（即具有完全過濾紫外線功能），顯色指數100，傳熱系數≤1.6W/（㎡·K），適用溫度-45～125°C。漫射器的表面具有陣列式螺紋透鏡組。

4.5 光導管應用驗證

首鋼遷鋼能源中心項目于2012年6月竣工并投入使用以來，設計方先后兩次對項目的使用情況進行了回訪。經調查，在室外晴朗天氣狀況下，能源大廳和遠控大廳在不使用人工照明時，光導管照明到達工作面（按距地1.0m計）的照度值為90lx～115lx之間，滿足了業主的需求，達到了預期的效果。按每小時節約13千瓦、每度電0.8元、每日按8小時計，全年可為業主節省3萬余元。按光導管照明系統的正常使用壽命25年計，可為業主節省65萬余元（25年×3萬-10萬投資）。其社會效益、環境效益和經濟效益均令業主滿意。見項目效果圖及建成后的實際照片。

5 光導管照明技術的發展展望

光導管技術為高效的光能傳輸提供了一種有效的途徑，采集太陽光的光導管綠色照明技術是綠色能源科技的一部分，屬于可持續發展能源技術。鑒于目前國內外的研究與應用，作者對光導管照明系統的未來發展趨勢有如下的展望。

一是光導管照明技術調光裝置亟需改善。可根據客戶的需求，將自動調光裝置與電力照明調節裝置集成化，將會提高室內照明的舒適性。

二是光導管照明技術在側墻方面的應用將會更加廣泛。畢竟從側墻上開洞，要比在屋面及樓板上開鑿較大洞口的安全性高得多，這項技術將有利于既有建筑的大面積推廣。

三是光導管照明技術將會更廣泛地應用于大型工業廠房的新建及改建項目，以及其它大空間建筑中。在光導照明技術應用之前，天窗采光的方式被廣泛用于大型廠房，但天窗采光有容易產生局部聚光現象等缺陷 ;而自然光光導照明不會因光線入射角的變化而改變，且照射面積大、出射光線均勻、無眩光、不會產生局部聚光現象。采光天窗受室內吊頂結構及傳輸距離的限制，采光面積相對較大，導致安裝難度較大、防水不易處理，而自然光光導照明針對不同的屋面有不同的安裝方法及防水措施，不受室內吊頂結構等的影響。在光線傳輸方面，小孔徑自然光光導照明傳輸距離可達 6m 左右，大孔徑自然光光導照明傳輸距離可達20m 以上，并且還可以使用彎管，這使得系統的安裝更加靈活，適應性更強。

四是光導管照明技術的內涵有擴容的趨勢。發展趨勢將更偏重于光導管和其他建筑環境技術的結合，從而為建筑節能和改善室內環境品質發揮更大的作用。開發與自然通風相結合的光導管系統將進一步拓寬光導管的應用范圍，滿足建筑物對自然采光和自然通風的要求，可以使光導管的功能更加完善，在采光的同時使室內保持良好的自然通風，對于建筑節能和改善室內空氣品質具有更加積極的意義。

參考文獻

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2 中國建筑標準設計研究院組織編制 中華人民共和國國家建筑標準設計圖集《平屋面建筑構造》（12J201） 2012年6月1日起施行

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