太阳光导入器在北京城区应用的建筑光学关键技术研究

张 昕 袁宗南 詹庆旋

(1.清华大学建筑学院，北京 100084;2.(中国台湾)袁宗南照明设计事务所，中国台湾 114)

1 前言

本项目在北京市自然科学基金与台湾合作科研课题支撑下，至今已开展四年，中国大陆 (清华大学建筑学院、北方工业大学建筑工程学院、北京市建筑设计研究院、浙江五矿进出口公司)、中国台湾 (中原大学、袁宗南照明设计事务所)、日本(La Forêt Engineering Co．，Ltd．)的相关学者针对太阳光导入器在东亚地区大城市 (北京、台北、东京等)应用的建筑光学关键技术开展科研合作。

本项目组系统梳理了管式太阳光导入器的相关理论与应用实践，针对“北京城区太阳光导入器应用”这一特定命题，通过2008年、2009年两年的逐时测试，获取了全光谱的系统传输数据。该数据用以补充各类太阳光导入器于北京城区应用的横向比较研究，并指导太阳光导入器的研究发展。本研究为未来北京地下空间的照明节能与环境舒适性改善，以及太阳光导入器的低成本推广提供技术支持。

2 研究内容与研究方法

本课题在分析国内外实践探索的基础上，以北京市的太阳光导入器应用为实验模型，探索适宜北京地下空间照明应用的太阳光导入系统。具体的研究内容和研究方法如下:

(1)太阳光导入系统的比较分析

比较各类太阳光导入系统的实践应用和关键技术，分析不同类型地区和建筑空间的太阳光导入系统应用策略。通过广泛查阅文献以及对相关工程实践的调查测试，尝试从多个角度进行系统总结，对研究和实践所涉及的关键技术进行深入分析并按照类型进行系统比较。

(2)太阳光导入器的系统效率

以实验性的分析方法，获取北京城区光气候条件下太阳光导入器的“可见光”系统效率。将不受遮挡的清华大学建筑馆顶层设备间改造为太阳光导入器系统实验室 (详见图1)，同时记录到达集光器与导入室内的光通量数据，获取太阳光导入器的“可见光”系统效率。

图1 清华大学建筑馆的太阳光导入器测试系统图

评估北京城区光气候条件下应用太阳光导入器系统提供地下空间照明的合理性。连续记录室内接收端的光学数据 (光通量、光谱等)，开展为期两年的数据采集 (典型日数据可参见图2，如春分日的“昼时日平均”光通量为1096.4lm、相关色温为5461.6K、平均显色指数为84.6)。利用软件对全时数据进行分析，完成对2008、2009年北京城区应用太阳光导入器的数据评估。

图2 春分日输出的“昼时日平均”光谱分布图

3 研究结论

3.1 太阳光导入系统的比较分析

管式太阳光导光系统类型研究主要依传输方式划分，包括光线透镜式、空腔镜面反射式、空腔棱镜式和实体核心方式。在相同条件下，系统效率由低到高依次为光线透镜式、空腔镜面反射式、空腔棱镜式和实体核心方式。就目前的应用领域而言，空腔镜面反射式的导光系统依然是主要的应用对象，因为其具有经济和效率的综合优势，但该类型的系统效率已经很难得到大幅度的提高。实体核心方式是目前研究的重点之一，其优势在于:

(1)传输部分的柔韧性较好。相比其他传输方式，无论塑料光纤还是石英玻璃光纤都可以自由的大角度弯曲，在设计和施工上具有“自由度”优势，能方便地把阳光送达室内的任何地方，在已建和新建建筑物中的安装均相对方便。

(2)传输效率较高。在相同条件下，四类传输方式中理论上效率最高的为实体核心方式 (即光纤传输方式)。它的传输效率主要取决于传输长度而不是空腔管体直径。除了传输长度这个主要因素之外，实体核心方式传输光线的能力还受光入射角度、光通量、色度、温度、材料折射率影响。材料物理层面上的衰减也会带来传输损失。此外，如果光纤的温度环境改变，尤其是温度升高超过了光纤材料的热承受能力，光线的传输问题将变得非常复杂。

(3)调试、校准和维护方便。其他三类传输方式在使用时需要对各组成构件进行较为复杂的调试和校准，尤其是光线透镜式，其传输光线的效率非常依赖于准确的校准和调试。此外，其他三类传输方式的空腔体在使用中易存在污浊，透镜和镜面的洁净度直接影响传递光线的效率。光纤传输的构件结构清晰简洁，管径小且传输部分无透镜组件，光纤入射端主要密闭搭载主动式集光器，调试、校准和维护相对方便。

(4)光纤占用空间较小且发出端小型、灵活利于设计整合。其他传输方式的传输部分所需空间较大，需详细分析与建筑的结合方式。

但现阶段，按单位导入光通量的成本估算，太阳光导入器的价格相对较高。以2009年8月的测试为例，一台六棱镜组集光器+30米光纤的导入光相当于1支46W白炽灯，目前仅适用于对光谱有较高要求的特殊空间，如医院、养老院、光治疗室、水族箱等空间。更新材料、降低造价、通过设计减少光纤长度、结合建筑的有效应用策略等是目前应用该类传输方式的主要研究内容。

3.2 太阳光导入器的系统效率

经过测试，当系统工作时(“逐日”系统启动时)，Himawari系统的“六棱镜组集光器+30米光纤传输部分”的系统效率 (室内“光分配器”效率未计入在内)约为40～45%，该系统效率值的计算方法详见表1。该数据为结合光导纤维进行散光装置设计以及空间中辅助人工照明的设置都提供了基础信息。

“集光器+传输部分”系统效率的主要影响因素如下:

(1)采光球罩表面清洁程度。按四个月维护计，清洁两个月后的透光比约为90.7%，清洁四个月后的透光比约为84.1%，可以推算出刚清洁过后的系统效率约为45.6%。

(2)光纤路径损耗。本试验采用的是日本进口的30米玻璃光纤，路径损耗较低。

(3)2008年、2009年北京城区应用太阳光导入器的数据评估

表1 系统效率计算样表 (2009年4月15日12时)

3.3 2008年、2009年北京城区应用太阳光导入器的数据评估

根据两年的连续观测 (2008年3月至2010年2月)，太阳光导入器的系统实验模型提供了本课题研究的主要数据信息如下:

(1)光通量

①按光通量的数值等级分析，100～700lm的中等水平的光通量最多，占有全部数据的51%，其次为低水平的光通量 (＜100lm)占39%，较高水平(＞700lm)的光通量占12%。

②按时间分布分析 (详见图3)，全年在初期(1月、2月)和末期 (11月12月)所获得的光通量相对较低，年中 (6月、7月、8月)相对较高。通过对比美国EPA所有的北京天然光照度统计的结果也可以发现同样的趋势，即年中的天然光条件整体上要优于年初与年末。

图3 月光通量有效值与时间关系曲线

③按数据分布的稳定分散程度分析，就两年的数据统计，12月、1月和2月的数据相对稳定并绝大部分数据分布在较低水平 (300lm以下)，太阳光导入器系统在这几个月份中无法提供充足的照明条件;6月、7月、8月、9月和11月的数据两年差距较大，并不具有一致性。例如，2008年8月的光通量水平均维持在较高水平，高于700lm的天数占全月的74.2%，2009年8月的大部分数据 (77.4%)集中在300lm以下，这是由于天气条件的不稳定性造成的。由于天气条件的不稳定性，太阳光导入器系统在这四个月中需要紧密结合人工照明进行补充;其余月份数据分布相对分散，各个等级水平的光通量分布相差不大。

④经过逐时数据采集，可以发现光气候条件(2008年、2009年相差较大)、奥运会环境治理、汽车数量、污染企业开工情况等外部条件对于太阳光导入器系统的使用是有较大影响的。项目组将同国家气象局合作，密切关注北京城区直射辐射的变化趋势，动态更新评估结果。

(2)相关色温

①按相关色温数值的等级分析，全部数据在3000K～4500K区间分布为最多，达到了54%，其次为4500K～6000K的21%。

②按时间分布分析 (详见图4)，7月、8月、9月三个月的相关色温有效数值较高，其中2008年9月的月相关色温5566K为全部获取数据最高。一年中的年终和年初 (11月、12月、1月和2月)的相关色温偏低，在3000～4500K区段;春季 (3月、4月、5月)的数值则集中在3000～4500区段;8月、9月、10月的数值分布比较稳定，集中在4500～6000K区间;6、7两个月的数据分布相对分散，缺少稳定性。在分析太阳光导入器系统应用时，需要了解环境的光色要求，在不同月份使用中进行相应调整。

图4 月相关色温有效值与时间关系曲线

(3)显色指数

除因天然光条件较差 (逐日装置未启动)而无法采集到显色指数外，两年内约50%的显色指数分布集中于80～90的区间。

(4)数据变量 (光通量、相关色温、显色指数)之间的关系

①全部数据中，光通量变化范围较大;显色指数和相关色温变化范围较小，分布在各自比较集中的区间 (平均显色指数70～90;相关色温3000～6000)内，二者不随光通量变化而产生较大变化。

②光通量较低时 (小于300lm)，相关色温和显色指数的分布都在相对较低区间;光通量较高时(大于700lm)，相关色温分布在较高区间4000～6000K(93.3%)，显色指数全部大于80。由于光通量能够较大程度的反应天然光整体条件，因此呈现出了上述变量关系。

4 研究展望

(1)提出“日光终端光纤”的光导照明具体方式

完善模型与模拟试验相结合的研究方法，评测并评估光导照明系统下使用空间的环境质量和节能效益，提出适合地下空间使用功能的“日光终端光纤”的光导照明系统。

(2)分析光导传输系统和与人相关要素之间的主要关系

针对地下空间中的使用者，基于建筑环境行为和心理学的研究方法，在建筑光学层面分析并改进光导传输系统的应用技术，探索光导传输系统和与人相关要素之间的主要关系。

(3)提出光导传输系统的建筑设计整合策略

结合北京市地下空间的设计实践展开使用评估。依据日照时数、传输距离、使用功能等对于拟采用该技术的项目进行位置规划并编制模拟分析软件。提出可供推广的追踪收集器的构造策略与立面整合策略。

［1］http://www．himawari．com．cn/news/2009．2．

［2］Muhs，Jeff．Hybrid solar lighting doubles the efficiency and affordability of solar energy in commercial buildings．CADDET Energy Efficiency．2002b．

［3］Muhs，Jeff．Design and analysis of hybrid solar lighting and full-spectrum solar energy systems．SOLAR2000 Conference．Madison，Wisconsin，USA．2002．

［4］L．Curt Maxey，Melissa V．Lapsa．et al．Hybrid Solar Lighting:Final Technical Report and Results of Field Trial Program．OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY，U．S．DEPARTMENT OF ENERGY，Oak Ridge，Tennessee，USA．2008(9):A-11～A-14．