光导管照明技术在大开间教学楼中应用研究——以山东建筑大学艺术教学楼为例

张萍，房韶泽，魏晔

（1.山东建筑大学基建处，山东济南250101；2.山东建筑大学管理工程学院，山东济南250101）

光导管照明技术在大开间教学楼中应用研究
——以山东建筑大学艺术教学楼为例

张萍1，房韶泽2，魏晔1

（1.山东建筑大学基建处，山东济南250101；2.山东建筑大学管理工程学院，山东济南250101）

光导管照明技术是建筑节能领域的一种新兴技术，具有安全、高效、节约建筑用电成本等优势，在大开间教学楼项目中具有提高照明效果，节约照明耗电的应用价值。针对大开间教学楼进行光导管绿色照明技术的应用设计，文章设计了光导管的结构，阐述了光导管绿色照明技术原理，计算了光导管的传导效率，根据光导管的传导效率并结合济南市当地的光照条件，通过文献阅读、实地调查和技术研究等方法，按照山东建筑大学艺术教学楼照度设计的要求，对项目进行了光导管绿色照明技术应用设计；对光导管绿色照明技术在教学楼使用过程中的照明效果和增量效益进行了评估分析。结果表明：光导管绿色照明技术实现了教学楼一层展厅、二层门厅冬季7∶20－17∶00时间段的日间零能耗照明零能耗照明，照明亮度平均值分别达到了329.9和312.7 Lux，教学楼年节约电能189000 kW·h，节能减排效益明显。

光导管；绿色照明；增量经济效益；增量环境效益

0 引言

2015年我国年照明用电量占到了社会总用电量的10%左右［1］，随着国家经济的发展，照明用电量还将会进一步增加。节约能源，保护环境是人类发展的永恒主题，光导管绿色照明是一种利用太阳光进行室内照明的新兴技术，可以将建筑用电降低20%～30%，具有安全、高效、节约用电成本等优势［2－5］。作为绿色能源应用方面的代表，它的兴起与普及在减少照明用电量、缓解“电力危机”方面扮演了积极、重要的角色。

20世纪90年代初，美国环保局首先提出了“绿色照明”的理念，并推进美国“绿色照明工程”的进程。我国的绿色照明的相关工作于1993年底正式启动。1995年11月，我国相关单位讨论研究了我国的绿色照明实施规划，倡导将太阳光作为室内照明光源，因此，利用太阳光是绿色照明的重要领域［6］。王凡对光导管技术的应用状况及前景做了系统阐述和分析［7］，王伟针对光导管在冬季的采光性能开展了相关研究工作［8］；而Malet等通过实验模型对光导管系统能效进行了分析研究［9］；在工程应用方面，杭州卷烟厂、山东美术新馆，龙奥金座大厦等项目，以及沙特工业项目公司的百事可乐仓库项目均使用了光导管绿色照明系统并取得了良好的节能效果［10］。

目前对光导管绿色照明应用的研究多局限于工业厂房、商业建筑，在教学楼项目中的工程实践相关应用研究还缺少分析。教学楼门厅的照明满足一般照明要求即可，而展厅为使展品每个细节恰到好处地展现，实现良好的色彩效果，且不会产生视觉不舒适和炫光，设计要求统一的眩光值UGR达到20，显色指数Ra达到80。山东建筑大学艺术教学楼二层艺术教学展厅和门厅面积为805 m2，由于开间较大，仅靠开窗不能满足日间采光照度要求，为保证设计要求的照明效果，且考虑到展厅需常年对学生和来访者开放，采用传统电力照明耗电巨大。经综合论证，通过布置光导管绿色照明系统来满足大开间教学楼的照明及节能要求。文章针对光导管绿色照明系统在项目中的应用效果和其所达成的增量效益进行分析。

1 光导管绿色照明技术

1.1 光导管的结构

光导管由采光装置、导光装置和散光装置3个部分组成［11－12］。采光装置的主要构件是采光罩、安全网和墩型防水帽。采光罩采用了具有高抗冲击性能的碳酸聚酯材料，能有效过滤紫外线，安全网和墩型防水帽负责防止异物掉落与雨水渗透［13］；导光装置的主要构件是导光管，其主要作用是将太阳光经过折射聚焦传导至输出区；散光装置的主要构件是漫射器，即室内发光装置，其由多个透镜组成，将顶部采光转化成室内光源，提供照明。具体结构如图1所示：

图1 光导管的基本结构图

1.2 光导管绿色照明技术的工作原理

光导管绿色照明技术的运行不借助于电力，其基本原理是通过采光罩高效采集室外自然光线并导入系统内重新分配，再经过特殊制作的光导管传输和强化后由系统底部的漫射装置把自然光均匀高效的照射到室内。在日间，无论天气状况的好坏，都能高效的收集阳光供室内照明使用。导光管采光区通过室外采光罩收集自然光并滤除接近97%的紫外线，经过紫外线过滤的阳光进入导光区，并通过导光区的反射再过滤，滤除阳光中的红外线，到达输出区的漫射装置，然后经由漫射装置传导至室内，达到照明的目的。同时，通过对采光装置和漫射装置的材料优化配置，进一步加强阳光收集能力与传导效率，减少阳光的传导损耗，且把热量和紫外线拒之室外。

1.3 光导管的传导效率

影响光导管传导效率的因素有很多，包括天气状况、季节变化、光线的强度和照射角度、导光管部分所用材质和尺寸等因素，此外，人为造成的雾霾也会不同程度上削弱光导管的传导效率。在日间，光导管的光传导效率受不同时刻的阳光亮度的变化影响。假设在天气状况为晴天的条件下，选取全年的偶数月作为研究样本，通过王书晓的研究及国际照明委员会制定一般天空亮度模型［14］，对光导管传导效率进行计算，结果如图2所示。从图2中可知，光导管的传输效率变化趋势呈现抛物线状，与全天中阳光亮度同趋势变化。

图2 光导管效率变化曲线图

2 光导管绿色照明技术的应用设计

2.1 应用案例

山东建筑大学为积极响应国家节能减排的号召与政策，倡导绿色、节能环保，推广各种创新节能技术，在教学楼的展示室和二层门厅安装索乐图公司阳光大师系列光导管绿色照明系统，现已投入使用。教学楼工程于2016年12月荣获由山东省照明学会、山东省照明电器协会、山东省信息产业协会和山东省节能环保低碳协会联合颁发的山东省绿色照明奖建筑照明施工二等奖。

2.2 济南市光照条件

由于我国幅员辽阔，各地阳光照射条件不尽相同。20世纪80年代，中国科学家根据全国设置在北京、上海、西安、广州等城市的14个监测站收集的辐射光当量值数据，对全国进行了光气候的分区［15］，济南市属于Ⅲ类气侯区，如图3所示。济南市的气候属于典型的温带季风气候，阳光照射充沛，具备良好的天然采光条件，但由于雾霾的影响，会对光导管采光效率造成一定的影响。根据收集到的济南市的气候数据，选取偶数月份作为样本，绘制了济南市的散射光照度和直射光照度在全年的变化趋势图，如图4、5所示。并统计了偶数月份散射光照度和直射光照度，见表1。通过对济南光照条件的分析可得出，12月济南市的散射光照度和直射光照度均为样本月份最低值。根据光导管的传导效率随光照条件的变化而变化，在全晴天空的条件下，12月份的光导管传输效率亦达到最低，因此以12月份光照条件为基础，对增量效益评价进行分析，得出光导管绿色照明系统所能实现最低增量效益。

图3 中国光气候分区图

图4 济南市散射光照度分布图

图5 济南市直射光照度分步图

表1 济南偶数月份总照度分析表／kLux

2.3 采用的光导管技术

2.3.1 光线弯折技术

项目中采用的光导管采光罩使用了光线弯折技术，较普通采光罩有更强的光线收集能力。整个采光罩具有紫外线过滤涂层，其内部使用罗盘将反射面朝向太阳，可以最大限度的收集太阳光，考虑到正午强烈的阳光直射，在采光罩顶部涂抹了阳光反射涂层，有效降低正午时的热效应。在非顶部区域，可以将照射在采光罩各个位置的太阳光折射至于水平面夹角90°的方向，垂直向下，将太阳光的收集效率最大化，并且将太阳光造成的热效应大幅降低。

综上，项目所采用的技术主要有以下3个优点：

（1）反射正午直射太阳光，降低自然光照明的热效应；

（2）低角度阳光垂直转向，使阳光收集效率最大化；

（3）抵挡紫外线，过滤对人体有害射线。

2.3.2 极限导光管技术

导光管是光导管绿色照明装置中间部分的导光元件，在山东建筑大学艺术教学楼工程项目中采用的导光管使用了极限导光管技术，该技术较普通光导管的优势主要有：（1）具有出色的光谱反射率，经实验测算，光谱反射率最高可以达到99.7%；（2）经过导光管进入室内的光显色指数CRI值接近100（太阳光的显色指数定义为100），CRI是衡量人工光源颜色特性的重要参数，被广泛应用于评价人工照明光源。，它的数值体现了太阳光的色彩真实度；（3）该技术的日光传输距离超过18 m，具有更强的照明能力，可以为大面积场馆提供良好的照明效果；（4）管内涂有一层碳涂层，可以吸收太阳光中的大部分红外线，保护使用者免受红外线伤害。

2.3.3 日光漫射器

日光漫射器是根据灯盘的尺寸，由许多透镜组合而成，可将顶部聚集的太阳光均匀地分散释放，避免了炫目的光源，使照明效果更加柔和、自然。日光漫射器部分还添加了一层紫外线过滤网，进一步对紫外线进行过滤，使光源更加健康舒适。

2.4 使用区域信息及设计要求

项目位于山东建筑大学艺术教学楼展厅、二层门厅，用于白天照明。按照照度设计要求，艺术教学展厅设计共使用照明设备30套，二层门厅设计共使用该照明设备24套，直径均为530 mm，设计照度均为300 Lux，充分满足使用要求，为室内提供了均匀舒适的自然光照明，具体分布如图6、7所示。

2.5 实际照明效果

按照设计图纸进行施工，艺术教学楼二层展厅和门厅的光导管绿色照明设备已全部安装到位，实现了冬季7：20～17：00时间段的日间零能耗照明。艺术教学楼二层展厅和门厅的实测亮度如图6、7所示。

图6 艺术教学展厅布置情况图／mm

图7 二层门厅布置情况图／mm

表2 艺术教学展厅照明亮度数据

表3 二层门厅照明亮度数据

从表2和3数据可以得出光导管绿色照明系统的照明效果良好，艺术教学展厅和二层门厅的亮度平均值分别达到了329.91和312.71 Lux，充分满足了场馆日常运营的照明需要。

3 光导管绿色照明技术增量效益分析

房屋建筑在日常运营中，光导管绿色照明技术的增量效益主要体现在经济和环境两个方面［16］，经济方面的效益是照明技术在运营过程中带来的直接效益，环境方面的效益是照明技术在节约能源保、保护环境方面带来的间接效益，因此绿色建筑全生命周期的增量效益计算可采用式（1）表示为

3.1 增量经济效益分析

根据厂家提供的数据，一套该型号的光导管灯具的流明输出约为15000 Lm，相当于一盏功率为1200 W的大型照明灯，按全年每天使用8 h计算，相当于节电3500 kW·h，由于光导管绿色照明技术的最突出的特点是降低建筑物的能耗，即节约电能的使用，所以可以将光导管绿色照明技术在用电方面的增量经济效益表示为年节电效益，年节约经济效益是指光导管绿色照明技术相比传统照明技术和设备所节省用电能，按照式（2）计算为

式中：S节电为光导管绿色照明系统一年内节省的总用电量，kW·h；Q节电为每套光导管灯具每年节省的电量，kW·h；N为光导管绿色照明灯具的数量。

项目共使用光导管绿色照明灯具54套，则每年节约电能计算为

由于光导管绿色照明技术的零能耗，由此看出在电能节约方面其所带来的经济效益用节约电能表示是189000 kW·h，相比于传统的电力照明技术，每年能够有效的降低教学楼的电能消耗。

3.2 增量环境效益的分析

光导管绿色照明技术的增量环境效益，直接表现为降低CO2的排放量，间接表现为减少燃煤使用量。根据厂家提供数据，每套光导管绿色照明设备的年节电量转换成标准煤为1400 kg，可分析计算光导管绿色照明技术的增量环境效益如下：

（1）降低CO2排放量

由于采取了节能环保的措施而降低了CO2排放量，对这部分减排的CO2的处理成本被称为CO2的减排效益。CO2的减排效益根据式（3）计算为

式中：SCO2为艺术教学楼项目CO2年减排效益；PCO2为每t的CO2处理成本；N为光导管绿色照明灯具的数量；E煤为每套光导管绿色照明设备的年节电量所减少消耗的为标准煤的量；TCO2为每t标准煤经过充分燃烧产生的CO2量；其值为2.66～2.72 t，根据CO2处理工艺不同，其处理所需的成本为205～486元／t［9］。每t煤燃烧后CO2取最大值，假设取中间价格CO2处理技术，按照350元／t计算，则经过计算每年产生的CO2减排效益计算为：

由式（3）可以看出，山东建筑大学艺术教学楼项目的光导管绿色照明技术每年CO2减排效益达到71971元，大幅节省社会所需要环境处理成本，同时减少了CO2的排放，对保护大气环境做出有益贡献。

（2）减少燃煤使用量

由于采取了节能环保的措施而减少了燃煤的使用量，对这部分燃煤减少量所节约的成本称为燃煤节约效益。燃煤节约效益根据以下式（4）来计算为

式中：S煤为艺术教学楼项目燃煤节约效益；P煤为每t标准煤的价格；N为光导管绿色照明灯具的数量；E煤为每套光导管绿色照明设备的年节电量所消耗标准煤的量。

根据从山东省煤炭工业局取得的调研数据得知，2016年市场上每t标准煤价格在400～600元之间［17］，这里取中间价格500元／t。则经过计算每年产生的燃煤节约效益计算为

S煤＝500×1.4×54＝37800（元）

4 结论

（1）艺术教学楼展厅和二层门厅冬季7：20～17：00时间段的日间零能耗照明，照明效果良好，艺术教学展厅和二层门厅的亮度平均值分别达到了329.91和312.71 Lux，充分满足了场馆日常运营的照明需要。

（2）光导管绿色照明技术的增量经济和环境效益显著，按全年每天使用8 h计算，相当于节电3500 kW·h，年节约电能189000 kW·h；年燃煤节约效益37800元；年CO2减排效益71971元，减少了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

张萍（1967－），女，高级工程师，硕士，主要从事工程项目管理等方面的研究.E-mail：zp1967＠sdjzu.edu.cn