深圳地铁9号线导光管采光系统应用实践

马沙，刘永祥

（深圳市地铁集团有限公司 深铁建设集团有限公司，广东 深圳 518026）

在经济快速发展的时代，由于能源危机压力和可持续发展需要，绿色技术创新和引入成为未来发展的必然趋势。我国天然光资源丰富，深圳市更是具有独特的地理气候条件，年平均总照度高达30 000 lx以上，若能将这种得天独厚的优势合理应用于地下建筑中，将减少大量照明用电和温室气体排放，降低照明运营费用，同时有益于改善地铁空间环境，提高乘客的舒适度[1-3]。

1 导光管采光系统概述

导光管采光系统（简称导光管系统）通过室外的采光装置采集自然光，经导光管高效反射及传输后，由漫射器将自然光均匀导入室内需要光线的任何地方。从黎明到黄昏，甚至阴天或雨天，该系统导入室内的光线都十分充足。系统具有气密性、水密性及抗风压等性能，设置合理的断桥导流措施可保证系统的防结露能力，并在导光管与孔洞之间采取了相应的保温措施。导光管系统主要由集光器、导光管、漫射器等部件组成（见图1），导光管构造示意见图2。

导光管以铝制材料为主，为保证传输效率，管内壁表面镀有5层薄膜，管道厚度不低于0.4 mm。表面管壁材料的反射比高达99%，具有可调节方向的功能，使用寿命大于20年。

采光罩由光学级PMMA材质制作而成，厚度均匀（≥4 mm），具有抗老化性能，且材料安全无异味，可隔绝90%以上的紫外线。另外，材质自身拥有高透光性、较强的耐磨擦性和抗冲击性。

图1 导光管系统主要组成部分

图2 导光管构造示意图

集光器采用添加抗紫外线的PC材质，可见光透射比大于85%，管壁材料的反射比高达99%，漫射器可见光透射比在90%以上，可隔绝90%以上的紫外线。集光器要求具备一定的抗冲击性，从1 m的高度落锤到其上不得产生裂纹或孔洞。平板集光器应满足行人、消防车辆等通行，承载能力高于60 kN[4-5]。

2 方案设计

深圳地铁9号线深圳湾公园站北侧为深圳市致力打造的高品质人文旅游、国际创意生活空间的中心——欢乐海岸，南侧为可以直接观赏大海和红树林景色的旅游观光胜地，以植物为题材，突出以自然为本的环境优美、设施优良、服务一流的现代化城市公园——海滨生态公园。为使车站景观与周边环境充分融合、和谐统一，站内公共区域能延续地面的绿色生态环境和理念，站内装修设计将车站柱子及天花板装饰成棵棵绿树，实现地下空间和地面景观的紧密结合，同时在站厅设置了2面马赛克的艺术墙，以展示红树林自然保护区的自然风光。为提高展示效果，期望引入自然光使地下空间营造出自然生态的空间环境，增强站内建筑空间体感。采用导光管系统是一种有效的解决方案[6]，深圳湾公园站站内导光管效果见图3，站外导光管实景见图4。

2.1 平面布置方案

图3 站内导光管效果图

图4 站外导光管实景图

车站标准段宽28.4 m，主体上方有宽约16 m路中绿化带，为设置导光管系统提供了良好条件。导光管系统位于休闲景观区域，因此不仅要满足地下空间的采光和照明节能要求，还需要与景观环境相协调。为保证装修方案整体效果减少顶板开孔，在站体中部设置2个7.9 m×3.3 m采光天井，两侧各设置3个2.4 m直径的导入系统，采光系统覆盖范围约500 m2[1-3]。导光管系统平面布置见图5，导光管系统在站厅布置见图6。

2.2 照明设计

因光线在导光管系统中传输比在空气中传输的光损小，所以导光管系统可通过很小的采光面积（1/6天窗面积）就能达到天窗采光的效果。英国诺丁汉大学研究表明，室外同样的采光面积在工作面上的光照度，导光管系统是传统天窗的6～8倍，光效比大大强于采光天窗。

图5 导光管系统平面布置（红色圆形）

图6 导光管系统在站厅布置

导光管入射光线柔和，无炫光现象，无频闪，不受光线入射角影响，且照明面积大，照度分布均匀，不会产生局部聚光现象；有效作用时间长，采光效率高，可以捕获低角度光线，因此不仅早上及傍晚，甚至是阴雨天也能解决照明问题。

采用导光管系统时，灯具位置参考导光管位置设置。白天采用智能照明设计，根据现场光照强度进行线性调光，保证照度适宜。夜间照明时，在采光天井四周采用LED灯带的传统照明方式满足照度要求。为确保在各种条件下站内照度满足要求，照度可用遥控进行调节，与电力照明系统配合，照度不够时可自动打开导光天井四周的灯具进行补光[7]。2 400 mm导光管系统平面图见图7。

2.3 人防设计与防水设计

为确保人防设计的完善性，增加8个水平人防封堵板，临战时需要对导光管及采光天井进行拆除然后进行封堵板安装。由于导光管系统开孔面积小，不受材料本身热胀冷缩性能影响，并可通过设备的防水装置与屋面进行结合，达到防水要求[4]。

图7 2 400 mm导光管系统平面图

2.4 其他方面

导光管系统对环控、排烟、消防设计等没有大的影响。系统内部处于密封状态，空气不流通，导热系数低，能很好地阻止热量传递。冬天能保证室内热量损失最小，夏天可防止室外的热量传入室内。导光管系统为密闭中空的系统，具有良好的隔音性能，可达到RW37 dB的隔音效果。采光系统的使用寿命为25年，采光罩和漫射器使用PC材料制作，防雨装置等部件均为铝合金材料制成，使用寿命可达50年。采光罩表面光滑不易沾灰尘，1年只需清洗1次。导光管系统是密闭的，因此在使用过程中基本无需维护[4,7-8]。

3 经济效益分析

3.1 节省费用计算

（1）直接节省耗电。导光管系统平均每天可节约10 h的电力照明用电，按照室内天然光照度标准值为150 lx，共需采用6套2 400 mm导光管系统。根据建筑照明密度标准值为10 W/m2，因此，6套系统1年可节约用电29 200 kW·h，费用约3.5万元；荧光灯镇流器耗电量占照明用电的20%～30%，每年可节约耗电量为5 840 kW·h，2项合计后6套系统可节省4.2万元[5,7]。

（2）间接节省耗电。使用导光管系统，因其开洞尺寸小，密封性能好，且不会产生热量，从而降低了冷、热传导系数，保温隔热性能好，比传统照明方式（如电力照明、天窗照明）节省了采暖和制冷能耗。在电力照明期间，部分电能转化为热能，也会增加约20%空调制冷消耗。综合考虑2种影响，得出1年能节省空调制冷费约0.7万元[5]。

（3）节省耗材。采用导光管系统可节约白天的电力照明设备维护费和更换费。据计算，1套2 400 mm导光管系统的光通量相当于23盏60 W荧光灯的光通量，故可减少灯具的使用次数，延长灯具的使用寿命，一般灯具使用寿命约为3年，采用导光管系统后灯具的更换周期可延长至4年左右。

维护费用约为0.5万元/年；更换费用约为1.8万元/次，折合每年约0.5万元；合计可节省费用1万元/年[5]。

（4）节省人工定期清洁费用。深圳湾公园站导光管系统的采光罩为半球形，可利用深圳充足的雨水及风吹将采光罩上的灰尘冲刷干净，可达到自洁效果，免去了人工定期清洁的费用。

3.2 回收增值计算

该项目年度至少可节省费用共计5.9万元，导光管系统总投入费用约29.37万元，因此投资回收期=总投入费用/年度节省费用=29.37/5.9≈4.9年。

在项目增值期系统使用寿命内节约总费用为：（20-4.9）×5.9≈89.09万元（按照平均20年使用周期估算）。

综上分析，该项目能在4.9年内收回全部投资成本，可以有效避免日间电力照明固有的能源浪费和安全隐患，延长了灯具的使用寿命，同时降低了人工维护和设备更新成本。在导光管采光系统使用周期内，共可节省大约89.09万元费用。

4 社会效益分析

地铁站的景观设计和引入自然光的设计理念能增加地铁空间的趣味性，增加乘客的舒适性。同时通过展示红树林保护区的生态环境，宣传环保理念，引起大众共鸣。

4.1 节省资源

普通照明用电会消耗大量的不可再生资源，并伴随着热污染。按照国家标准计算，每节约1 k W·h的电就相应节约0.4 kg标准煤和4 L净水。在该项目中，年度节约标准煤为29 200×0.4=11.68 t，年度节约净水为29 200×4=116.8 t。

4.2 减排估算

按照国家标准计算，该项目可减少污染物排放的估计量见表1。

表1 减少污染物排放的估计量

5 结束语

在地铁车站引入自然光，改善了地下空间的沉闷感，提升了乘客的舒适度和员工的工作环境，并可较好地调节人体生物钟，使人们更加舒适、心情愉悦。将太阳光通过导光管直接传输到地下车站，是一种节约能源、保护环境、提高照明品质的绿色照明技术措施。在能源日益紧张的今天，充分利用自然光进行照明，必将是未来太阳能综合利用的一种方式，有利于实现轨道交通的可持续发展。