光导照明技术在工业园区及公共建筑中的应用

郑明悟 褚以卫

摘要：光导照明技术是太阳光能利用的一种方式，该技术为光能的高效传输提供了可能的途径。本文对光导照明技术的研发历史做了回顾，并紧密结合工程实践，对光导照明系统在工业建筑工程中的应用做了重点总结。基于当今绿色建筑的发展趋势，文章最后对该技术的未来发展方向做了个人分析，即光导管技术与自动调光、自然通风等技术相结合，可以使光导管的功能更加完善，在采光的同时使室内保持良好的自然通风，对于建筑节能和改善室内空气品质具有积极意义，其应用必将更加广泛。

关键词：光导照明 绿色照明 自然采光 自然通风

1 引言

能源和环境是全球共同关注的焦点。随着社会的发展，照明用电的迅速增加，不但增加大量的电力投资，牵制国民经济的发展，而且还会产生大量污染。

天然光是大自然赐予人类的宝贵财富，相比其它能源具有清洁、安全的特点。充分利用天然光可节省大量照明用电，节约照明用电又可间接减少自然资源的消耗及有害气体的排放。

1991年1月美国环保局（EPA）首先提出实施“绿色照明（Green Lights}”和推进“绿色照明工程（Green Lights Program）”的概念。1993年11月中国经贸委开始启动中国绿色照明工程，1995年11月16日召集八家单位研讨“中国绿色照明实施规划”，其中的一条就是倡导自然采光。因此，天然采光是绿色照明的重要方面。

采集太阳光的光导管绿色照明系统，能够把白天的太阳光有效地传递到室内阴暗的房间或者不适宜采用电光源的空间如易燃易爆房间，改变目前很多建筑“室外阳光灿烂，室内灯火辉煌”的局面，可以有效地减少电能消耗。光导管还可以用于建筑地下室的自然采光或辅助照明，并能取得良好的采光照明效果，是太阳能光能利用的有效方式。

在工业建筑改造和新建建筑中，大空间中分隔小空间，以及地下室空间、竖向和水平穿插的复杂空间较多，利用光导管系统可将自然光有效地传递到所需要的空间中，以解决大空间、大进深工业建筑的自然采光问题。

2 光导照明系统的基本结构和类型

光导照明系统也称导光管采光系统，是一种用来采集天然光，并经管道传输到室内，进行天然光照明的采光系统，通常由集光器、导光管和漫射器组成（《建筑采光设计标准》（GB50033-2013））。

集光器主要由采光罩和防雨装置组成。屋面采光罩应具有耐候性和抗冲击性，外观造型有半圆形、平板型和异形等。半圆形采光罩的直径可以根据工程需要设计，最大可做到2.4m;

导光管由标准管、弯管、延长管和下部的固定环组成。导光管内壁为高反射材料，反射率一般在98%以上，导光管可以通过各种角度的弯管伸向需要采光的建筑室内。导光管目前最长可做到20m。常用导光管直径为330mm～750mm，大型导光管系统的导光管直径1000mm～2400mm;

最底部就是室内漫射器。漫射器的作用是使室内光线分布均匀，避免眩光。因此应具有较强的透射性和散光性，使光线均匀地分布到室内作业面。

上述系统组成详见“导光管采光系统结构构成示意图”。

从采光方式上分类，光导管有主动式和被动式两种。主动式是通过一个能够跟踪太阳的聚光器来采集太阳光，这种类型的光导管采集太阳光的效果较好，但是聚光器的造价昂贵，很少在建筑中采用。目前应用较为广泛的是被动式光导管，聚光罩和光导管本身连接在一起固定不动，聚光罩多由PC材料或有机玻璃注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱。这种类型的光导管主要由聚光罩、防雨板、可调光导管、延伸光导管、密封环、支撑环和散光板等组成。

从光导管的安装方式上来分，又分为顶部采光和侧面采光两种。目前国外应用的采集太阳光的光导管系统多采用顶部采光，侧面采光起初不多，近些年来的应用逐渐增多。

3光导管技术的国内外研究现状

光导管自出现以来，人们一直没有停止对它的研究和改进，最初人们研究光导管主要是为了传输灯光，到了上个世纪80年代以后才开始研究采集太阳光的光导管系统。

国外光导管技术的研究相对比较成熟。俄罗斯和美国在这个领域里成绩斐然。1880年，俄国的Chikoleve.、Wheeler、Molera和美國的Cebrian分别公开了他们有关光导管的发明。1881年Wheeler在美国中请了第一个光导管专利。由于系统结构简单、安装方便、成本较低、实际照明效果好，因此在国外发展迅猛，多家跨国公司都生产此类产品。

我国目前还不具备大规模生产光导管的能力。主要原因是我国还没有掌握光导管用的高反射率薄膜的生产工艺。光导管的传输效率有待进一步提高，在基础理论研究和产品设计、实践操作等方面的工作还很不够，因此在我国光导管技术在大规模进入市场的同时，导光管的核心技术——聚合物薄膜仍然需要进口。

4 建筑用光导管技术的应用实例——首钢迁钢能源中心项目

4.1项目概述

首钢迁安钢铁有限责任公司配套完善能源中心项目，是一座集能源管理及控制、办公、参观、接待、会议等功能为一体的综合性多层建筑。总建筑面积11800㎡。地上5层，地下1层，建筑高度19.85m。

在设计方案阶段，采用国际上较为成熟的节能减排技术：实现智能技术的应用、保持地表水回流系统、建立环保有效的外遮阳系统、太阳能的综合利用、照明系统的节能等，本文重点介绍光导照明系统在本项目中的应用。

4.2 预期效果及系统设计

本项目作为首钢迁钢的能源中心，设计力图充分体现能源的有效利用，而光导管照明技术又是较为直观的表现形式。因此，作为设计方提出的这一构想得到了业主的充分肯定，并明确要求力求在室外晴天状况下，室内的这两个大厅的环境照明可以达到不使用或者尽量少使用人工照明，以体现可再生资源得以充分利用的设计理念。

由此，作者对这两个空间的采光等级、采光系数标准值、室内天然光照度标准值等设计参数进行了设定，并同电气专业对这两个大厅的天然光照明和人工照明进行系统设计，并使其相互补充、相互融合。

指挥大厅及远控大厅位于首钢迁钢能源中心的首层，使用面积分别为600㎡和450㎡。吊顶高度5.5m～7.5m。设计拟采用高效节能灯具与光导照明系统相融合的方式，并结合声控系统、门禁一卡通系统，最小限度地使用人工照明，设计意图拟在室外晴天甚至全阴天环境下，室内天然光照明与人工照明互为补充。600㎡的指挥大厅呈同心圆形均匀排布28组光导管，450㎡的远控大厅呈同心圆形均匀排布25组光导管，则室内平均18㎡～21.4㎡均匀布置一个光导管。光导管前后排距2500mm，左右间距3000mm～5500mm（随同心圆半径增大而由小渐大），左右之间均分别布置人工照明的圆盘LED吸顶灯，可在室外全阴天状况下进行人工补充照明，或在夜间停用光导管系统时进行人工照明。光导管外径530mm，中段导光管长度均为4500mm。由光导管下端的漫射器至工作面（均按距地1m计）的净高分别为5.0m、5.4m、5.8m、6.2m、6.4m。

根据现行的国家标准《建筑采光设计标准》（GB50033-2013），办公室、会议室、阅览室、控制室等场所的采光等级为Ⅲ级，则指挥大厅及远控大厅的采光等级可设定为Ⅲ级。即采光系数标准值设定为2%，室内天然光照度标准值≥300lx。详见“表4.0.8 办公建筑的采光标准值”、以及“表4.0.15 工业建筑的采光标准值”。

根据设备厂家所提供的设计参数表——详见“导光管采光系统设计参数表”，我们预期项目建成后，在室外晴天状况下，设定室外照度值为45Klx时，经使用光导管照明系统的能源大厅和远控大厅，其工作面的照度值约为80lx～120lx之间。而指挥大厅及远控大厅的采光等级设定为Ⅲ级，要求室内天然光照度标准值≥300lx，这样，建筑专业与电气专业协同，将光导管与吸顶灯间隔排布，人工照明选用圆盘型LED灯具，每个灯具的功率为54W。经计算，天然光与人工照明的混色光在工作面上的照度标准值≥400lx（因初次应用，且考虑全阴天状况下的使用效果，故设计预留一定的余量）。详见“调度大厅灯具布置图”、“远控大厅灯具布置图”、“能源大厅与远控大厅剖面图”及“能源大厅与远控大厅剖面局部放大图”。

4.4 光导管照明系统构造安装

光导管照明系统的组成本文前面已述及，此处详细介绍在首钢迁钢能源中心项目中的构造设计。

4.4.1 采光罩的安装构造

半圆形和异形采光罩适用于各种平屋面。半圆形采光罩的安装构造通常分为三种基座做法。

一是利用成品高密度聚乙烯专用波纹管做模板现场浇制。具有施工简单，和较好的保温隔热效果。二是钢筋混凝土基座边缘带出挑。三是钢筋混凝土无边基座。

平板型采光罩为正方形平面，只适用于停车屋面，安装洞口的四周均做翻边，翻边的顶面高度低于屋面设计标高130mm。

首钢迁钢能源中心项目的光导管照明系统采用半圆形采光罩的第二种构造方式，即钢筋混凝土基座边缘带出挑，并考虑保温和隔热效应，基座四周加设50mm厚聚苯板。采光罩材质是5mm厚PC板（聚碳酸酯板），由专业厂家一次挤压成型。透光率≥90%，密度1.2g/cm3，紫外线透射比=0（即具有完全过滤紫外线功能），显色指数≤95，传热系数≤1.6W/（㎡·K），适用温度-45～125°C。1.4mm厚铝合金板防雨装置（即防雨罩）也由专业厂家定型制作。

4.4.2 导光管的選用与安装构造

本项目导光管采用直段式导光管，无弯管。直段式导光管的口径530mm，长度4500mm，光学反射率≥99%，材质为0.8mm厚不锈钢板内附聚合物薄膜，连接方式采用卡口式缝合连接，并加设钢丝绳牵拉在导光管中部的固定环和屋顶网架之间，以加强牢固度。详见下图：

4.4.3 漫射器的选用与安装构造

漫射器材质为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/㎡，紫外线透射比=0（即具有完全过滤紫外线功能），显色指数100，传热系数≤1.6W/（㎡·K），适用温度-45～125°C。漫射器的表面具有阵列式螺纹透镜组。

4.5 光导管应用验证

首钢迁钢能源中心项目于2012年6月竣工并投入使用以来，设计方先后两次对项目的使用情况进行了回访。经调查，在室外晴朗天气状况下，能源大厅和远控大厅在不使用人工照明时，光导管照明到达工作面（按距地1.0m计）的照度值为90lx～115lx之间，满足了业主的需求，达到了预期的效果。按每小时节约13千瓦、每度电0.8元、每日按8小时计，全年可为业主节省3万余元。按光导管照明系统的正常使用寿命25年计，可为业主节省65万余元（25年×3万-10万投资）。其社会效益、环境效益和经济效益均令业主满意。见项目效果图及建成后的实际照片。

5 光导管照明技术的发展展望

光导管技术为高效的光能传输提供了一种有效的途径，采集太阳光的光导管绿色照明技术是绿色能源科技的一部分，属于可持续发展能源技术。鉴于目前国内外的研究与应用，作者对光导管照明系统的未来发展趋势有如下的展望。

一是光导管照明技术调光装置亟需改善。可根据客户的需求，将自动调光装置与电力照明调节装置集成化，将会提高室内照明的舒适性。

二是光导管照明技术在侧墙方面的应用将会更加广泛。毕竟从侧墙上开洞，要比在屋面及楼板上开凿较大洞口的安全性高得多，这项技术将有利于既有建筑的大面积推广。

三是光导管照明技术将会更广泛地应用于大型工业厂房的新建及改建项目，以及其它大空间建筑中。在光导照明技术应用之前，天窗采光的方式被广泛用于大型厂房，但天窗采光有容易产生局部聚光现象等缺陷 ;而自然光光导照明不会因光线入射角的变化而改变，且照射面积大、出射光线均匀、无眩光、不会产生局部聚光现象。采光天窗受室内吊顶结构及传输距离的限制，采光面积相对较大，导致安装难度较大、防水不易处理，而自然光光导照明针对不同的屋面有不同的安装方法及防水措施，不受室内吊顶结构等的影响。在光线传输方面，小孔径自然光光导照明传输距离可达 6m 左右，大孔径自然光光导照明传输距离可达20m 以上，并且还可以使用弯管，这使得系统的安装更加灵活，适应性更强。

四是光导管照明技术的内涵有扩容的趋势。发展趋势将更偏重于光导管和其他建筑环境技术的结合，从而为建筑节能和改善室内环境品质发挥更大的作用。开发与自然通风相结合的光导管系统将进一步拓宽光导管的应用范围，满足建筑物对自然采光和自然通风的要求，可以使光导管的功能更加完善，在采光的同时使室内保持良好的自然通风，对于建筑节能和改善室内空气品质具有更加积极的意义。

参考文献

1 中华人民共和国住房和城乡建设部主编 中华人民共和国国家标准《建筑采光设计标准》（GB50033-2013） 2013年5月1日起施行

2 中国建筑标准设计研究院组织编制 中华人民共和国国家建筑标准设计图集《平屋面建筑构造》（12J201） 2012年6月1日起施行

3 Zorica Crrnjak Orel， Marta Klanjek Gunde. Advanced Optical Coatings with Desired Spectral Response.  World Renewable Energy Congress VI， 2009：184～189

4 Helena， Antoni..Sun Ducts：New Design and Applications.World Renewable Energy Congress VI，2008： 489～493

5 Ssengooba-Kasule， Willian Architect. Daylight and Sunlight：A Solution to Energy problems in Buildings in Tropical Regions. World Renewable Energy Congress VI， 2008： 641～644

6 G. B. SMITH，  A.EARP， J. STEVENS. Materials Properties for Advanced Daylight in Buildings. World Renewable Energy Congress VI，2008： 201～206

7 George W. Hopskins， Tad D.Simons. Cylindrical lighr pipes for collecting scattered from a Gaussian beam. The SPIE Conference on Nonimaging Optics：Maximum Efficiency Light Transfer.2008，3781：202～207

8 G.Oakley，  S.B.Riffat and L.Shao.Daylight performance of Lightpipes.Cast issue 2 April 2008

北京首鋼国际工程技术有限公司 土建设计部 北京 100043