建筑類光導(dǎo)管技術(shù)運(yùn)用

1、建筑類光導(dǎo)管技術(shù)運(yùn)用    太陽能取之不盡，用之不竭，但是通過門窗等進(jìn)入室內(nèi)的太陽光僅占很小一部分。為了更好地利用太陽能，人們研究出許多新技術(shù)，光導(dǎo)管系統(tǒng)便是其中之一，光導(dǎo)管系統(tǒng)引入的是自然光，不需要消耗非可再生資源，同時(shí)減小了由常規(guī)能源帶來的環(huán)境污染，能夠節(jié)約20%30%的建筑用電，對(duì)節(jié)能有著重要意義1。另外，光導(dǎo)管技術(shù)的應(yīng)用，有助于促進(jìn)人體健康。因?yàn)橛霉鈱?dǎo)管系統(tǒng)引入的太陽光，保留了自然光的獨(dú)特優(yōu)越性，光譜范圍廣，光線均勻柔和，可以起到殺菌和防治多種皮膚病的功效，且經(jīng)過光導(dǎo)管系統(tǒng)處理的太陽光沒有頻譜和眩光，在采光罩上加設(shè)防輻射涂層還能有效地濾除有害輻射

2、。因此，光導(dǎo)管技術(shù)必將成為能源領(lǐng)域的一大發(fā)展方向2。研究光導(dǎo)管技術(shù)，探索其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于我國開發(fā)和應(yīng)用新能源有著極其重要的意義。1光導(dǎo)管技術(shù)的發(fā)展概況在19世紀(jì)70年代，俄國的契卡洛夫首先制造出世界上第一個(gè)光導(dǎo)管，他在室外安裝了大功率弧光燈作為光源，經(jīng)過集光系統(tǒng)，將產(chǎn)生的平行光通過長管內(nèi)的鏡面反射引到室內(nèi)，用于導(dǎo)線車間的照明3。1881年，WilliamWheeler也在美國研制出光導(dǎo)管系統(tǒng)，并申請(qǐng)專利，管子內(nèi)壁涂有反射能力的涂層，但由于該涂層反射率低，效果并不明顯4。此后前蘇聯(lián)對(duì)光導(dǎo)管內(nèi)壁反射材料進(jìn)行了大量改進(jìn)工作，并開始了一系列的應(yīng)用研究探討5。GennadyBukhman設(shè)計(jì)制造

3、的第一個(gè)大尺寸的有縫光導(dǎo)管于1965年在前蘇聯(lián)首先問世6。1975年，在CIE(COMMISSIONINTERNATIONALEDEL'E-CLAIRAGE)年會(huì)上，蘇聯(lián)學(xué)者J.B.Aijenberg等7介紹了他們研制的有縫光導(dǎo)管，被稱為“有光學(xué)縫的管道”。同年，GennadyBukhman和JulianAizenberg共同申請(qǐng)了有關(guān)塑料薄膜鍍鋁制造的有縫光導(dǎo)管專利8。此后，光導(dǎo)管開始在前蘇聯(lián)很多易燃易爆場所推廣使用。而美國和歐洲各國也紛紛開展光導(dǎo)管相關(guān)的研究工作并取得重大進(jìn)展，進(jìn)而相繼出現(xiàn)棱鏡光導(dǎo)管9、光纖光導(dǎo)管10。我國對(duì)光導(dǎo)管的研究和使用起步較晚，目前我國市場上的光導(dǎo)管產(chǎn)品主要

4、是有縫光導(dǎo)管。中國建筑科學(xué)研究院和建筑物理研究所、河南省電力勘測設(shè)計(jì)院、平頂山姚孟電廠和江蘇武進(jìn)崔橋玻璃鋼照明器材廠共同研制了我國第一個(gè)有縫光導(dǎo)管照明系統(tǒng)，并裝設(shè)在姚孟電廠三四號(hào)機(jī)組的燃油泵房內(nèi)3。另外，重慶建筑大學(xué)曾用鋁板做成直徑0.55m、長度78m的圓柱形光導(dǎo)管，這種光導(dǎo)管內(nèi)壁涂有一層高純度鋁膜，反射比達(dá)到0.85，并采用1000W金鹵燈為照明光源11。然而總的來說，我國在光導(dǎo)管的研制和應(yīng)用領(lǐng)域依然十分落后，基礎(chǔ)理論研究滯后，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用上的投入的資金不足，導(dǎo)致光導(dǎo)管的傳輸效率一直未能取得大的突破3。加強(qiáng)光導(dǎo)管技術(shù)的理論基礎(chǔ)研究，加大對(duì)光導(dǎo)管產(chǎn)品與應(yīng)用方面的資金投入，是我國光導(dǎo)管技

5、術(shù)發(fā)展的必然要求。2光導(dǎo)管系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)與優(yōu)越性2.1光導(dǎo)管系統(tǒng)原理光導(dǎo)管照明系統(tǒng)將光源發(fā)出的光從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方，進(jìn)行重新分配，以達(dá)到一定的照明效果。廣義上的光導(dǎo)管照明系統(tǒng)稱為RemoteSourceLightingSystem，現(xiàn)在多按照CIE的提法將光導(dǎo)管統(tǒng)稱為LightGuides3。而目前科研工作者所研究的主要是自然光光導(dǎo)管照明系統(tǒng)。其原理是通過采光裝置聚集室外的自然光線并導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部，再經(jīng)過特殊制作的導(dǎo)光裝置通過多次反射改變自然光的傳播方向，并將光線反射到系統(tǒng)底部的漫射器，由系統(tǒng)底部的漫射裝置把自然光線均勻?qū)氲绞覂?nèi)任何需要光線的地方12。2.2光導(dǎo)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)常見的光導(dǎo)管系

6、統(tǒng)一般分為三部分(如圖1)：采光裝置、導(dǎo)光裝置和散光裝置。采光裝置通常是一個(gè)透明的玻璃罩，放置于室外樓頂或室外墻體的側(cè)面；導(dǎo)光裝置是導(dǎo)光管，管壁是反射率一般在95%以上的反射材料，有的光導(dǎo)管可以旋轉(zhuǎn)彎曲來改變導(dǎo)光角度和長度；散光裝置安裝在系統(tǒng)底部，是將通過光導(dǎo)管傳輸?shù)墓饩€散射到室內(nèi)使光線均勻照明的裝置，同時(shí)具有避免眩光的作用1。2.3光導(dǎo)管系統(tǒng)的特點(diǎn)光導(dǎo)管最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能。一方面，由于完全采用自然采光無需消耗人工能源，光導(dǎo)管可以節(jié)省建筑用電約20%30%13；另一方面，相比其他方式的人工采光，光導(dǎo)管系統(tǒng)所引入的熱負(fù)荷比較小。長期以來，人們一直對(duì)自然光存在一種誤解，認(rèn)為自然光進(jìn)入室內(nèi)所帶來的熱量

7、要多于人工光源的發(fā)熱量。實(shí)際上如果提供相同的照度，自然光的發(fā)熱量要比大多數(shù)人工光源少得多，這是因?yàn)槿斯す庠丛诶秒娔馨l(fā)光的同時(shí)將大部分電能轉(zhuǎn)化為了熱能。也就是說人工光源實(shí)際的發(fā)光效率是很低的，利用光導(dǎo)管采光代替人工照明，可以有效降低建筑能耗。圖2是直徑為330mm的自然光光導(dǎo)照明系統(tǒng)在夏季某一陰天下，輸出的照明效果與白熾燈照明的對(duì)比曲線12。圖2光導(dǎo)照明系統(tǒng)的照明效果與白熾燈照明的對(duì)比曲線Fig.2Lightingcapabilitiesoflightguidessystemandincandescent從圖2曲線可知：從黎明到黃昏，甚至是雨天或陰天，自然光光導(dǎo)照明系統(tǒng)導(dǎo)入室內(nèi)的光線仍然十分充

8、足，可以提供8h以上的白天室內(nèi)照明，在節(jié)省電能的同時(shí)減少電力照明給室內(nèi)帶來的熱負(fù)荷，再減少其他能源消耗。并且在這8h中，光導(dǎo)管提供的室內(nèi)照度均比白熾燈的大，更能滿足照明要求。其次，光導(dǎo)管技術(shù)有助于促進(jìn)人體健康。光導(dǎo)管系統(tǒng)可以為室內(nèi)引入天然的光源，并避免眩光，因而可以為人類營造一個(gè)和諧舒適的娛樂、辦公、居住環(huán)境。科學(xué)研究證明，自然光線照明具有更好的視覺效果和心理作用，并且可以清除室內(nèi)霉氣，抑制微生物生長，促進(jìn)體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的合成和吸收，改善居住環(huán)境等14。此外從長遠(yuǎn)來看，光導(dǎo)管系統(tǒng)投入少，效益高。光導(dǎo)管系統(tǒng)從安裝使用開始便屬于一次性投資，不需要維護(hù)，使用壽命長，正常情況下可使用30年以上，利用效率

9、較高，可以有效地彌補(bǔ)人工照明的不足1。在現(xiàn)如今大力倡導(dǎo)綠色照明的環(huán)境下，開發(fā)利用光導(dǎo)管照明不失為一種經(jīng)濟(jì)可靠的照明方式。3光導(dǎo)管系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用近年來，光導(dǎo)管技術(shù)在國外發(fā)展的勢頭異常迅猛，并在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。我國在2000年以后，也開始重視光導(dǎo)管技術(shù)，并逐漸在建筑照明工程上推廣應(yīng)用。3.1奧運(yùn)建筑工程北京2008年奧運(yùn)會(huì)申辦成功后，在2004年就將太陽能光導(dǎo)管最先寫入了第29屆奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)組織委員會(huì)編寫的奧運(yùn)工程環(huán)保指南中，明確奧運(yùn)會(huì)建筑中要增加自然采光技術(shù)，特別是太陽能光導(dǎo)管技術(shù)在奧運(yùn)建筑中應(yīng)用15。在2008年奧運(yùn)工程中，分別在奧運(yùn)中心區(qū)“鳥巢”地下庫和奧運(yùn)村微能耗樓、奧林匹克

10、森林公園、北京科技大學(xué)體育館等地采用太陽能光導(dǎo)管。例如北京科技大學(xué)體育館，安裝了148個(gè)直徑為530mm的光導(dǎo)管。在陽光比較好的情況下，它采集的光線能滿足體育訓(xùn)練和學(xué)生上課的要求，基本可以不開燈或者盡量少開燈。在白天，光導(dǎo)管采集光源照亮室內(nèi)，晚上則可以將室內(nèi)的燈光通過屋頂?shù)牟晒庹謧鞒?，起到美化夜景的效果。同時(shí)，由于體育館的鋼屋架是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，桿件較多，用開天窗的方法采集自然光，會(huì)受到桿件遮擋，效果不理想。但使用光導(dǎo)管，就很好地解決這一問題16。太陽能光導(dǎo)管采光照明成為綠色奧運(yùn)的一個(gè)亮點(diǎn)，并且還帶動(dòng)其他新興產(chǎn)業(yè)。而隨著建筑節(jié)能的提出，人們對(duì)太陽能利用日益重視，勢必給太陽能光導(dǎo)管提供更大的發(fā)展空間。

11、3.2隧道工程在隧道工程中，一般常用的照明裝置為防爆水銀燈、鈉氣燈以及日光燈組。使用水銀燈或鈉氣燈具，由于是“點(diǎn)”光源，因此，在相距26m或更遠(yuǎn)距離裝置一組，忽明忽暗的光照對(duì)于行車駕駛?cè)藛T容易造成生理上的催眠作用，影響行車安全。此外，鈉燈、水銀燈的啟動(dòng)電壓與耗電量大。而使用日光燈組則容易破裂，有安全隱患，且使用壽命長短不一，維修不方便，在長時(shí)間使用后必須全部換裝，其物料成本對(duì)交通影響甚為巨大。使用太陽能光導(dǎo)管照明系統(tǒng)就可以消除這些困擾。例如，德國柏林波茨坦廣場地下隧道使用的光導(dǎo)管，直徑約為500mm，頂部裝有可隨日光方向自動(dòng)調(diào)整角度的反光鏡，管體采用傳輸效率較高的棱鏡薄膜制作，將天然光高效地傳

12、輸?shù)降叵驴臻g17。依PC或壓克力材料特性，在沒有人為破壞狀況下，光導(dǎo)管照明系統(tǒng)將可使用20年以上18。雖然在使用光導(dǎo)管照明系統(tǒng)時(shí)，安裝成本可能比傳統(tǒng)照明系統(tǒng)要高，但如果考慮運(yùn)行費(fèi)用和電力成本，其總投資比傳統(tǒng)照明系統(tǒng)要少很多，而且安全性也會(huì)大大增強(qiáng)。3.3無塵室照明在高科技電子工業(yè)的工廠里，無塵室是無法取代的工作場所。目前普通使用的仍是一般的日光燈照明系統(tǒng)。但為了保持無塵室的潔凈度，避免燈管上留駐粉塵下落，若無充分理由，不在年度修護(hù)期間，盡可能不要去修護(hù)燈管。但由于燈管壽命不一，也常造成維修單位極大困擾。使用光導(dǎo)管系統(tǒng)可以將光導(dǎo)管的光源安裝在室外，而長度由412m的光導(dǎo)管裝置安裝在無塵室適當(dāng)位置

13、。在必須更換光源燈泡時(shí)可以在室外的光源處更換，可避免觸動(dòng)無塵室內(nèi)的燈具而造成粉塵的掉落。再者，由于所有日光燈約1/3的能源在使用中變成熱源，在無塵室中有相當(dāng)程度的冷氣空調(diào)用于平衡燈具所造成的熱量，使用光導(dǎo)管照明系統(tǒng)，由于光源置于室外，利用自然風(fēng)散熱，可以節(jié)省大量電力消耗18。3.4工廠廠房照明對(duì)于廠房采光照明工程，一般根據(jù)建筑外形、結(jié)構(gòu)、使用場所及采光效果和使用者的照度要求，采用合適的光導(dǎo)照明系統(tǒng)，按照建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用光導(dǎo)照明技術(shù)能節(jié)省大量的白天工廠照明用電，并且在自然光線下工作，工人更放松，更容易消除工作中產(chǎn)生的頭痛、眼干和脖子酸等不適，還可以穩(wěn)定心跳速度、調(diào)整人體對(duì)氧氣、鈣質(zhì)

14、、維生素D等的吸收、甚至能夠改善肌肉的能量分配，這將有利于保證工人較高的生產(chǎn)效率19。例如山東省日照市海星針織服裝有限公司生產(chǎn)廠房，采用自然光光導(dǎo)管照明14。照明位置為光抷庫和輔料庫。光導(dǎo)照明系統(tǒng)光導(dǎo)管長為2.1m(平均值)，漫射器到地面距離為4.0m，室內(nèi)平均照度為可以達(dá)到260lx，且當(dāng)室外臨界照度25000lx時(shí)，其室內(nèi)照度就越大，照明范圍就越大，室內(nèi)也就越亮。3.5家居室內(nèi)照明家居室內(nèi)照明是光導(dǎo)管系統(tǒng)最主要的應(yīng)用之一。采用棱鏡光導(dǎo)管將自然光引入室內(nèi)，并進(jìn)行重新分配，從而提供均勻的照度。前蘇聯(lián)科學(xué)家J.B.Ai-jenberg設(shè)計(jì)的Helioubus系統(tǒng)就是用棱鏡光導(dǎo)管將自然光引入室內(nèi)2

15、0。而棱鏡光導(dǎo)管的輸入和輸出效率可達(dá)到60%80%之間21。除了棱鏡光導(dǎo)管，還有其他類型的光導(dǎo)管也逐漸進(jìn)入室內(nèi)裝飾照明領(lǐng)域。安裝光導(dǎo)管后的住宅室內(nèi)的光環(huán)境質(zhì)量顯著改善，在晴天的白天完全可以不再使用電光源照明，光導(dǎo)管導(dǎo)入的自然光完全可以滿足人們的日?；顒?dòng)的照明和采光需求，而且對(duì)人們的身體健康有利，安裝采集太陽光的光導(dǎo)管的住宅還可以有效減少“季節(jié)綜合征”的發(fā)病率6?？偠灾鈱?dǎo)照明系統(tǒng)漸漸應(yīng)用于工業(yè)廠房、學(xué)校、地下空間體育場館、展覽館、動(dòng)物園、辦公場所、別墅等建筑。4存在問題和前景展望4.1存在的問題(1)光導(dǎo)管系統(tǒng)使用太陽光作為光源，其采集的光能量容易受到氣候的影響。對(duì)于我國大多數(shù)地區(qū)來說，夏季的日照比較充分，光導(dǎo)管的采光率比較高，而在其他季節(jié)，光導(dǎo)管的效率就要打些折扣；天氣的影響要更明顯些，在陰天或云雨天，光導(dǎo)管的采光率非常低，此時(shí)，需要依靠電光源照明或加裝光伏系統(tǒng)1。(2)由于各地區(qū)、各季節(jié)和各時(shí)段的太陽照度的不穩(wěn)定性和不均勻性，造成了光導(dǎo)管系統(tǒng)采光的差異性，人們?cè)谑褂脮r(shí)會(huì)感到室內(nèi)光線時(shí)強(qiáng)時(shí)弱。因此，還需要加設(shè)調(diào)節(jié)光通量的裝置。(3)光導(dǎo)管的安裝問題。因?yàn)楣鈱?dǎo)管和其他管道一樣需要在建筑中進(jìn)行安裝，有2個(gè)問題需要考慮。一是在建筑設(shè)計(jì)的同時(shí)是否需要考慮給光導(dǎo)管預(yù)留安裝空間；二是由于現(xiàn)在的光導(dǎo)管系