地下空間采光及導(dǎo)光系統(tǒng)的現(xiàn)狀及應(yīng)用展望

1、前言中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 天然光作為大自然饋贈(zèng)于人類的寶貴財(cái)富，是一種取之不竭，用之不盡的綠色能源，同時(shí)也是人類長(zhǎng)期進(jìn)化過程中最為適應(yīng)的光源，但在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)曾被人忽視。伴隨著近年來能源危機(jī)、環(huán)境惡化等問題的不斷出現(xiàn)，才日益引起了世人的關(guān)注。而導(dǎo)光管技術(shù)的出現(xiàn)無疑為人們合理利用天然光資源開辟出新的途徑，特別是近十幾年伴隨著導(dǎo)光管技術(shù)的快速發(fā)展，大量具有可推廣性的導(dǎo)光管產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，使得導(dǎo)光管在居室、商店、學(xué)校、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所、廠房等不同空間得到廣泛應(yīng)用。據(jù)CIBSE的Building Journal（2003年9月）發(fā)表的調(diào)查表明，截止到文章發(fā)表之日全球已安裝了大約三百萬套導(dǎo)光管

2、產(chǎn)品。 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，用電緊張問題日益受到社會(huì)各界的關(guān)注，而照明用電在電能消耗中占有相當(dāng)比重，根據(jù)統(tǒng)計(jì)表明我國照明用電約占全國總用電量的12，2004年北京市照明用電為49億千瓦小時(shí)，也占到全市用電總量的11。因此照明節(jié)能具有十分重要的實(shí)際的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及環(huán)境效益。開發(fā)節(jié)能產(chǎn)品、充分利用天然光資源無疑是解決能源緊張的重要途徑。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 目前導(dǎo)光管在我國使用非常有限。因此通過合理設(shè)計(jì)，積極采用導(dǎo)光管技術(shù)為各類難以直接使用采光的建筑空間提供照明，對(duì)于節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。1 導(dǎo)光管系統(tǒng)簡(jiǎn)介中國照明網(wǎng)技術(shù)論文

3、83;電光源 導(dǎo)光管系統(tǒng)主要由集光器、導(dǎo)光筒和漫射器三部分組成（如圖1所示）。這種系統(tǒng)利用室外的自然光線透過集光器導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行重新分配，再經(jīng)特殊制作的導(dǎo)光管傳輸和強(qiáng)化后由系統(tǒng)底部的漫射裝置把自然光均勻高效地照射到室內(nèi)。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 1.1 集光器中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 根據(jù)集光器的工作原理不同，可以分為以下兩種類型：中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 1）被動(dòng)式集光器：多為半球形透明結(jié)構(gòu)，內(nèi)部也可設(shè)置棱鏡等以提高效率；2）主動(dòng)式集光器：主要有定日鏡等，可自動(dòng)跟蹤太陽以提高采集光線的效率。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·

4、;電光源 1.2 導(dǎo)光筒中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 導(dǎo)光筒主要有以下四種類型：中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 1）金屬反射型導(dǎo)光筒中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 在玻璃或塑料上鍍一層高反射率的金屬涂層，通過多次反射將光傳送到需要的空間，適合于短距離的傳輸。這種導(dǎo)光筒雖然傳輸效率相對(duì)較低，但是由于其低廉的價(jià)格，而能夠在一些對(duì)于效率要求不是非常高的場(chǎng)所得到廣泛使用（如圖2所示）。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 2） 非金屬反射型導(dǎo)光筒中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 實(shí)驗(yàn)表明僅僅依靠非金屬材料的部分反射，其效率非常的低，但是這一

5、點(diǎn)可以通過使用一種薄膜來克服，從而使得非金屬反射型導(dǎo)光筒具有比較高的效率。但是這種裝置造價(jià)卻非常昂貴，目前很難得到大量推廣。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 3） 透鏡組型導(dǎo)光筒中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 這種導(dǎo)光筒主要是利用的光線的折射原理，它由一系列的光學(xué)透鏡組成（如圖3所示），這種導(dǎo)光筒需要很多價(jià)格昂貴的透鏡，因此現(xiàn)在主要在一些光學(xué)儀器設(shè)備上使用；中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 4） 棱鏡型導(dǎo)光筒中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 這種導(dǎo)光筒主要是利用的光線由密介質(zhì)進(jìn)入疏介質(zhì)時(shí)出現(xiàn)的內(nèi)部全反射原理（與光導(dǎo)纖維同理），但是由于導(dǎo)光

6、筒為中空的管子，因此傳統(tǒng)的管子不可能實(shí)現(xiàn)（如圖4所示），但是當(dāng)改變管壁形狀后則克服了這個(gè)問題，制成了內(nèi)部全反射式的導(dǎo)光筒。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 這種導(dǎo)光筒在反射的過程中幾乎不發(fā)生吸收，因此效率非常的高。但是由于光線發(fā)生內(nèi)部全反射對(duì)于光線入射角要求較高，只有當(dāng)光線入射角大于臨界角的時(shí)候才會(huì)發(fā)生，而就天然光而言一般來說很難滿足此要求，因此這種導(dǎo)光筒多用于為大空間提供照明。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 另外補(bǔ)充一下，對(duì)于原理相同的導(dǎo)光纖維而言，雖然其效率較高，但是卻由于它所能傳輸?shù)墓馔ㄓ邢蓿瑯硬荒苓m用于這種大面積場(chǎng)所的照明。中國照明網(wǎng)

7、技術(shù)論文·電光源 1.3 漫射器中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 對(duì)于照明而言，不是簡(jiǎn)單的將光線引入室內(nèi)，而是需要將光線合理的在室內(nèi)分布，因此漫射器就需要根據(jù)配光的要求的不同，而合理的選擇相應(yīng)的材料制備而成。并對(duì)其光通空間分布做相應(yīng)的測(cè)試從而保證照明的質(zhì)量。2 國內(nèi)外目前研究及應(yīng)用現(xiàn)狀中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 2.1 國外中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 為了節(jié)約照明用電和改善地下或無窗建筑的室內(nèi)光環(huán)境，國外很早就開展了天然導(dǎo)光技術(shù)方面的研究。早在1977年，美國的D.Micheal發(fā)表了題為“有太陽跟蹤器的陽光照明”（Lighting with sunlight

8、 using sun tracking concentrators）一文，一些學(xué)者認(rèn)為這篇文章標(biāo)志著地下與無窗建筑天然采光方法的形成。美國、前蘇聯(lián)、日本、英國等國的學(xué)者在天然導(dǎo)光技術(shù)方面做了大量的研究工作。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 導(dǎo)光管系統(tǒng)在世界很多地方已實(shí)現(xiàn)商品化和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，在國外的許多項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。CIBSE的Building Journal發(fā)表的調(diào)查表明，截止到2003年9月全球已安裝了大約三百萬套導(dǎo)光管產(chǎn)品。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 國際照明委員會(huì)CIE TC338，加拿大國家研究會(huì)，英國利物浦大學(xué)等都對(duì)這種導(dǎo)光管系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，并提出了較為完整的

9、設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，與天然采光中的采光系數(shù)相對(duì)應(yīng)在導(dǎo)光系統(tǒng)管理論中提出了Daylight  Penetration Factor(晝光穿透系數(shù)DPF)以表征導(dǎo)光管系統(tǒng)的采光效果。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 2.2 國內(nèi)中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國建筑科學(xué)研究院肖輝乾教授等人在1991年開展了導(dǎo)光管系統(tǒng)技術(shù)的研究，利用主動(dòng)式集光器（定日鏡技術(shù)）收集陽光，通過導(dǎo)光筒、漫射器將光線引入至無窗空間（如圖6所示），并已經(jīng)應(yīng)用于河南平頂山電廠機(jī)房照明取得了良好的實(shí)

10、際效果。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國建筑科學(xué)研究院與國家氣象局(原中國氣象科學(xué)院)合作，在全國范圍內(nèi)開展了晝光觀測(cè)工作（觀測(cè)系統(tǒng)如圖7所示），積累了豐富的光氣候資料，并建立了光氣候數(shù)據(jù)庫。為導(dǎo)光管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及運(yùn)行管理提供了重要依據(jù)（見表1）。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 表1我國室外不同臨界照度值時(shí)的全年天然光利用時(shí)數(shù)中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國建筑科學(xué)研究院主持完成了建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 500332001、建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 500342004等一系列國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源

11、中國建筑科學(xué)研究院完成了國家游泳中心場(chǎng)館“水立方”室內(nèi)光環(huán)境課題以及首都機(jī)場(chǎng)航站樓采光計(jì)算分析任務(wù)。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 中國建筑科學(xué)研究院設(shè)有采光實(shí)驗(yàn)室、照明實(shí)驗(yàn)室、光度實(shí)驗(yàn)室，擁有光度積分球、分光光度計(jì)、分光測(cè)色儀等先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，從而可以保證我們完成對(duì)于建筑材料光學(xué)性能以及采光照明器具的照明參數(shù)的測(cè)試分析工作。同時(shí)近年來我們采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)導(dǎo)光管與光氣候、日照等因素條件的結(jié)合作了進(jìn)一步的分析和探討。3 導(dǎo)光管系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決的問題中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 導(dǎo)光管系統(tǒng)是將室外的自然光線導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行重新分配，再經(jīng)特殊制作裝置把自然光均勻高效地照射到室內(nèi)。因

12、此，制約導(dǎo)光管系統(tǒng)發(fā)展的重要因素是導(dǎo)光管的系統(tǒng)效率，提高導(dǎo)光管系統(tǒng)的效率是關(guān)鍵所在。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 3.1 集光器的效率中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 集光器的效率是影響整個(gè)系統(tǒng)效率的重要因素，太陽的光線自早晨到傍晚強(qiáng)度和方向在不斷的變化，為了更可能多的收集太陽光線，就要隨時(shí)隨地跟蹤太陽光線的不斷變化，這就是定日鏡的作用自動(dòng)跟蹤采集。為了提高集光器的效率通常采用菲涅爾透鏡等光學(xué)系統(tǒng)和定日鏡收集陽光。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 3.2 導(dǎo)光筒的效率中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 導(dǎo)光筒的效率與導(dǎo)光筒的長(zhǎng)度、直徑等都有一定的關(guān)系，但導(dǎo)光筒反射材料的反射比

13、是影響其效率的重要因素。光線在導(dǎo)光筒內(nèi)部進(jìn)行傳輸發(fā)生反射時(shí)必將有一定的光線損失，導(dǎo)光筒表面材料的反射比越高，光傳輸?shù)膿p失就必然越小。因此，選用具有高反射比的材料是提高導(dǎo)光筒效率的關(guān)鍵，通常要求導(dǎo)光筒反射材料的反射比要高于0.95。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 3.4 漫射器的光分布及其效率中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 漫射器的作用主要是將收集到的光線進(jìn)行重新分配。因此，漫射器的光分布（配光）將直接影響最終的應(yīng)用效果，其效率類同于燈具的效率。通常采用凹透鏡或拋物柱面反射透鏡等制成的漫射器把光傳輸?shù)叫枰彰鞯牡胤?。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 4 未來發(fā)展中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 總的來說，我國在導(dǎo)光管系統(tǒng)方面的應(yīng)用和研究還處于發(fā)展階段，奧運(yùn)中心區(qū)地下車庫導(dǎo)光管系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為在我國地下建筑及需要進(jìn)行日光照明的空間開辟了一條新的途徑。在奧運(yùn)場(chǎng)館的建設(shè)過程中，也有不少應(yīng)用天然光及導(dǎo)光管技術(shù)的實(shí)際工程案例。通過集成應(yīng)用形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)光管產(chǎn)品，是推進(jìn)綠色照明、保護(hù)環(huán)境的重要環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)現(xiàn)“綠色奧運(yùn)，人文奧運(yùn)，科技奧運(yùn)”三大理念具有重要意義。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 從全球的范圍來看，天然光導(dǎo)光管系統(tǒng)在實(shí)際工程上得到了廣泛的應(yīng)用，各國研究機(jī)構(gòu)也對(duì)相關(guān)的采光及導(dǎo)光基礎(chǔ)理論研究開展了積極的研究，在設(shè)計(jì)方法和理論計(jì)算