北京城區(qū)式太陽導(dǎo)入器應(yīng)用研究

北京城區(qū)式太陽導(dǎo)入器應(yīng)用研究

1性質(zhì)研究與應(yīng)用在北京市科學(xué)研究基金和臺灣合作科學(xué)技術(shù)部的支持下，該項目已實施四年。中國大陸（清華大學(xué)建筑學(xué)院、北方工業(yè)大學(xué)建筑工程部、北京建筑工程研究院、浙江五礦進(jìn)出口公司）、臺灣（元宗南尖明設(shè)計辦公室）和日本（日本拉法韋爾co.，ltd.）相關(guān)人員在應(yīng)用于東亞地區(qū)主要城市（北京、臺北、東京等）的建筑光學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上開展了科學(xué)研究合作。本項目組系統(tǒng)梳理了管式太陽光導(dǎo)入器的相關(guān)理論與應(yīng)用實踐,針對“北京城區(qū)太陽光導(dǎo)入器應(yīng)用”這一特定命題,通過2008年、2009年兩年的逐時測試,獲取了全光譜的系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)用以補(bǔ)充各類太陽光導(dǎo)入器于北京城區(qū)應(yīng)用的橫向比較研究,并指導(dǎo)太陽光導(dǎo)入器的研究發(fā)展。本研究為未來北京地下空間的照明節(jié)能與環(huán)境舒適性改善,以及太陽光導(dǎo)入器的低成本推廣提供技術(shù)支持。2基于主體實踐的太陽能導(dǎo)入系統(tǒng)探索本課題在分析國內(nèi)外實踐探索的基礎(chǔ)上,以北京市的太陽光導(dǎo)入器應(yīng)用為實驗?zāi)Ｐ?探索適宜北京地下空間照明應(yīng)用的太陽光導(dǎo)入系統(tǒng)。具體的研究內(nèi)容和研究方法如下:(1)區(qū)和建筑空間的光照導(dǎo)入系統(tǒng)應(yīng)用策略比較各類太陽光導(dǎo)入系統(tǒng)的實踐應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù),分析不同類型地區(qū)和建筑空間的太陽光導(dǎo)入系統(tǒng)應(yīng)用策略。通過廣泛查閱文獻(xiàn)以及對相關(guān)工程實踐的調(diào)查測試,嘗試從多個角度進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié),對研究和實踐所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析并按照類型進(jìn)行系統(tǒng)比較。(2)收集與檢測光通量數(shù)據(jù)以實驗性的分析方法,獲取北京城區(qū)光氣候條件下太陽光導(dǎo)入器的“可見光”系統(tǒng)效率。將不受遮擋的清華大學(xué)建筑館頂層設(shè)備間改造為太陽光導(dǎo)入器系統(tǒng)實驗室(詳見圖1),同時記錄到達(dá)集光器與導(dǎo)入室內(nèi)的光通量數(shù)據(jù),獲取太陽光導(dǎo)入器的“可見光”系統(tǒng)效率。評估北京城區(qū)光氣候條件下應(yīng)用太陽光導(dǎo)入器系統(tǒng)提供地下空間照明的合理性。連續(xù)記錄室內(nèi)接收端的光學(xué)數(shù)據(jù)(光通量、光譜等),開展為期兩年的數(shù)據(jù)采集(典型日數(shù)據(jù)可參見圖2,如春分日的“晝時日平均”光通量為1096.4lm、相關(guān)色溫為5461.6K、平均顯色指數(shù)為84.6)。利用軟件對全時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,完成對2008、2009年北京城區(qū)應(yīng)用太陽光導(dǎo)入器的數(shù)據(jù)評估。3研究結(jié)論3.1傳統(tǒng)光纖傳輸方式的特點(diǎn)管式太陽光導(dǎo)光系統(tǒng)類型研究主要依傳輸方式劃分,包括光線透鏡式、空腔鏡面反射式、空腔棱鏡式和實體核心方式。在相同條件下,系統(tǒng)效率由低到高依次為光線透鏡式、空腔鏡面反射式、空腔棱鏡式和實體核心方式。就目前的應(yīng)用領(lǐng)域而言,空腔鏡面反射式的導(dǎo)光系統(tǒng)依然是主要的應(yīng)用對象,因為其具有經(jīng)濟(jì)和效率的綜合優(yōu)勢,但該類型的系統(tǒng)效率已經(jīng)很難得到大幅度的提高。實體核心方式是目前研究的重點(diǎn)之一,其優(yōu)勢在于:(1)傳輸部分的柔韌性較好。相比其他傳輸方式,無論塑料光纖還是石英玻璃光纖都可以自由的大角度彎曲,在設(shè)計和施工上具有“自由度”優(yōu)勢,能方便地把陽光送達(dá)室內(nèi)的任何地方,在已建和新建建筑物中的安裝均相對方便。(2)傳輸效率較高。在相同條件下,四類傳輸方式中理論上效率最高的為實體核心方式(即光纖傳輸方式)。它的傳輸效率主要取決于傳輸長度而不是空腔管體直徑。除了傳輸長度這個主要因素之外,實體核心方式傳輸光線的能力還受光入射角度、光通量、色度、溫度、材料折射率影響。材料物理層面上的衰減也會帶來傳輸損失。此外,如果光纖的溫度環(huán)境改變,尤其是溫度升高超過了光纖材料的熱承受能力,光線的傳輸問題將變得非常復(fù)雜。(3)調(diào)試、校準(zhǔn)和維護(hù)方便。其他三類傳輸方式在使用時需要對各組成構(gòu)件進(jìn)行較為復(fù)雜的調(diào)試和校準(zhǔn),尤其是光線透鏡式,其傳輸光線的效率非常依賴于準(zhǔn)確的校準(zhǔn)和調(diào)試。此外,其他三類傳輸方式的空腔體在使用中易存在污濁,透鏡和鏡面的潔凈度直接影響傳遞光線的效率。光纖傳輸?shù)臉?gòu)件結(jié)構(gòu)清晰簡潔,管徑小且傳輸部分無透鏡組件,光纖入射端主要密閉搭載主動式集光器,調(diào)試、校準(zhǔn)和維護(hù)相對方便。(4)光纖占用空間較小且發(fā)出端小型、靈活利于設(shè)計整合。其他傳輸方式的傳輸部分所需空間較大,需詳細(xì)分析與建筑的結(jié)合方式。但現(xiàn)階段,按單位導(dǎo)入光通量的成本估算,太陽光導(dǎo)入器的價格相對較高。以2009年8月的測試為例,一臺六棱鏡組集光器+30米光纖的導(dǎo)入光相當(dāng)于1支46W白熾燈,目前僅適用于對光譜有較高要求的特殊空間,如醫(yī)院、養(yǎng)老院、光治療室、水族箱等空間。更新材料、降低造價、通過設(shè)計減少光纖長度、結(jié)合建筑的有效應(yīng)用策略等是目前應(yīng)用該類傳輸方式的主要研究內(nèi)容。3.2系統(tǒng)效率的計算方法經(jīng)過測試,當(dāng)系統(tǒng)工作時(“逐日”系統(tǒng)啟動時),Himawari系統(tǒng)的“六棱鏡組集光器+30米光纖傳輸部分”的系統(tǒng)效率(室內(nèi)“光分配器”效率未計入在內(nèi))約為40～45%,該系統(tǒng)效率值的計算方法詳見表1。該數(shù)據(jù)為結(jié)合光導(dǎo)纖維進(jìn)行散光裝置設(shè)計以及空間中輔助人工照明的設(shè)置都提供了基礎(chǔ)信息?！凹馄?傳輸部分”系統(tǒng)效率的主要影響因素如下:(1)采光球罩表面清潔程度。按四個月維護(hù)計,清潔兩個月后的透光比約為90.7%,清潔四個月后的透光比約為84.1%,可以推算出剛清潔過后的系統(tǒng)效率約為45.6%。(2)光纖路徑損耗。本試驗采用的是日本進(jìn)口的30米玻璃光纖,路徑損耗較低。(3)2008年、2009年北京城區(qū)應(yīng)用太陽光導(dǎo)入器的數(shù)據(jù)評估3.322008年和2009年，北京應(yīng)用光學(xué)檢測器的數(shù)據(jù)評估根據(jù)兩年的連續(xù)觀測(2008年3月至2010年2月),太陽光導(dǎo)入器的系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ吞峁┝吮菊n題研究的主要數(shù)據(jù)信息如下:(1)北京天然光照度統(tǒng)計(1)按光通量的數(shù)值等級分析,100～700lm的中等水平的光通量最多,占有全部數(shù)據(jù)的51%,其次為低水平的光通量(<100lm)占39%,較高水平(>700lm)的光通量占12%。(2)按時間分布分析(詳見圖3),全年在初期(1月、2月)和末期(11月12月)所獲得的光通量相對較低,年中(6月、7月、8月)相對較高。通過對比美國EPA所有的北京天然光照度統(tǒng)計的結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn)同樣的趨勢,即年中的天然光條件整體上要優(yōu)于年初與年末。(3)按數(shù)據(jù)分布的穩(wěn)定分散程度分析,就兩年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,12月、1月和2月的數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定并絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)分布在較低水平(300lm以下),太陽光導(dǎo)入器系統(tǒng)在這幾個月份中無法提供充足的照明條件;6月、7月、8月、9月和11月的數(shù)據(jù)兩年差距較大,并不具有一致性。例如,2008年8月的光通量水平均維持在較高水平,高于700lm的天數(shù)占全月的74.2%,2009年8月的大部分?jǐn)?shù)據(jù)(77.4%)集中在300lm以下,這是由于天氣條件的不穩(wěn)定性造成的。由于天氣條件的不穩(wěn)定性,太陽光導(dǎo)入器系統(tǒng)在這四個月中需要緊密結(jié)合人工照明進(jìn)行補(bǔ)充;其余月份數(shù)據(jù)分布相對分散,各個等級水平的光通量分布相差不大。(4)經(jīng)過逐時數(shù)據(jù)采集,可以發(fā)現(xiàn)光氣候條件(2008年、2009年相差較大)、奧運(yùn)會環(huán)境治理、汽車數(shù)量、污染企業(yè)開工情況等外部條件對于太陽光導(dǎo)入器系統(tǒng)的使用是有較大影響的。項目組將同國家氣象局合作,密切關(guān)注北京城區(qū)直射輻射的變化趨勢,動態(tài)更新評估結(jié)果。(2)月間強(qiáng)度相關(guān)分析(1)按相關(guān)色溫數(shù)值的等級分析,全部數(shù)據(jù)在3000K～4500K區(qū)間分布為最多,達(dá)到了54%,其次為4500K～6000K的21%。(2)按時間分布分析(詳見圖4),7月、8月、9月三個月的相關(guān)色溫有效數(shù)值較高,其中2008年9月的月相關(guān)色溫5566K為全部獲取數(shù)據(jù)最高。一年中的年終和年初(11月、12月、1月和2月)的相關(guān)色溫偏低,在3000～4500K區(qū)段;春季(3月、4月、5月)的數(shù)值則集中在3000～4500區(qū)段;8月、9月、10月的數(shù)值分布比較穩(wěn)定,集中在4500～6000K區(qū)間;6、7兩個月的數(shù)據(jù)分布相對分散,缺少穩(wěn)定性。在分析太陽光導(dǎo)入器系統(tǒng)應(yīng)用時,需要了解環(huán)境的光色要求,在不同月份使用中進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。(3)顯色指數(shù)除因天然光條件較差(逐日裝置未啟動)而無法采集到顯色指數(shù)外,兩年內(nèi)約50%的顯色指數(shù)分布集中于80～90的區(qū)間。(4)光通量對相關(guān)色分布的影響(1)全部數(shù)據(jù)中,光通量變化范圍較大;顯色指數(shù)和相關(guān)色溫變化范圍較小,分布在各自比較集中的區(qū)間(平均顯色指數(shù)70～90;相關(guān)色溫3000～6000)內(nèi),二者不隨光通量變化而產(chǎn)生較大變化。(2)光通量較低時(小于300lm),相關(guān)色溫和顯色指數(shù)的分布都在相對較低區(qū)間;光通量較高時(大于700lm),相關(guān)色溫分布在較高區(qū)間4000～6000K(93.3%),顯色指數(shù)全部大于80。由于光通量能夠較大程度的反應(yīng)天然光整體條件,因此呈現(xiàn)出了上述變量關(guān)系。4關(guān)于研究(1)基于“試劑終端光纖”的光導(dǎo)照明系統(tǒng)設(shè)計完善模型與模擬試驗相結(jié)合的研究方法,評測并評估光導(dǎo)照明系統(tǒng)下使用空間的環(huán)境質(zhì)量和節(jié)能效益,提出適合地下空間使用功能的“日光終端光纖”的光導(dǎo)照明系統(tǒng)。(2)光導(dǎo)傳輸系