建筑类光导管技术运用

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太阳能取之不尽，用之不竭，但是通过门窗等进入室内的太阳光仅占很小一部分。为了更好地利用太阳能，人们研究出许多新技术，光导管系统便是其中之一，光导管系统引入的是自然光，不需要消耗非可再生资源，同时减小了由常规能源带来的环境污染，能够节约20%～30%的建筑用电，对节能有着重要意义[1]。另外，光导管技术的应用，有助于促进人体健康。因为用光导管系统引入的太阳光，保留了自然光的独特优越性，光谱范围广，光线均匀柔和，可以起到杀菌和防治多种皮肤病的功效，且经过光导管系统处理的太阳光没有频谱和眩光，在采光罩上加设防辐射涂层还能有效地滤除有害辐射。因此，光导管技术必将成为能源领域的一大发展方向[2]。研究光导管技术，探索其在建筑领域的应用，对于我国开发和应用新能源有着极其重要的意义。

1光导管技术的发展概况

在19世纪70年代，俄国的契卡洛夫首先制造出世界上第一个光导管，他在室外安装了大功率弧光灯作为光源，经过集光系统，将产生的平行光通过长管内的镜面反射引到室内，用于导线车间的照明[3]。1881年，WilliamWheeler也在美国研制出光导管系统，并申请专利，管子内壁涂有反射能力的涂层，但由于该涂层反射率低，效果并不明显[4]。此后前苏联对光导管内壁反射材料进行了大量改进工作，并开始了一系列的应用研究探讨[5]。GennadyBukhman设计制造的第一个大尺寸的有缝光导管于1965年在前苏联首先问世[6]。1975年，在CIE(COMMISSIONINTERNATIONALEDEL''''E-CLAIRAGE)年会上，苏联学者J.B.Aijenberg等[7]介绍了他们研制的有缝光导管，被称为“有光学缝的管道”。同年，GennadyBukhman和JulianAizenberg共同申请了有关塑料薄膜镀铝制造的有缝光导管专利[8]。此后，光导管开始在前苏联很多易燃易爆场所推广使用。而美国和欧洲各国也纷纷开展光导管相关的研究工作并取得重大进展，进而相继出现棱镜光导管[9]、光纤光导管[10]。我国对光导管的研究和使用起步较晚，目前我国市场上的光导管产品主要是有缝光导管。中国建筑科学研究院和建筑物理研究所、河南省电力勘测设计院、平顶山姚孟电厂和江苏武进崔桥玻璃钢照明器材厂共同研制了我国第一个有缝光导管照明系统，并装设在姚孟电厂三四号机组的燃油泵房内[3]。另外，重庆建筑大学曾用铝板做成直径0.55m、长度78m的圆柱形光导管，这种光导管内壁涂有一层高纯度铝膜，反射比达到0.85，并采用1000W金卤灯为照明光源[11]。然而总的来说，我国在光导管的研制和应用领域依然十分落后，基础理论研究滞后，产品设计和工程应用上的投入的资金不足，导致光导管的传输效率一直未能取得大的突破[3]。加强光导管技术的理论基础研究，加大对光导管产品与应用方面的资金投入，是我国光导管技术发展的必然要求。

2光导管系统原理、结构与优越性

2.1光导管系统原理

光导管照明系统将光源发出的光从一个地方传输到另一个地方，进行重新分配，以达到一定的照明效果。广义上的光导管照明系统称为RemoteSourceLightingSystem，现在多按照CIE的提法将光导管统称为LightGuides[3]。而目前科研工作者所研究的主要是自然光光导管照明系统。其原理是通过采光装置聚集室外的自然光线并导入系统内部，再经过特殊制作的导光装置通过多次反射改变自然光的传播方向，并将光线反射到系统底部的漫射器，由系统底部的漫射装置把自然光线均匀导入到室内任何需要光线的地方[12]。

2.2光导管系统结构

常见的光导管系统一般分为三部分(如图1)：采光装置、导光装置和散光装置。采光装置通常是一个透明的玻璃罩，放置于室外楼顶或室外墙体的侧面；导光装置是导光管，管壁是反射率一般在95%以上的反射材料，有的光导管可以旋转弯曲来改变导光角度和长度；散光装置安装在系统底部，是将通过光导管传输的光线散射到室内使光线均匀照明的装置，同时具有避免眩光的作用[1]。

2.3光导管系统的特点

光导管最大的优点是节能。一方面，由于完全采用自然采光无需消耗人工能源，光导管可以节省建筑用电约20%～30%[13]；另一方面，相比其他方式的人工采光，光导管系统所引入的热负荷比较小。长期以来，人们一直对自然光存在一种误解，认为自然光进入室内所带来的热量要多于人工光源的发热量。实际上如果提供相同的照度，自然光的发热量要比大多数人工光源少得多，这是因为人工光源在利用电能发光的同时将大部分电能转化为了热能。也就是说人工光源实际的发光效率是很低的，利用光导管采光代替人工照明，可以有效降低建筑能耗。图2是直径为330mm的自然光光导照明系统在夏季某一阴天下，输出的照明效果与白炽灯照明的对比曲线[12]。图2光导照明系统的照明效果与白炽灯照明的对比曲线Fig.2Lightingcapabilitiesoflightguidessystemandincandescent从图2曲线可知：从黎明到黄昏，甚至是雨天或阴天，自然光光导照明系统导入室内的光线仍然十分充足，可以提供8h以上的白天室内照明，在节省电能的同时减少电力照明给室内带来的热负荷，再减少其他能源消耗。并且在这8h中，光导管提供的室内照度均比白炽灯的大，更能满足照明要求。其次，光导管技术有助于促进人体健康。光导管系统可以为室内引入天然的光源，并避免眩光，因而可以为人类营造一个和谐舒适的娱乐、办公、居住环境。科学研究证明，自然光线照明具有更好的视觉效果和心理作用，并且可以清除室内霉气，抑制微生物生长，促进体内营养物质的合成和吸收，改善居住环境等[14]。此外从长远来看，光导管系统投入少，效益高。光导管系统从安装使用开始便属于一次性投资，不需要维护，使用寿命长，正常情况下可使用30年以上，利用效率较高，可以有效地弥补人工照明的不足[1]。在现如今大力倡导绿色照明的环境下，开发利用光导管照明不失为一种经济可靠的照明方式。

3光导管系统在建筑领域中的应用

近年来，光导管技术在国外发展的势头异常迅猛，并在多个领域得到了应用。我国在2000年以后，也开始重视光导管技术，并逐渐在建筑照明工程上推广应用。

3.1奥运建筑工程

北京2008年奥运会申办成功后，在2004年就将太阳能光导管最先写入了第29届奥林匹克运动会组织委员会编写的《奥运工程环保指南》中，明确奥运会建筑中要增加自然采光技术，特别是太阳能光导管技术在奥运建筑中应用[15]。在2008年奥运工程中，分别在奥运中心区“鸟巢”地下库和奥运村微能耗楼、奥林匹克森林公园、北京科技大学体育馆等地采用太阳能光导管。例如北京科技大学体育馆，安装了148个直径为530mm的光导管。在阳光比较好的情况下，它采集的光线能满足体育训练和学生上课的要求，基本可以不开灯或者尽量少开灯。在白天，光导管采集光源照亮室内，晚上则可以将室内的灯光通过屋顶的采光罩传出，起到美化夜景的效果。同时，由于体育馆的钢屋架是网架结构，杆件较多，用开天窗的方法采集自然光，会受到杆件遮挡，效果不理想。但使用光导管，就很好地解决这一问题[16]。太阳能光导管采光照明成为绿色奥运的一个亮点，并且还带动其他新兴产业。而随着建筑节能的提出，人们对太阳能利用日益重视，势必给太阳能光导管提供更大的发展空间。

3.2隧道工程

在隧道工程中，一般常用的照明装置为防爆水银灯、钠气灯以及日光灯组。使用水银灯或钠气灯具，由于是“点”光源，因此，在相距2～6m或更远距离装置一组，忽明忽暗的光照对于行车驾驶人员容易造成生理上的催眠作用，影响行车安全。此外，钠灯、水银灯的启动电压与耗电量大。而使用日光灯组则容易破裂，有安全隐患，且使用寿命长短不一，维修不方便，在长时间使用后必须全部换装，其物料成本对交通影响甚为巨大。使用太阳能光导管照明系统就可以消除这些困扰。例如，德国柏林波茨坦广场地下隧道使用的光导管，直径约为500mm，顶部装有可随日光方向自动调整角度的反光镜，管体采用传输效率较高的棱镜薄膜制作，将天然光高效地传输到地下空间[17]。依PC或压克力材料特性，在没有人为破坏状况下，光导管照明系统将可使用20年以上[18]。虽然在使用光导管照明系统时，安装成本可能比传统照明系统要高，但如果考虑运行费用和电力成本，其总投资比传统照明系统要少很多，而且安全性也会大大增强。

3.3无尘室照明

在高科技电子工业的工厂里，无尘室是无法取代的工作场所。目前普通使用的仍是一般的日光灯照明系统。但为了保持无尘室的洁净度，避免灯管上留驻粉尘下落，若无充分理由，不在年度修护期间，尽可能不要去修护灯管。但由于灯管寿命不一，也常造成维修单位极大困扰。使用光导管系统可以将光导管的光源安装在室外，而长度由4～12m的光导管装置安装在无尘室适当位置。在必须更换光源灯泡时可以在室外的光源处更换，可避免触动无尘室内的灯具而造成粉尘的掉落。再者，由于所有日光灯约1/3的能源在使用中变成热源，在无尘室中有相当程度的冷气空调用于平衡灯具所造成的热量，使用光导管照明系统，由于光源置于室外，利用自然风散热，可以节省大量电力消耗[18]。

3.4工厂厂房照明

对于厂房采光照明工程，一般根据建筑外形、结构、使用场所及采光效果和使用者的照度要求，采用合适的光导照明系统，按照《建筑采光设计标准》进行设计。使用光导照明技术能节省大量的白天工厂照明用电，并且在自然光线下工作，工人更放松，更容易消除工作中产生的头痛、眼干和脖子酸等不适，还可以稳定心跳速度、调整人体对氧气、钙质、维生素D等的吸收、甚至能够改善肌肉的能量分配，这将有利于保证工人较高的生产效率[19]。例如山东省日照市海星针织服装有限公司生产厂房，采用自然光光导管照明[14]。照明位置为光抷库和辅料库。光导照明系统光导管长为2.1m(平均值)，漫射器到地面距离为4.0m，室内平均照度为可以达到260lx，且当室外临界照度＞25000lx时，其室内照度就越大，照明范围就越大，室内也就越亮。

3.5家居室内照明

家居室内照明是光导管系统最主要的应用之一。采用棱镜光导管将自然光引入室内，并进行重新分配，从而提供均匀的照度。前苏联科学家J.B.Ai-jenberg设计的Helioubus系统就是用棱镜光导管将自然光引入室内[20]。而棱镜光导管的输入和输出效率可达到60%～80%之间[21]。除了棱镜光导管，还有其他类型的光导管也逐渐进入室内装饰照明领域。安装光导管后的住宅室内的光环境质量显著改善，在晴天的白天完全可以不再使用电光源照明，光导管导入的自然光完全可以满足人们的日常活动的照明和采光需求，而且对人们的身体健康有利，安装采集太阳光的光导管的住宅还可以有效减少“季节综合征”的发病率[6]。总而言之，光导照明系统渐渐应用于工业厂房、学校、地下空间体育场馆、展览馆、动物园、办公场所、别墅等建筑。

4存在问题和前景展望

4.1存在的问题

(1)光导管系统使用太阳光作为光源，其采集的光能量容易受到气候的影响。对于我国大多数地区来说，夏季的日照比较充分，光导管的采光率比较高，而在其他季节，光导管的效率就要打些折扣；天气的影响要更明显些，在阴天或云雨天，光导管的采光率非常低，此时，需要依靠电光源照明或加装光伏系统[1]。

(2)由于各地区、各季节和各时段的太阳照度的不稳定性和不均匀性，造成了光导管系统采光的差异性，人们在使用时会感到室内光线时强时弱。因此，还需要加设调节光通量的装置。

(3)光导管的安装问题。因为光导管和其他管道一样需要在建筑中进行安装，有2个问题需要考虑。一是在建筑设计的同时是否需要考虑给光导管预留安装空间；二是由于现在的光导管系统多是顶装式，对于高层建筑，顶层的安装使用较为方便，而对与低层用户则相当不便。特别是对于现在的建筑还没有专设的光导管道，不可能像自来水管道一样来去自如，低层用户需要很长的管路，造成了安装的不便，这也限制了光导管的使用和普及[1]。

4.2发展前景

目前光导管照明仅在少数企业和一些特殊建筑中有所应用。但是作为一种具有巨大发展潜力的采光照明技术，光导管的应用有着良好的市场前景。由于光导管系统尚未成熟，单独使用时存在一定的局限性。将光导管技术与其他技术相结合，进一步拓宽其应用范围，是光导管技术发展的必然趋势。