地下工程节能采光设置

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无窗和缺少自然光是大多数地下空间的缺点，所以采光设计对于大多数地下建筑设计而言是非常重要的。

1地下建筑采光设计需要解决的问题

1.1缺少自然光封闭的地下空间缺乏自然光的照射，而且主要是以荧光灯进行照明，使得地下空间单调并且缺乏变化。为改变这些缺陷，就需要对人工光的色彩、光强、用光的方向等精心设计或者利用人工的方式导入自然光。

1.2不良的心理反应人们在地下空间中的方位感较差。人在地下空间中往往依赖于室内光线的方向和强弱的变化来确定方位，不正确的视觉信息会歪曲人的定向感，在室内失去定向感，往往会使人感觉不适。而光线充足的室内则可以弥补对黑暗的地下空间的消极联想。

2天然采光

为了节能和改善地下和无窗建筑室内光环境，在地下建筑中，应该尽可能的透过侧窗、天窗和中庭为建筑物提供自然采光，但是地下空间多为封闭空间，所以我们就要寻求一些新的地下建筑采光方法。天然采光不仅仅是为了满足照度和节约采光能耗的要求，更重要的是满足人们对自然阳光、空间方位感、昼夜交替等自然信息感知的心理要求。此外，在地下建筑中，天然采光的形式可使空间更加开敞，并在一定程度上改善通风效果，而且在视觉心理上大大减少了地下空间的封闭、压抑、阴森等不良影响。因此，可以说，地下建筑天然采光对于改善地下建筑具有很多方面的作用。近年来出现了一些新的地下建筑采光方法。虽然这类建筑利用天然光照明方法曾已为人们有所研究,但是还有许多技术问题有待研究解决。我们对这一方法的发展，它与传统采光的差异，优点，采光过程，采光系统(包括定日镜、聚光镜和导光管等)的组成，技术经济价值及发展前景进行了较全面的研究。主动式太阳光系统。在很多情况下，地下空间是完全隔绝的，因此，无法利用侧窗和天窗采纳自然光，需要主动太阳光系统将自然光通过孔道、导管、光纤等传递到隔绝的地下空间中。主动太阳光系统的基本原理是根据季节、时间计算出太阳位置的变化采用定日镜跟踪系统作为阳光收集器，并采用高效率的光导系统将天然光送入深层地下空间。下面将介绍光导系统的两种形式。

(1)纤维光导管系统。照明在能源及其环境污染上的严重性，已经引起了人们的重视，而解决问题的关键就是大力推广绿色照明技术。光导管是近20年发展起来的一种新型有效的利用自然光的照明装置。在地下空间的设计中，它可以把自然光进行重新分配，从地上传输到地下，以达到一定的照明效果。它不仅具有节约能源，清洁无污染的优点，还可以避免一些采用自然光照明的系统由于直接获得太阳光存在的炫目和潜在热不适等问题。光导照明系统是一种新型的照明系统，主要是由采光罩、光导管和漫射器三部分组成。其系统原理是通过顶部的采光罩高效采集自然光线导入系统内部进行重新分配，再经过特殊制作的光导管传输和强化，光导管内壁为高反射材料，反射率一般在95%以上，光导管可以旋转弯曲重叠来改变导光角度和长度。最后由系统底部的漫射装置把自然光均匀高效地照射到任何需要光线的地方，并且可避免眩光现象的发生。从而得到由自然光带来的特殊照明效果，打破了照明完全依靠电力的观念，是一种绿色、健康、环保、无能耗的照明装置。从采光的方式上分类，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很好，但是聚光器的造价昂贵，目前很少在建筑中使用。目前使用最多的是被动式采光光导管，聚光罩和光导管本身连接在一起固定不动，聚光罩多由PC或有机玻璃注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱。光导管可以实现白天完全或部分利用自然光照明，从而大大节省电能。自然采光能节约建筑能耗，在地下建筑中的应用将会日渐显现。光导管技术把地上的太阳光传输到地下来，却不产生过多的热。随着人们生活水平的提高，和节约建筑能耗的紧迫性，光导管技术必将在中国得到广泛应用。我国目前在光导管的研制和应用领域仍然十分落后，还不具备大规模生产光导管的能力。主要原因在于光导管用的高反射率薄膜我国还没有掌握其生产工艺，光导管的传输效率有待于进一步提高，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，在我国光导管技术还没有大规模进入市场。

(2)定日镜。定日镜是一种对阳光进行反射定位的装置，通过对太阳进行跟踪，它可以将阳光精确地反射到某一固定位置，由于这一特性，它在地下空间的自然采光方面得到了很好的应用。用抛物镜和平面镜将定日镜收集的阳光通过光导管送入室内的光路设计，对解决浅埋地下或无窗建筑采光问题是较合适的。定日镜的上方设有反光镜。定日镜像向日葵一样跟着太阳转，但不完全像向日葵那样“正视”阳光，而是将阳光折射给定日镜上方的反光镜子，阳光就这样被主动搜集过来，反光镜朝下，阳光被“输送”到地下空间。引入主动式自然导光系统，主动收集太阳光的方式，将太阳光引入室内进行照明。与用普通的天窗玻璃直接引入太阳光的方式相比，主动式自然导光系统不仅提高了照度，延长了室内照明自然光照明时间，并且，对光线进行了散射，避免眩光的产生，改善了照度的均匀性，获得更舒适的照明效果。主动式导光系统经过收集、反射、透射、散射等方式，将太阳光导入室内。导光系统主要由三部分组成，包括定日镜、平面反射镜以及5组“天窗＋漫射板”。除了定日镜，其他的组件都是固定不动的。其中，定日镜的作用是收集太阳光。定日镜需根据太阳位置的改变不断进行角度调整，以确保定日镜收集并反射出去的光线全部被平面反射镜接收到。平面反射镜的作用是接收定日镜收集的太阳光，并将其反射进天窗。从天窗射入的光经过漫射板的散射作用变成比较均匀的光对室内照明。定日镜准确跟踪太阳光是该系统成功的关键，为此，精确计算太阳在各个时刻的方位，并将其转化为定日镜的姿态调整数据，确保将太阳光准确反射到平面镜上。定日镜除了要准确跟踪太阳，还要求出射的光线有聚光效果，为此，采用超环面面型作为定日镜的反射镜面，而非普通的球面反射镜面型，前者能有效地降低光学系统像差，更集中地将光线汇聚在一个小区域。

3人工照明

地下建筑中很难完全依靠天然采光，即使可以通过自然采光，也很难使自然光到达建筑内部的空间。因此，在自然光不能完全到达的地下空间中，人工照明作为自然光的补充是必不可少的。在室内人工照明设计时，应综合考虑照度、均匀度、色彩的适宜度以及具有视觉心理作用的光环境艺术等，从整体考虑确定光的基调以及灯具的选择，争取创造出适合人的视觉特点的光照环境。

3.1地下建筑人工照明的原则

(1)应该根据地下工程的用途、空间大小、建筑形式、材料光洁度、色彩以及灯具形式全面考虑。

(2)照度应该满足工作需求。

(3)应减少单独使用白色冷光荧光灯，使各种光源混用，以降低光色的单调程度。

(4)在出入口处，因其起着连接内外的作用，相对于内部应该有较高的照明度。从室外进入地下内部，照度降低，应该保持一个合适的梯度。

3.2人工照明的设计方法

3.2.1创造具有自然特性的人造光

人工照明具有光强比阳光小且光色不全等缺点。因此，设计人造光模拟自然光的特性是一个重要方法。人造光系统可以模拟阳光的颜色、稳定性以及在方向与强度的变化。模拟自然光的全光谱灯泡可以提供紫外线照射，以利于地下空间中人们的生理健康。将全光谱灯泡隐藏起来进行间接照明，或者至于假天窗之上，会使人误以为是日光在照明。设计者应该在无窗的地下空间中使人造光能够模拟阳光在一天中的规律性变化，具体的做法是根据外面一天中阳光的周期性变化来改变人工光的颜色和强度。

3.2.2变幻的光影

对于灯光设计来说，使用变幻的光线所起的作用是很重要的，这并不是简单地为了变化而变化，而是通过变化加强对不同功能空间的限定，并反映出空间的不同功能。还可以通过在沿着过道的主要目的空间增加光的照度来引导人们的运动。用人工创造出类似自然光的、变化的光线会使空间更丰富、更有活力。

4采光与节能

节约能源、保护环境、提高照明品质是绿色照明的宗旨，在能源日益紧张的今天，充分利用天然光，把太阳光通过导光管系统方式直接传输到室内需要照明的地方，特别是一些地下或无窗建筑，必然是未来太阳能综合利用很好的一种方式，更有利于实现可持续发展战略。

4.1导光系统在节能方面的体现

采光节能的方法很多，如采用镜面反射采光法；利用导光管导光的采光法；光纤导光采光法；棱镜传光的采光方法；光伏效应间接采光照明法。但无论采用什么方法都旨在降低成本和提高效率，以求在改善地下空间环境方面获得一种节能、经济的光照技术。导光装置是地下采光系统中不可少的部分。选择合适的导光方式，是设计中的关键。石英玻纤导光管具有高传输、柔韧性好和便于安装使用等优点，是一种较理想的导光材料。目前，这种光纤在我国仅限于通信方面的应用，由于生产能力较低，市场需求量不大，所以价格特别昂贵。如果采用透镜、平面镜组成的几何光路导光系统，那么购置大批光学元件所花费的资金也是相当可观的。相比之下，选用空心导光管既经济又实用，空心导光管具有易加工及易安装的特点，将其内壁镀上高反射率的材料，同样能获得较高的光通传输率和利用率。因此，有一定的使用价值。所以应该选择合适的导光材料，达到节能标准，最大限度地利用阳光。国内目前在地下空间中运用导光管照明已有工程实践，收到较好的节能效果，如北京奥运中心区地下车库所采用的导光管系统。该工程安装了19套导光管系统，单套导光管系统可为70m2车库提供照明。导光管内径为1.2m，导光管长度为3.35m和3.85m。按照车库地面照度标准为75lx，工程按照设计计算效果模拟及照明控制设计完成的导光管系统工程，经工程完工后实测，全阴天时室外照度折算为2000lx时，室内平均照度达到75lx，符合标准要求。在室外照度达到95551lx时，室内照度达到670lx。在节能方面，19套导光管系统全年为车库节能24472kW•h电。

4.2人工照明节能方法在地下空间中，最大限度地利用自然光也并不能完全满足使用要求，在夜晚和阴天时需要借助人工方式来辅助照明。为了节省耗电量以及满足环保节能标准，地下空间可使用LED智能灯，同样能达到节能环保的标准。LED智能灯能根据实际需要提供适度的照明，在不降低照明品质的前提下，大幅度降低电能消耗。它具备很多优点：

(1)耗电量低。LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗(单管0.03～0.06W)，电光功率转换接近100%。一般来说LED的工作电压是2～3.6V，工作电流是0.02～0.03A。这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能80%以上。

(2)使用寿命长。有人称LED光源为长寿灯，它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万～10万h，比传统光源寿命长10倍以上。

(3)高亮度、低热量。LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

(4)环保。LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

5结语

在地下建筑中，应尽可能地提供天然彩光；也要在同时设计人造光体系来模拟自然光的特性。空间应该具有足够的照度以满足功能实用的要求；此外，照明设计应能够加强空间的宽敞感并创造出富有活力的、多样的地下建筑内部环境。