建筑類光導管技術運用

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太陽能取之不盡，用之不竭，但是通過門窗等進入室內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，光導管系統便是其中之一，光導管系統引入的是自然光，不需要消耗非可再生資源，同時減小了由常規能源帶來的環境污染，能夠節約20%～30%的建筑用電，對節能有著重要意義[1]。另外，光導管技術的應用，有助于促進人體健康。因為用光導管系統引入的太陽光，保留了自然光的獨特優越性，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，且經過光導管系統處理的太陽光沒有頻譜和眩光，在采光罩上加設防輻射涂層還能有效地濾除有害輻射。因此，光導管技術必將成為能源領域的一大發展方向[2]。研究光導管技術，探索其在建筑領域的應用，對于我國開發和應用新能源有著極其重要的意義。

1光導管技術的發展概況

在19世紀70年代，俄國的契卡洛夫首先制造出世界上第一個光導管，他在室外安裝了大功率弧光燈作為光源，經過集光系統，將產生的平行光通過長管內的鏡面反射引到室內，用于導線車間的照明[3]。1881年，WilliamWheeler也在美國研制出光導管系統，并申請專利，管子內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]。此后前蘇聯對光導管內壁反射材料進行了大量改進工作，并開始了一系列的應用研究探討[5]。GennadyBukhman設計制造的第一個大尺寸的有縫光導管于1965年在前蘇聯首先問世[6]。1975年，在CIE(COMMISSIONINTERNATIONALEDEL''''E-CLAIRAGE)年會上，蘇聯學者J.B.Aijenberg等[7]介紹了他們研制的有縫光導管，被稱為“有光學縫的管道”。同年，GennadyBukhman和JulianAizenberg共同申請了有關塑料薄膜鍍鋁制造的有縫光導管專利[8]。此后，光導管開始在前蘇聯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管相關的研究工作并取得重大進展，進而相繼出現棱鏡光導管[9]、光纖光導管[10]。我國對光導管的研究和使用起步較晚，目前我國市場上的光導管產品主要是有縫光導管。中國建筑科學研究院和建筑物理研究所、河南省電力勘測設計院、平頂山姚孟電廠和江蘇武進崔橋玻璃鋼照明器材廠共同研制了我國第一個有縫光導管照明系統，并裝設在姚孟電廠三四號機組的燃油泵房內[3]。另外，重慶建筑大學曾用鋁板做成直徑0.55m、長度78m的圓柱形光導管，這種光導管內壁涂有一層高純度鋁膜，反射比達到0.85，并采用1000W金鹵燈為照明光源[11]。然而總的來說，我國在光導管的研制和應用領域依然十分落后，基礎理論研究滯后，產品設計和工程應用上的投入的資金不足，導致光導管的傳輸效率一直未能取得大的突破[3]。加強光導管技術的理論基礎研究，加大對光導管產品與應用方面的資金投入，是我國光導管技術發展的必然要求。

2光導管系統原理、結構與優越性

2.1光導管系統原理

光導管照明系統將光源發出的光從一個地方傳輸到另一個地方，進行重新分配，以達到一定的照明效果。廣義上的光導管照明系統稱為RemoteSourceLightingSystem，現在多按照CIE的提法將光導管統稱為LightGuides[3]。而目前科研工作者所研究的主要是自然光光導管照明系統。其原理是通過采光裝置聚集室外的自然光線并導入系統內部，再經過特殊制作的導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底部的漫射器，由系統底部的漫射裝置把自然光線均勻導入到室內任何需要光線的地方[12]。

2.2光導管系統結構

常見的光導管系統一般分為三部分(如圖1)：采光裝置、導光裝置和散光裝置。采光裝置通常是一個透明的玻璃罩，放置于室外樓頂或室外墻體的側面；導光裝置是導光管，管壁是反射率一般在95%以上的反射材料，有的光導管可以旋轉彎曲來改變導光角度和長度；散光裝置安裝在系統底部，是將通過光導管傳輸的光線散射到室內使光線均勻照明的裝置，同時具有避免眩光的作用[1]。

2.3光導管系統的特點

光導管最大的優點是節能。一方面，由于完全采用自然采光無需消耗人工能源，光導管可以節省建筑用電約20%～30%[13]；另一方面，相比其他方式的人工采光，光導管系統所引入的熱負荷比較小。長期以來，人們一直對自然光存在一種誤解，認為自然光進入室內所帶來的熱量要多于人工光源的發熱量。實際上如果提供相同的照度，自然光的發熱量要比大多數人工光源少得多，這是因為人工光源在利用電能發光的同時將大部分電能轉化為了熱能。也就是說人工光源實際的發光效率是很低的，利用光導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的自然光光導照明系統在夏季某一陰天下，輸出的照明效果與白熾燈照明的對比曲線[12]。圖2光導照明系統的照明效果與白熾燈照明的對比曲線Fig.2Lightingcapabilitiesoflightguidessystemandincandescent從圖2曲線可知：從黎明到黃昏，甚至是雨天或陰天，自然光光導照明系統導入室內的光線仍然十分充足，可以提供8h以上的白天室內照明，在節省電能的同時減少電力照明給室內帶來的熱負荷，再減少其他能源消耗。并且在這8h中，光導管提供的室內照度均比白熾燈的大，更能滿足照明要求。其次，光導管技術有助于促進人體健康。光導管系統可以為室內引入天然的光源，并避免眩光，因而可以為人類營造一個和諧舒適的娛樂、辦公、居住環境。科學研究證明，自然光線照明具有更好的視覺效果和心理作用，并且可以清除室內霉氣，抑制微生物生長，促進體內營養物質的合成和吸收，改善居住環境等[14]。此外從長遠來看，光導管系統投入少，效益高。光導管系統從安裝使用開始便屬于一次性投資，不需要維護，使用壽命長，正常情況下可使用30年以上，利用效率較高，可以有效地彌補人工照明的不足[1]。在現如今大力倡導綠色照明的環境下，開發利用光導管照明不失為一種經濟可靠的照明方式。

3光導管系統在建筑領域中的應用

近年來，光導管技術在國外發展的勢頭異常迅猛，并在多個領域得到了應用。我國在2000年以后，也開始重視光導管技術，并逐漸在建筑照明工程上推廣應用。

3.1奧運建筑工程

北京2008年奧運會申辦成功后，在2004年就將太陽能光導管最先寫入了第29屆奧林匹克運動會組織委員會編寫的《奧運工程環保指南》中，明確奧運會建筑中要增加自然采光技術，特別是太陽能光導管技術在奧運建筑中應用[15]。在2008年奧運工程中，分別在奧運中心區“鳥巢”地下庫和奧運村微能耗樓、奧林匹克森林公園、北京科技大學體育館等地采用太陽能光導管。例如北京科技大學體育館，安裝了148個直徑為530mm的光導管。在陽光比較好的情況下，它采集的光線能滿足體育訓練和學生上課的要求，基本可以不開燈或者盡量少開燈。在白天，光導管采集光源照亮室內，晚上則可以將室內的燈光通過屋頂的采光罩傳出，起到美化夜景的效果。同時，由于體育館的鋼屋架是網架結構，桿件較多，用開天窗的方法采集自然光，會受到桿件遮擋，效果不理想。但使用光導管，就很好地解決這一問題[16]。太陽能光導管采光照明成為綠色奧運的一個亮點，并且還帶動其他新興產業。而隨著建筑節能的提出，人們對太陽能利用日益重視，勢必給太陽能光導管提供更大的發展空間。

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”光源，因此，在相距2～6m或更遠距離裝置一組，忽明忽暗的光照對于行車駕駛人員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，在長時間使用后必須全部換裝，其物料成本對交通影響甚為巨大。使用太陽能光導管照明系統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管，直徑約為500mm，頂部裝有可隨日光方向自動調整角度的反光鏡，管體采用傳輸效率較高的棱鏡薄膜制作，將天然光高效地傳輸到地下空間[17]。依PC或壓克力材料特性，在沒有人為破壞狀況下，光導管照明系統將可使用20年以上[18]。雖然在使用光導管照明系統時，安裝成本可能比傳統照明系統要高，但如果考慮運行費用和電力成本，其總投資比傳統照明系統要少很多，而且安全性也會大大增強。

3.3無塵室照明

在高科技電子工業的工廠里，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。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，不在年度修護期間，盡可能不要去修護燈管。但由于燈管壽命不一，也常造成維修單位極大困擾。使用光導管系統可以將光導管的光源安裝在室外，而長度由4～12m的光導管裝置安裝在無塵室適當位置。在必須更換光源燈泡時可以在室外的光源處更換，可避免觸動無塵室內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，在無塵室中有相當程度的冷氣空調用于平衡燈具所造成的熱量，使用光導管照明系統，由于光源置于室外，利用自然風散熱，可以節省大量電力消耗[18]。

3.4工廠廠房照明

對于廠房采光照明工程，一般根據建筑外形、結構、使用場所及采光效果和使用者的照度要求，采用合適的光導照明系統，按照《建筑采光設計標準》進行設計。使用光導照明技術能節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生的頭痛、眼干和脖子酸等不適，還可以穩定心跳速度、調整人體對氧氣、鈣質、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效率[19]。例如山東省日照市海星針織服裝有限公司生產廠房，采用自然光光導管照明[14]。照明位置為光抷庫和輔料庫。光導照明系統光導管長為2.1m(平均值)，漫射器到地面距離為4.0m，室內平均照度為可以達到260lx，且當室外臨界照度＞25000lx時，其室內照度就越大，照明范圍就越大，室內也就越亮。

3.5家居室內照明

家居室內照明是光導管系統最主要的應用之一。采用棱鏡光導管將自然光引入室內，并進行重新分配，從而提供均勻的照度。前蘇聯科學家J.B.Ai-jenberg設計的Helioubus系統就是用棱鏡光導管將自然光引入室內[20]。而棱鏡光導管的輸入和輸出效率可達到60%～80%之間[21]。除了棱鏡光導管，還有其他類型的光導管也逐漸進入室內裝飾照明領域。安裝光導管后的住宅室內的光環境質量顯著改善，在晴天的白天完全可以不再使用電光源照明，光導管導入的自然光完全可以滿足人們的日常活動的照明和采光需求，而且對人們的身體健康有利，安裝采集太陽光的光導管的住宅還可以有效減少“季節綜合征”的發病率[6]。總而言之，光導照明系統漸漸應用于工業廠房、學校、地下空間體育場館、展覽館、動物園、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)光導管系統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。對于我國大多數地區來說，夏季的日照比較充分，光導管的采光率比較高，而在其他季節，光導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，光導管的采光率非常低，此時，需要依靠電光源照明或加裝光伏系統[1]。

(2)由于各地區、各季節和各時段的太陽照度的不穩定性和不均勻性，造成了光導管系統采光的差異性，人們在使用時會感到室內光線時強時弱。因此，還需要加設調節光通量的裝置。

(3)光導管的安裝問題。因為光導管和其他管道一樣需要在建筑中進行安裝，有2個問題需要考慮。一是在建筑設計的同時是否需要考慮給光導管預留安裝空間；二是由于現在的光導管系統多是頂裝式，對于高層建筑，頂層的安裝使用較為方便，而對與低層用戶則相當不便。特別是對于現在的建筑還沒有專設的光導管道，不可能像自來水管道一樣來去自如，低層用戶需要很長的管路，造成了安裝的不便，這也限制了光導管的使用和普及[1]。

4.2發展前景

目前光導管照明僅在少數企業和一些特殊建筑中有所應用。但是作為一種具有巨大發展潛力的采光照明技術，光導管的應用有著良好的市場前景。由于光導管系統尚未成熟，單獨使用時存在一定的局限性。將光導管技術與其他技術相結合，進一步拓寬其應用范圍，是光導管技術發展的必然趨勢。