地下工程節能采光設置

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無窗和缺少自然光是大多數地下空間的缺點，所以采光設計對于大多數地下建筑設計而言是非常重要的。

1地下建筑采光設計需要解決的問題

1.1缺少自然光封閉的地下空間缺乏自然光的照射，而且主要是以熒光燈進行照明，使得地下空間單調并且缺乏變化。為改變這些缺陷，就需要對人工光的色彩、光強、用光的方向等精心設計或者利用人工的方式導入自然光。

1.2不良的心理反應人們在地下空間中的方位感較差。人在地下空間中往往依賴于室內光線的方向和強弱的變化來確定方位，不正確的視覺信息會歪曲人的定向感，在室內失去定向感，往往會使人感覺不適。而光線充足的室內則可以彌補對黑暗的地下空間的消極聯想。

2天然采光

為了節能和改善地下和無窗建筑室內光環境，在地下建筑中，應該盡可能的透過側窗、天窗和中庭為建筑物提供自然采光，但是地下空間多為封閉空間，所以我們就要尋求一些新的地下建筑采光方法。天然采光不僅僅是為了滿足照度和節約采光能耗的要求，更重要的是滿足人們對自然陽光、空間方位感、晝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間更加開敞，并在一定程度上改善通風效果，而且在視覺心理上大大減少了地下空間的封閉、壓抑、陰森等不良影響。因此，可以說，地下建筑天然采光對于改善地下建筑具有很多方面的作用。近年來出現了一些新的地下建筑采光方法。雖然這類建筑利用天然光照明方法曾已為人們有所研究,但是還有許多技術問題有待研究解決。我們對這一方法的發展，它與傳統采光的差異，優點，采光過程，采光系統(包括定日鏡、聚光鏡和導光管等)的組成，技術經濟價值及發展前景進行了較全面的研究。主動式太陽光系統。在很多情況下，地下空間是完全隔絕的，因此，無法利用側窗和天窗采納自然光，需要主動太陽光系統將自然光通過孔道、導管、光纖等傳遞到隔絕的地下空間中。主動太陽光系統的基本原理是根據季節、時間計算出太陽位置的變化采用定日鏡跟蹤系統作為陽光收集器，并采用高效率的光導系統將天然光送入深層地下空間。下面將介紹光導系統的兩種形式。

(1)纖維光導管系統。照明在能源及其環境污染上的嚴重性，已經引起了人們的重視，而解決問題的關鍵就是大力推廣綠色照明技術。光導管是近20年發展起來的一種新型有效的利用自然光的照明裝置。在地下空間的設計中，它可以把自然光進行重新分配，從地上傳輸到地下，以達到一定的照明效果。它不僅具有節約能源，清潔無污染的優點，還可以避免一些采用自然光照明的系統由于直接獲得太陽光存在的炫目和潛在熱不適等問題。光導照明系統是一種新型的照明系統，主要是由采光罩、光導管和漫射器三部分組成。其系統原理是通過頂部的采光罩高效采集自然光線導入系統內部進行重新分配，再經過特殊制作的光導管傳輸和強化，光導管內壁為高反射材料，反射率一般在95%以上，光導管可以旋轉彎曲重疊來改變導光角度和長度。最后由系統底部的漫射裝置把自然光均勻高效地照射到任何需要光線的地方，并且可避免眩光現象的發生。從而得到由自然光帶來的特殊照明效果，打破了照明完全依靠電力的觀念，是一種綠色、健康、環保、無能耗的照明裝置。從采光的方式上分類，光導管有主動式和被動式兩種。主動式是通過一個能夠跟蹤太陽的聚光器來采集太陽光，這種類型的光導管采集太陽光的效果很好，但是聚光器的造價昂貴，目前很少在建筑中使用。目前使用最多的是被動式采光光導管，聚光罩和光導管本身連接在一起固定不動，聚光罩多由PC或有機玻璃注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱。光導管可以實現白天完全或部分利用自然光照明，從而大大節省電能。自然采光能節約建筑能耗，在地下建筑中的應用將會日漸顯現。光導管技術把地上的太陽光傳輸到地下來，卻不產生過多的熱。隨著人們生活水平的提高，和節約建筑能耗的緊迫性，光導管技術必將在中國得到廣泛應用。我國目前在光導管的研制和應用領域仍然十分落后，還不具備大規模生產光導管的能力。主要原因在于光導管用的高反射率薄膜我國還沒有掌握其生產工藝，光導管的傳輸效率有待于進一步提高，在基礎理論研究和產品設計、實踐操作等方面的工作還很不夠，因此，在我國光導管技術還沒有大規模進入市場。

(2)定日鏡。定日鏡是一種對陽光進行反射定位的裝置，通過對太陽進行跟蹤，它可以將陽光精確地反射到某一固定位置，由于這一特性，它在地下空間的自然采光方面得到了很好的應用。用拋物鏡和平面鏡將定日鏡收集的陽光通過光導管送入室內的光路設計，對解決淺埋地下或無窗建筑采光問題是較合適的。定日鏡的上方設有反光鏡。定日鏡像向日葵一樣跟著太陽轉，但不完全像向日葵那樣“正視”陽光，而是將陽光折射給定日鏡上方的反光鏡子，陽光就這樣被主動搜集過來，反光鏡朝下，陽光被“輸送”到地下空間。引入主動式自然導光系統，主動收集太陽光的方式，將太陽光引入室內進行照明。與用普通的天窗玻璃直接引入太陽光的方式相比，主動式自然導光系統不僅提高了照度，延長了室內照明自然光照明時間，并且，對光線進行了散射，避免眩光的產生，改善了照度的均勻性，獲得更舒適的照明效果。主動式導光系統經過收集、反射、透射、散射等方式，將太陽光導入室內。導光系統主要由三部分組成，包括定日鏡、平面反射鏡以及5組“天窗＋漫射板”。除了定日鏡，其他的組件都是固定不動的。其中，定日鏡的作用是收集太陽光。定日鏡需根據太陽位置的改變不斷進行角度調整，以確保定日鏡收集并反射出去的光線全部被平面反射鏡接收到。平面反射鏡的作用是接收定日鏡收集的太陽光，并將其反射進天窗。從天窗射入的光經過漫射板的散射作用變成比較均勻的光對室內照明。定日鏡準確跟蹤太陽光是該系統成功的關鍵，為此，精確計算太陽在各個時刻的方位，并將其轉化為定日鏡的姿態調整數據，確保將太陽光準確反射到平面鏡上。定日鏡除了要準確跟蹤太陽，還要求出射的光線有聚光效果，為此，采用超環面面型作為定日鏡的反射鏡面，而非普通的球面反射鏡面型，前者能有效地降低光學系統像差，更集中地將光線匯聚在一個小區域。

3人工照明

地下建筑中很難完全依靠天然采光，即使可以通過自然采光，也很難使自然光到達建筑內部的空間。因此，在自然光不能完全到達的地下空間中，人工照明作為自然光的補充是必不可少的。在室內人工照明設計時，應綜合考慮照度、均勻度、色彩的適宜度以及具有視覺心理作用的光環境藝術等，從整體考慮確定光的基調以及燈具的選擇，爭取創造出適合人的視覺特點的光照環境。

3.1地下建筑人工照明的原則

(1)應該根據地下工程的用途、空間大小、建筑形式、材料光潔度、色彩以及燈具形式全面考慮。

(2)照度應該滿足工作需求。

(3)應減少單獨使用白色冷光熒光燈，使各種光源混用，以降低光色的單調程度。

(4)在出入口處，因其起著連接內外的作用，相對于內部應該有較高的照明度。從室外進入地下內部，照度降低，應該保持一個合適的梯度。

3.2人工照明的設計方法

3.2.1創造具有自然特性的人造光

人工照明具有光強比陽光小且光色不全等缺點。因此，設計人造光模擬自然光的特性是一個重要方法。人造光系統可以模擬陽光的顏色、穩定性以及在方向與強度的變化。模擬自然光的全光譜燈泡可以提供紫外線照射，以利于地下空間中人們的生理健康。將全光譜燈泡隱藏起來進行間接照明，或者至于假天窗之上，會使人誤以為是日光在照明。設計者應該在無窗的地下空間中使人造光能夠模擬陽光在一天中的規律性變化，具體的做法是根據外面一天中陽光的周期性變化來改變人工光的顏色和強度。

3.2.2變幻的光影

對于燈光設計來說，使用變幻的光線所起的作用是很重要的，這并不是簡單地為了變化而變化，而是通過變化加強對不同功能空間的限定，并反映出空間的不同功能。還可以通過在沿著過道的主要目的空間增加光的照度來引導人們的運動。用人工創造出類似自然光的、變化的光線會使空間更豐富、更有活力。

4采光與節能

節約能源、保護環境、提高照明品質是綠色照明的宗旨，在能源日益緊張的今天，充分利用天然光，把太陽光通過導光管系統方式直接傳輸到室內需要照明的地方，特別是一些地下或無窗建筑，必然是未來太陽能綜合利用很好的一種方式，更有利于實現可持續發展戰略。

4.1導光系統在節能方面的體現

采光節能的方法很多，如采用鏡面反射采光法；利用導光管導光的采光法；光纖導光采光法；棱鏡傳光的采光方法；光伏效應間接采光照明法。但無論采用什么方法都旨在降低成本和提高效率，以求在改善地下空間環境方面獲得一種節能、經濟的光照技術。導光裝置是地下采光系統中不可少的部分。選擇合適的導光方式，是設計中的關鍵。石英玻纖導光管具有高傳輸、柔韌性好和便于安裝使用等優點，是一種較理想的導光材料。目前，這種光纖在我國僅限于通信方面的應用，由于生產能力較低，市場需求量不大，所以價格特別昂貴。如果采用透鏡、平面鏡組成的幾何光路導光系統，那么購置大批光學元件所花費的資金也是相當可觀的。相比之下，選用空心導光管既經濟又實用，空心導光管具有易加工及易安裝的特點，將其內壁鍍上高反射率的材料，同樣能獲得較高的光通傳輸率和利用率。因此，有一定的使用價值。所以應該選擇合適的導光材料，達到節能標準，最大限度地利用陽光。國內目前在地下空間中運用導光管照明已有工程實踐，收到較好的節能效果，如北京奧運中心區地下車庫所采用的導光管系統。該工程安裝了19套導光管系統，單套導光管系統可為70m2車庫提供照明。導光管內徑為1.2m，導光管長度為3.35m和3.85m。按照車庫地面照度標準為75lx，工程按照設計計算效果模擬及照明控制設計完成的導光管系統工程，經工程完工后實測，全陰天時室外照度折算為2000lx時，室內平均照度達到75lx，符合標準要求。在室外照度達到95551lx時，室內照度達到670lx。在節能方面，19套導光管系統全年為車庫節能24472kW•h電。

4.2人工照明節能方法在地下空間中，最大限度地利用自然光也并不能完全滿足使用要求，在夜晚和陰天時需要借助人工方式來輔助照明。為了節省耗電量以及滿足環保節能標準，地下空間可使用LED智能燈，同樣能達到節能環保的標準。LED智能燈能根據實際需要提供適度的照明，在不降低照明品質的前提下，大幅度降低電能消耗。它具備很多優點：

(1)耗電量低。LED耗電相當低，直流驅動，超低功耗(單管0.03～0.06W)，電光功率轉換接近100%。一般來說LED的工作電壓是2～3.6V，工作電流是0.02～0.03A。這就是說，它消耗的電能不超過0.1W，相同照明效果比傳統光源節能80%以上。

(2)使用壽命長。有人稱LED光源為長壽燈，它為固體冷光源，環氧樹脂封裝，燈體內也沒有松動的部分，不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點，在恰當的電流和電壓下，使用壽命可達6萬～10萬h，比傳統光源壽命長10倍以上。

(3)高亮度、低熱量。LED使用冷發光技術，發熱量比普通照明燈具低很多。

(4)環保。LED是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

5結語

在地下建筑中，應盡可能地提供天然彩光；也要在同時設計人造光體系來模擬自然光的特性。空間應該具有足夠的照度以滿足功能實用的要求；此外，照明設計應能夠加強空間的寬敞感并創造出富有活力的、多樣的地下建筑內部環境。