地下空间采光及导光系统的现状及应用展望

地下空间采光及导光系统的现状及应用展望前言天然光作为大自然馈赠于人类的宝贵财富，是一种取之不竭，用之不尽的绿色能源，同时也是人类长期进化过程中最为适应的光源，但在很长的一段时间内曾被人忽视。伴随着近年来能源危机、环境恶化等问题的不断出现，才日益引起了世人的关注。而导光管技术的出现无疑为人们合理利用天然光资源开辟出新的途径，特别是近十几年伴随着导光管技术的快速发展，大量具有可推广性的导光管产品不断涌现，使得导光管在居室、商店、学校、运动场所、厂房等不同空间得到广泛应用。据CIBSE的BuildingJournal（2003年9月）发表的调查表明，截止到文章发表之日全球已安装了大约三百万套导光管产品。随着我国经济的飞速发展，用电紧张问题日益受到社会各界的关注，而照明用电在电能消耗中占有相当比重，根据统计表明我国照明用电约占全国总用电量的12％，2004年北京市照明用电为49亿千瓦小时，也占到全市用电总量的11％。因此照明节能具有十分重要的实际的经济、社会以及环境效益。开发节能产品、充分利用天然光资源无疑是解决能源紧张的重要途径。目前导光管在我国使用非常有限。因此通过合理设计，积极采用导光管技术为各类难以直接使用采光的建筑空间提供照明，对于节约能源、保护环境具有重要意义。1导光管系统简介导光管系统主要由集光器、导光筒和漫射器三部分组成（如图1所示）。这种系统利用室外的自然光线透过集光器导入系统内进行重新分配，再经特殊制作的导光管传输和强化后由系统底部的漫射装置把自然光均匀高效地照射到室内。1.1集光器根据集光器的工作原理不同，可以分为以下两种类型：1）被动式集光器：多为半球形透明结构，内部也可设置棱镜等以提高效率；2）主动式集光器：主要有定日镜等，可自动跟踪太阳以提高采集光线的效率。1.2导光筒导光筒主要有以下四种类型：1）金属反射型导光筒在玻璃或塑料上镀一层高反射率的金属涂层，通过多次反射将光传送到需要的空间，适合于短距离的传输。这种导光筒虽然传输效率相对较低，但是由于其低廉的价格，而能够在一些对于效率要求不是非常高的场所得到广泛使用（如图2所示）。2）非金属反射型导光筒实验表明仅仅依靠非金属材料的部分反射，其效率非常的低，但是这一点可以通过使用一种薄膜来克服，从而使得非金属反射型导光筒具有比较高的效率。但是这种装置造价却非常昂贵，目前很难得到大量推广。3）透镜组型导光筒这种导光筒主要是利用的光线的折射原理，它由一系列的光学透镜组成（如图3所示），这种导光筒需要很多价格昂贵的透镜，因此现在主要在一些光学仪器设备上使用；4）棱镜型导光筒这种导光筒主要是利用的光线由密介质进入疏介质时出现的内部全反射原理（与光导纤维同理），但是由于导光筒为中空的管子，因此传统的管子不可能实现（如图4所示），但是当改变管壁形状后则克服了这个问题，制成了内部全反射式的导光筒。这种导光筒在反射的过程中几乎不发生吸收，因此效率非常的高。但是由于光线发生内部全反射对于光线入射角要求较高，只有当光线入射角大于临界角的时候才会发生，而就天然光而言一般来说很难满足此要求，因此这种导光筒多用于为大空间提供照明。另外补充一下，对于原理相同的导光纤维而言，虽然其效率较高，但是却由于它所能传输的光通有限，而同样不能适用于这种大面积场所的照明。1.3漫射器对于照明而言，不是简单的将光线引入室内，而是需要将光线合理的在室内分布，因此漫射器就需要根据配光的要求的不同，而合理的选择相应的材料制备而成。并对其光通空间分布做相应的测试从而保证照明的质量。2国内外目前研究及应用现状2.1国外为了节约照明用电和改善地下或无窗建筑的室内光环境，国外很早就开展了天然导光技术方面的研究。早在1977年，美国的D.Micheal发表了题为“有太阳跟踪器的阳光照明”（Lightingwithsunlightusingsuntrackingconcentrators）一文，一些学者认为这篇文章标志着地下与无窗建筑天然采光方法的形成。美国、前苏联、日本、英国等国的学者在天然导光技术方面做了大量的研究工作。导光管系统在世界很多地方已实现商品化和设计标准化，在国外的许多项目中得到了应用。CIBSE的BuildingJournal发表的调查表明，截止到2003年9月全球已安装了大约三百万套导光管产品。国际照明委员会CIETC3－38，加拿大国家研究会，英国利物浦大学等都对这种导光管系统进行了深入的研究，并提出了较为完整的设计和计算方法，与天然采光中的采光系数相对应在导光系统管理论中提出了DaylightPenetrationFactor(昼光穿透系数DPF)以表征导光管系统的采光效果。2.2国内2.2.1中国建筑科学研究院肖辉乾教授等人在1991年开展了导光管系统技术的研究，利用主动式集光器（定日镜技术）收集阳光，通过导光筒、漫射器将光线引入至无窗空间（如图6所示），并已经应用于河南平顶山电厂机房照明取得了良好的实际效果。2.2.2中国建筑科学研究院与国家气象局(原中国气象科学院)合作，在全国范围内开展了昼光观测工作（观测系统如图7所示），积累了丰富的光气候资料，并建立了光气候数据库。为导光管系统的设计以及运行管理提供了重要依据（见表1）。表1我国室外不同临界照度值时的全年天然光利用时数2.2.3中国建筑科学研究院主持完成了《建筑采光设计标准》GB/T50033－2001、《建筑照明设计标准》GB/T50034－2004等一系列国家和行业标准。2.2.4中国建筑科学研究院完成了国家游泳中心场馆“水立方”室内光环境课题以及首都机场航站楼采光计算分析任务。2.2.5中国建筑科学研究院设有采光实验室、照明实验室、光度实验室，拥有光度积分球、分光光度计、分光测色仪等先进的实验设备，从而可以保证我们完成对于建筑材料光学性能以及采光照明器具的照明参数的测试分析工作。同时近年来我们采用计算机模拟技术，对导光管与光气候、日照等因素条件的结合作了进一步的分析和探讨。3导光管系统需要重点解决的问题导光管系统是将室外的自然光线导入系统内进行重新分配，再经特殊制作装置把自然光均匀高效地照射到室内。因此，制约导光管系统发展的重要因素是导光管的系统效率，提高导光管系统的效率是关键所在。3.1集光器的效率集光器的效率是影响整个系统效率的重要因素，太阳的光线自早晨到傍晚强度和方向在不断的变化，为了更可能多的收集太阳光线，就要随时随地跟踪太阳光线的不断变化，这就是定日镜的作用——自动跟踪采集。为了提高集光器的效率通常采用菲涅尔透镜等光学系统和定日镜收集阳光。3.2导光筒的效率导光筒的效率与导光筒的长度、直径等都有一定的关系，但导光筒反射材料的反射比是影响其效率的重要因素。光线在导光筒内部进行传输发生反射时必将有一定的光线损失，导光筒表面材料的反射比越高，光传输的损失就必然越小。因此，选用具有高反射比的材料是提高导光筒效率的关键，通常要求导光筒反射材料的反射比要高于0.95。3.4漫射器的光分布及其效率漫射器的作用主要是将收集到的光线进行重新分配。因此，漫射器的光分布（配光）将直接影响最终的应用效果，其效率类同于灯具的效率。通常采用凹透镜或抛物柱面反射透镜等制成的漫射器把光传输到需要照明的地方。4未来发展总的来说，我国在导光管系统方面的应用和研究还处于发展阶段，奥运中心区地下车库导光管系统的成功应用，为在我国地下建筑及需要进行日光照明的空间开辟了一条新的途径。在奥运场馆的建设过程中，也有不少应用天然光及导光管技术的实际工程案例。通过集成应用形成具有自主知识产权的导光管产品，是推进绿色照明、保护环境的重要环节，对实现“绿色奥运，人文奥运，科技奥运”三大理念具有重要意义。从全球的范围来看，天然光导光管系统在实际工程上得到了广泛的应用，各国研究机构也对相关的采光及导光基础理论研究开展了积极的研究，在设计方法和理论计算上已比较成熟。目前，各国将更多的研究重点放在了并致力于提高导光管系统效率和采用主动导光技术等方面，以进一步推动导光管技术的发展。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。