光導(dǎo)照明系統(tǒng)的基本原理及使用概況

文｜北京東方風(fēng)光新能源技術(shù)有限公司 徐登輝 劉志東

1 引言

光導(dǎo)照明出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代。1981年，加拿大的Whitehead公司與美國3M公司合作，利用全反射原理開發(fā)出了棱鏡導(dǎo)光管。1999年，英國諾丁漢大學(xué)的G·Oakley等考察了已經(jīng)商業(yè)化的光導(dǎo)管的采光性能。美國、瑞典等公司也開展了相應(yīng)的研究工作。該照明系統(tǒng)以室外自然光線為光源，通過特殊的傳輸裝置將光線導(dǎo)入到室內(nèi)需要照明的場所，得到由自然光帶來的特殊照明效果，是一種綠色健康、節(jié)能環(huán)保的新型照明產(chǎn)品。該系統(tǒng)無需使用電能等常規(guī)能源，因此不存在因火力發(fā)電帶來的環(huán)境污染，同時(shí)也沒有因用電帶來的安全隱患。由于采集太陽光的光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，成本較低，實(shí)際照明效果很好，因此在國外發(fā)展十分迅速，應(yīng)用也比較廣泛，有許多公司生產(chǎn)光導(dǎo)管和基于光導(dǎo)管的照明產(chǎn)品。目前，光導(dǎo)照明系統(tǒng)已是國外普遍流行的一種新型照明系統(tǒng)。

2 光導(dǎo)照明系統(tǒng)的優(yōu)勢

2.1 節(jié)能

光導(dǎo)照明帶來的能源節(jié)約被證明是極其顯著的。美國能源部聯(lián)邦能源管理計(jì)劃報(bào)道，光導(dǎo)照明可以顯著降低建筑內(nèi)部照明能源消耗，甚至可以達(dá)到75%～80%。能源部設(shè)在科羅拉多州戈登市的美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的熱實(shí)驗(yàn)大樓采用了日光照明，使得該大樓的照明系統(tǒng)比同類型沒有采用光導(dǎo)照明的大樓節(jié)約了75%的能源。整棟大樓除中心服務(wù)區(qū)外，全部使用日光照明，也使得大樓人工冷卻系統(tǒng)的能源負(fù)荷得到降低。能源部的報(bào)告稱，許多商業(yè)建筑可以通過優(yōu)化使用日光照明戰(zhàn)略降低三分之一的能源成本。

2.2 健康

研究表明，長期缺乏光導(dǎo)（日光）照明會(huì)造成人體生物鐘的紊亂，輕微的生物鐘紊亂會(huì)導(dǎo)致“時(shí)差綜合癥”，更嚴(yán)重的紊亂將導(dǎo)致短期或長期的健康問題，而這些都已在生產(chǎn)線工人身上得以證實(shí)。光導(dǎo)照明使人們沐浴在陽光下，能以健康愉快的心情去工作，這會(huì)大大提高人們的工作效率。

3 光導(dǎo)照明系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)工作原理

自然光光導(dǎo)照明系統(tǒng)通過室外采光裝置收集室外的自然光線并將其導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部，再經(jīng)由特殊制作的光導(dǎo)管傳輸后，由安裝于系統(tǒng)另一端的漫射裝置把自然光線均勻發(fā)散到室內(nèi)任何需要照明的地方。利用該系統(tǒng)得到的室內(nèi)照明亮度從黎明到黃昏，甚至是在陰天都十分充足。而為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，提高系統(tǒng)的采光及傳導(dǎo)效率，使采光裝置采集的光量盡可能多，而在光導(dǎo)管內(nèi)的損失盡可能少，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和材料兩個(gè)方面進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光導(dǎo)照明系統(tǒng)主要由采光裝置、光導(dǎo)管、漫射裝置三部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采光裝置、光導(dǎo)管和漫射裝置三部分的性能將決定系統(tǒng)的總體性能。

圖1 光導(dǎo)照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）采光裝置

采光裝置用來收集室外的太陽光，根據(jù)不同環(huán)境的要求可有不同的外形和結(jié)構(gòu)。采光裝置通常包括采光罩和防雨板，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是既照顧了外形美觀的需要，又可以根據(jù)不同的房頂結(jié)構(gòu)改變防雨板的形狀。

采光罩一般由PC材料注塑而成，外表面經(jīng)過拋光處理，透光率高。采光罩外表面可以覆一層防紫外線的涂層，這樣一方面可使進(jìn)入裝置內(nèi)的紫外線大大減少，另一方面也能延緩采光罩的老化過程，使裝置經(jīng)久耐用。采光罩表面覆有耐磨擦涂層，即使長期處在惡劣的風(fēng)沙環(huán)境中，如風(fēng)沙較頻繁的西北、華北等地區(qū)，也不會(huì)因長期摩擦而影響其透光性；采光罩的適應(yīng)溫度范圍為－40℃～125℃，即使在晝夜溫差較大的地區(qū)也可以安全使用。采光罩有良好的隔熱、隔音性能，采光效率高，不易破碎；燃燒時(shí)不釋放有毒物質(zhì)，離火自熄，是一種既安全又環(huán)保的產(chǎn)品；可以有多種形狀，比如半球形、鉆石形和方形等。

為了提高采光效率，采光裝置的結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)行各種改進(jìn)。以北京東方風(fēng)光新能源技術(shù)有限公司開發(fā)的尚拓（Suntube）系列產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品在采光裝置中增設(shè)了一個(gè)增光裝置（如圖2所示），這個(gè)裝置可以有效地提高系統(tǒng)利用早晚太陽光的能力。增光裝置的懸挑安裝對采光器采集其背面的自然光基本無影響。此外，我們還在研究能夠提高光導(dǎo)系統(tǒng)工作效率的主動(dòng)尋光系統(tǒng)（如圖3所示）。該系統(tǒng)能夠通過控制盒旋轉(zhuǎn)懸臂，使懸臂上的反射鏡始終迎向太陽的方向，從而通過鏡片的反射提高光導(dǎo)管內(nèi)的光通量。其核心是一個(gè)定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)能夠感應(yīng)太陽的位置，并對鏡片進(jìn)行精確控制。

圖2 尚拓光導(dǎo)照明系統(tǒng)的增光裝置

圖3 尚拓光導(dǎo)照明系統(tǒng)主動(dòng)尋光系統(tǒng)示意圖

（2）光導(dǎo)管

光導(dǎo)管是把采光裝置收集的太陽光導(dǎo)入室內(nèi)的管道，一般為鋁制結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較輕。光導(dǎo)管可以按形狀分為直光導(dǎo)管和彎管兩種，彎管可以有不同的彎曲角度，如尚拓光導(dǎo)照明系統(tǒng)的光導(dǎo)管，彎曲角度變化范圍為0～90°（如圖4所示）。為了使管道內(nèi)傳播的光線經(jīng)多次反射后的損失降到最小，光導(dǎo)管的內(nèi)壁鍍有一層高反射率的薄膜。隨著科技的進(jìn)步，光導(dǎo)管材料制作工藝不斷提高，材料的反射率也不斷提高，現(xiàn)在普遍使用的光導(dǎo)管內(nèi)壁材料的反射率都在98%以上。由于光在光導(dǎo)管內(nèi)傳輸時(shí)要經(jīng)過多次反射，光導(dǎo)管的反射率越高，其光強(qiáng)剩余量也就越大，所以選用高反射率的材料制成的光導(dǎo)管，其傳輸效率也比較高。

圖4 尚拓光導(dǎo)照明系統(tǒng)的光導(dǎo)管

（3）漫射裝置

漫射裝置由PC材料或PMMA材料制成，具有良好的透光性、漫射性和非常好的隔熱、隔音效果，不易著火且離火自熄。從光導(dǎo)管傳至室內(nèi)的光線不是完全均勻，因此要使室內(nèi)的光線均勻分散，就要借助于漫射裝置的光散射特性（如圖5所示）。透鏡具有匯聚或發(fā)散光的特性，把透鏡做得很薄，就能夠用于漫射器的制備。例如菲涅爾透鏡，即可被用于漫射裝置的制備。它具有改變光傳播方向的作用，而且本身可以做得非常薄，無論是在透光性還是在散射光特性方面都有很好的性能。此外，晶體顆粒及棱鏡等也都可以起到發(fā)散光的效果。

圖5 漫射裝置光散射特性示意圖

漫射裝置外形美觀，規(guī)格多樣，可制成各種類型，如磨砂型、顆粒型、鉆石型、圓型、方型等。

（4）其他附屬裝置

一個(gè)完整的光導(dǎo)照明系統(tǒng)還包括其他附屬裝置，比如防雨板、調(diào)光閥、電控裝置等，其作用是使光導(dǎo)系統(tǒng)的功能更完善，外表更美觀。圖6展示出了尚拓光導(dǎo)照明系統(tǒng)的一些附屬裝置。

圖6 尚拓光導(dǎo)照明系統(tǒng)的附屬裝置

4 光導(dǎo)照明的使用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

在光導(dǎo)照明出現(xiàn)前，天窗采光的方式被廣泛用于大型廠房，但天窗采光有容易產(chǎn)生局部聚光現(xiàn)象等缺陷；而自然光光導(dǎo)照明的照明效果不會(huì)因光線入射角的變化而改變，且照射面積大、出射光線均勻、無眩光、不會(huì)產(chǎn)生局部聚光現(xiàn)象。采光天窗受室內(nèi)吊頂結(jié)構(gòu)及傳輸距離的限制，采光面積相對較大，導(dǎo)致安裝難度較大、防水不易處理，而自然光光導(dǎo)照明針對不同的屋面有不同的安裝方法及防水措施，不受室內(nèi)吊頂結(jié)構(gòu)等的影響。在光線傳輸方面，小孔徑自然光光導(dǎo)照明傳輸距離可達(dá)10m左右，大孔徑自然光光導(dǎo)照明傳輸距離可達(dá)20m以上，并且還可以使用彎管，這使得系統(tǒng)的安裝更加靈活，適應(yīng)性更強(qiáng)。

近年來，由于能源供應(yīng)日趨緊張、環(huán)境問題日益為人們所重視，光導(dǎo)照明系統(tǒng)越來越多地受到國內(nèi)外相關(guān)人士的關(guān)注，并且在國外得到廣泛的應(yīng)用。目前，國外有很多生產(chǎn)此類產(chǎn)品的公司，如蒙諾加特公司、歐德公司、Fox Lite公司等，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種場合，如大型體育場館和公共建筑以及辦公樓、住宅、商店、旅館、白天陰暗的房間或地下室、地下車庫等建筑的采光照明中。

光導(dǎo)照明系統(tǒng)在國內(nèi)起步比較晚，但發(fā)展很快。國內(nèi)從事光導(dǎo)照明的企業(yè)勇于創(chuàng)新，積極吸收國外的先進(jìn)技術(shù)和理念，開發(fā)適合于國內(nèi)建筑實(shí)際情況的產(chǎn)品。其中部分產(chǎn)品具有自主知識產(chǎn)權(quán)，北京東方風(fēng)光公司開發(fā)的尚拓光導(dǎo)照明產(chǎn)品就是典型的代表之一，該產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用（如圖7、圖8所示）。

圖7 尚拓產(chǎn)品在奧林匹克森林公園項(xiàng)目中的應(yīng)用

圖8 尚拓產(chǎn)品在某企業(yè)生產(chǎn)車間項(xiàng)目中的應(yīng)用

近幾年，國務(wù)院連續(xù)出臺了一系列關(guān)于建筑節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，如2005年的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和《中華人民共和國可再生能源法》，以及2006年國務(wù)院印發(fā)國家發(fā)改委等部門制定的《節(jié)能減排綜合性工作方案》，提出政府將強(qiáng)化新建建筑執(zhí)行能耗限額標(biāo)準(zhǔn)全過程監(jiān)督管理，實(shí)施建筑能效專項(xiàng)測評，對達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的建筑不予辦理開工和竣工驗(yàn)收備案手續(xù)，不準(zhǔn)銷售使用。這同時(shí)也給光導(dǎo)照明行業(yè)的發(fā)展提供了新的契機(jī)。

光導(dǎo)照明系統(tǒng)不但可以把光線傳輸?shù)狡渌彰鞣绞讲荒苓_(dá)到的地方，而且還可提高室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)。目前，我國照明耗電量占總發(fā)電量的15%左右。2009年我國的總發(fā)電量為3.6506×1012kWh，年照明耗電達(dá)5.4759×1011kWh。據(jù)專家統(tǒng)計(jì)，白天照明用電占照明用電總量的50%以上，主要集中在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域。而普及使用自然光照明系統(tǒng)（光導(dǎo)照明技術(shù)）可使白天用電量下降50%以上，相當(dāng)于每年節(jié)電約1.09518×1011kWh。按每度電0.8元人民幣計(jì)算，每年可節(jié)省電費(fèi)約876.14億元人民幣。此外，每節(jié)電1kWh，就相當(dāng)于節(jié)省了0.4kg煤和4L凈水，同時(shí)還減少了1kg二氧化碳和0.03kg二氧化硫的排放。

大量的實(shí)驗(yàn)檢測和數(shù)據(jù)對比證明，光導(dǎo)照明技術(shù)應(yīng)用于大型體育場館和公共建筑以及地下室、地下車庫等建筑的采光照明中可以取得良好的視覺照明效果和經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用此技術(shù)可以充分利用太陽能，有效地減少白天的照明電耗。

另外，值得一提的是，自然通風(fēng)和自然光照明的結(jié)合應(yīng)用正越來越多地出現(xiàn)在現(xiàn)代建筑之中。與自然通風(fēng)相結(jié)合的光導(dǎo)管系統(tǒng)可以同時(shí)滿足建筑物對自然采光和自然通風(fēng)的需求，使自然光照明效果更加完善，在給室內(nèi)照明的同時(shí)使室內(nèi)保持良好的自然通風(fēng)，既利于建筑節(jié)能又改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，必將得到更好的發(fā)展。未來，光導(dǎo)照明的發(fā)展方向?qū)⒏觾A向于同其他建筑環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，為建筑節(jié)能和改善室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)作出更大的貢獻(xiàn)。開發(fā)與自然通風(fēng)相結(jié)合的光導(dǎo)管系統(tǒng)將進(jìn)一步拓寬光導(dǎo)管的應(yīng)用范圍，對于建筑節(jié)能具有積極意義。

5 結(jié)束語

光導(dǎo)照明系統(tǒng)既能充分利用太陽能，有效地減少白天的照明電耗，緩解能源供應(yīng)緊張的局面，在節(jié)約能源方面發(fā)揮巨大的作用，又能夠提供良好的采光效果，因此可以在建筑采光領(lǐng)域中取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。光導(dǎo)照明系統(tǒng)還可以與自然通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合，在滿足采光的同時(shí)使室內(nèi)保持良好的自然通風(fēng)。