建筑中光導(dǎo)照明通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用可行性研究

張亞冉

(河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津300142)

光導(dǎo)照明技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，是利用光纖或管道將室外的自然光引入室內(nèi)，為室內(nèi)提供日光照明，故光導(dǎo)照明又被稱為自然光照明［1]。光導(dǎo)照明技術(shù)可與自然通風(fēng)技術(shù)結(jié)合，在改善采光照度均勻性的同時(shí)增加室內(nèi)通風(fēng)換氣的次數(shù)，提高空氣質(zhì)量。該技術(shù)無(wú)需電能等常規(guī)能源，在保證自然光在室內(nèi)的高效傳輸與自然通風(fēng)的前提下不會(huì)產(chǎn)生多余的能量，是一種有效的綠色照明與通風(fēng)技術(shù)。光導(dǎo)照明通風(fēng)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，在高校教學(xué)建筑這類一般公共建筑中還未見(jiàn)實(shí)踐實(shí)例。本文研究系統(tǒng)在寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑中的應(yīng)用是可行性，以期能為今后工程實(shí)踐提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 工作原理

1.1 系統(tǒng)工作原理

光導(dǎo)照明通風(fēng)系統(tǒng)由兩部分組成:光導(dǎo)照明系統(tǒng)和自然通風(fēng)系統(tǒng)。光導(dǎo)照明系統(tǒng)有三個(gè)重要的組成部分:采光裝置、導(dǎo)光裝置和慢射裝置。與通風(fēng)裝置的整合即是在傳統(tǒng)光導(dǎo)管外壁增設(shè)一層通風(fēng)管道，在采光裝置下端、外管道上端處和慢射端口處分別設(shè)置進(jìn)出氣口，空氣可自由進(jìn)入，其結(jié)構(gòu)縱剖面如圖1所示。

光導(dǎo)管采光原理:通過(guò)室外采光裝置聚集自然光線導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部，經(jīng)過(guò)自然光全光譜高反射性能的導(dǎo)光管反射與強(qiáng)化傳輸后，由漫射裝置將自然光線發(fā)散到室內(nèi)。

光導(dǎo)管輔助通風(fēng)原理:光導(dǎo)管與外管道間形成可與外界連通的自由空氣通道，利用室內(nèi)外溫差與裝置自身的高度優(yōu)勢(shì)，采用風(fēng)壓與熱壓方式進(jìn)行通風(fēng)換氣:采光裝置吸收太陽(yáng)輻射熱量，加熱導(dǎo)管壁中空氣，使系統(tǒng)兩端進(jìn)出風(fēng)口產(chǎn)生空氣溫差促進(jìn)熱壓通風(fēng)。冬季室內(nèi)外溫差較大，室內(nèi)熱空氣上升形成熱壓通風(fēng)，當(dāng)室外風(fēng)速達(dá)到2－4 m/s時(shí)，在導(dǎo)管風(fēng)口處形成風(fēng)壓，新鮮冷空氣壓入導(dǎo)管平緩進(jìn)入室內(nèi)，渾濁空氣排出，達(dá)到通風(fēng)換氣效果，如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)有控制閥，夏天控制閥完全打開，加速空氣交換，冬天控制閥部分打開，實(shí)現(xiàn)部分通風(fēng)換氣的條件下，避免室外冷空氣的過(guò)量進(jìn)入。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)越性

光導(dǎo)照明通風(fēng)系統(tǒng)適合各種場(chǎng)所的自然采光，可廣泛應(yīng)用于地下空間、商場(chǎng)、工業(yè)廠房、學(xué)校、體育場(chǎng)館、火車站等公共建筑中，對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速與建筑朝向要求不高，受季節(jié)和室內(nèi)環(huán)境影響較小。同電力照明相比，系統(tǒng)在大多數(shù)天氣條件下都可提供8h以上穩(wěn)定充足全頻譜的室內(nèi)照明且不會(huì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生熱干擾，系統(tǒng)可進(jìn)行光量調(diào)節(jié)，出射光線照度均勻，亮度大且彌補(bǔ)了側(cè)窗采光易產(chǎn)生眩光的缺點(diǎn)。相較于天窗采光形式，系統(tǒng)不因光線入射角的變化而改變，照射面積較大，且不產(chǎn)生局部聚光現(xiàn)象(圖3、圖4)。系統(tǒng)采用全封閉形式，維護(hù)費(fèi)用較低，具有防水、防火、防塵等性能。

在光線有效輸送長(zhǎng)度方面，小孔徑光導(dǎo)管最大傳輸距離8 m，大孔徑光導(dǎo)管最大傳輸距離可達(dá)20 m［2]。

2 應(yīng)用于寒冷地區(qū)的可行性

2.1 氣候特征

我國(guó)的寒冷地區(qū)包括北京、天津、河北、山東、河南、甘肅、陜西、內(nèi)蒙等大部分地區(qū)，在《建筑設(shè)計(jì)采光標(biāo)準(zhǔn)》(GB_T 50033－2001)劃分的光氣候分區(qū)中分屬Ⅰ、Ⅲ類，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，年太陽(yáng)總輻射照度約為150－190 W/m2，年日照時(shí)數(shù)為2 000－2 800 h，年日照百分率為 40% －60%［3]。大部分地區(qū)冬春季節(jié)與夏秋季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向大致相反，風(fēng)速全年平均2－5 m/s。

2.2 教學(xué)建筑光環(huán)境的現(xiàn)狀與要求

針對(duì)高校教學(xué)建筑室內(nèi)物理環(huán)境現(xiàn)狀的調(diào)查與實(shí)地測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了一系列普遍存在的采光照明與通風(fēng)方面的問(wèn)題和缺陷。寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑除中庭與頂層空間部分利用天窗采光外，多依靠側(cè)窗采光形式。在對(duì)天津某高校的教學(xué)建筑光環(huán)境滿意程度調(diào)查中，靠近采光口的學(xué)生中90.3%的人對(duì)桌面自然光持不滿意態(tài)度，認(rèn)為由于直射光線的影響桌面眩光現(xiàn)象嚴(yán)重。遠(yuǎn)離采光口的學(xué)生中有52.9% 的人認(rèn)為桌面光線不夠充足，多見(jiàn)室內(nèi)光線照度分布不均勻。

自然通風(fēng)是目前教學(xué)建筑采用的主要通風(fēng)方式，教學(xué)建筑人員密度大、停留時(shí)間長(zhǎng)，單一的通風(fēng)方式無(wú)法滿足需要。寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑普遍存在夏季室內(nèi)悶熱，完全依靠電扇輔助通風(fēng);冬季門窗緊閉，依靠冷風(fēng)滲透換氣，室內(nèi)CO2含量超標(biāo)，空氣質(zhì)量下降。

對(duì)于寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑而言，舒適的室內(nèi)光環(huán)境應(yīng)保證基本照度，還應(yīng)避免因室內(nèi)照度不均勻或眩光引起的眼睛疲勞和損傷?！督ㄖ彰髟O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定學(xué)校建筑教室天然采光臨界照度為300 lx，照度均勻度不應(yīng)低于0.7?！督ㄖ晒庠O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定學(xué)校建筑采光系數(shù)最低值為2.0%。教學(xué)建筑每天室內(nèi)通風(fēng)次數(shù)不少于3次，同時(shí)采用有組織的通風(fēng)形式，合理控制風(fēng)速，冬季室內(nèi)的風(fēng)速控制在0.25 m/s以內(nèi)，隨著夏季環(huán)境溫度升高，理想風(fēng)速控制在1.0 m/s以內(nèi)較為適宜。

2.3 技術(shù)可行性

早在上個(gè)世紀(jì)80年代光導(dǎo)照明裝置已在國(guó)外普遍流行，經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展與不斷完善，光導(dǎo)技術(shù)已日臻成熟。光導(dǎo)管材料質(zhì)輕且反射率不斷增大，現(xiàn)普遍采用的光導(dǎo)管材料反射率在0.92－0.99 之間［4－6]，光線的傳輸效率也隨之提高。采光裝置耐重壓，外表面經(jīng)過(guò)拋光處理，涂有防紫外線涂層，透光率較高且減少紫外線進(jìn)入、延緩了老化過(guò)程。此外光導(dǎo)管內(nèi)部封閉，空氣不與外界連通，可避免灰塵與雨水進(jìn)入，從而降低清潔與維修費(fèi)用。光導(dǎo)照明通風(fēng)系統(tǒng)的基本原理成熟，且各部分構(gòu)造輕巧簡(jiǎn)單，便于安裝。

正是由于光導(dǎo)照明通風(fēng)系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)很快得到國(guó)內(nèi)外企業(yè)與設(shè)計(jì)師的廣泛關(guān)注，陸續(xù)涌現(xiàn)出大量的試點(diǎn)建筑。2004年傳入我國(guó)后，北京科技大學(xué)體育館、清華大學(xué)建筑學(xué)院環(huán)境節(jié)能樓、山東日照廠房、北京三星綠色奧運(yùn)宣傳館、北京奧林匹克森林公園、同濟(jì)大學(xué)航力學(xué)院、深圳設(shè)計(jì)之都、北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)教室等公共建筑大量采用了光導(dǎo)照明系統(tǒng)，這些成功案例為系統(tǒng)應(yīng)用于寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑提供施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與佐證。與這些建筑類型相比，教學(xué)建筑功能較為單一，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，光導(dǎo)照明通風(fēng)系統(tǒng)安裝過(guò)程中可按照已有的施工技術(shù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，無(wú)特殊性要求，技術(shù)上是可行的。

2.4 經(jīng)濟(jì)可行性

光導(dǎo)照明通風(fēng)系統(tǒng)常應(yīng)用在大進(jìn)深商業(yè)、辦公建筑、庫(kù)房及地下空間中，取代人工照明，節(jié)約能源，短期內(nèi)可回收成本。而應(yīng)用于教學(xué)建筑的特殊性在于建筑重視自然采光與通風(fēng)，系統(tǒng)的引入是為了解決室內(nèi)照度不均勻、通風(fēng)不暢的問(wèn)題，并可在陰天或早晚室內(nèi)照度不足時(shí)提供輔助照明以減少人工照明，降低電耗節(jié)約能源。也就是說(shuō)光導(dǎo)照明通風(fēng)系統(tǒng)主要起到改善室內(nèi)熱舒適與提高采光舒適度的作用。因此系統(tǒng)在教學(xué)建筑中的應(yīng)用回收周期相對(duì)較長(zhǎng)。光導(dǎo)照明通風(fēng)系統(tǒng)在低維護(hù)費(fèi)用或無(wú)維護(hù)條件下的壽命周期為25a。

3 結(jié)語(yǔ)

寒冷地區(qū)教學(xué)建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一、無(wú)特殊要求，光導(dǎo)照明通風(fēng)系統(tǒng)可按已有施工技術(shù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)操作，技術(shù)上可行。在不考慮對(duì)系統(tǒng)通風(fēng)效果量化分析的前提下，每間中等規(guī)模教室在系統(tǒng)25年全壽命周期內(nèi)可回收成本，且每年節(jié)約用電1438.8kwh，直接經(jīng)濟(jì)效益971.19元，具有經(jīng)濟(jì)可行性。

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