導(dǎo)光管在地鐵采光中的應(yīng)用前景探討★

那艷玲 李 偉

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251； 2.天津城建大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300384)

導(dǎo)光管在地鐵采光中的應(yīng)用前景探討★

那艷玲1李 偉2*

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251； 2.天津城建大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300384)

對(duì)不同類(lèi)型導(dǎo)光管的光線傳輸原理進(jìn)行了闡述，并對(duì)導(dǎo)光管在天然光照明中的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，探討了導(dǎo)光管在地鐵采光中的應(yīng)用前景，總結(jié)了地鐵空間利用導(dǎo)光管進(jìn)行天然光照明的優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題。

地鐵，導(dǎo)光管，采光，節(jié)能

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市建設(shè)的提速，地鐵已成為眾多城市中優(yōu)先考慮的交通模式。截至2013年5月，全國(guó)運(yùn)營(yíng)的地鐵里程已達(dá)2 518.6 km，其中排名第一的上海，地鐵運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)473 km。地鐵已逐漸成為城市尤其是大城市交通中不可缺少的一部分。由于地鐵空間絕大部分位于地下，其聲、光、熱等物理環(huán)境與地上空間顯著不同。尤其是光環(huán)境，更是與地上空間有極大的差異。由于其空間的特殊性，地鐵在運(yùn)營(yíng)時(shí)段內(nèi)無(wú)法提供天然光照明，其內(nèi)部的光環(huán)境完全依靠人工照明解決，這不僅加劇了能源應(yīng)用的壓力，同時(shí)也對(duì)長(zhǎng)時(shí)間停留在地鐵內(nèi)的工作人員及乘客的身心健康有一定的影響。因此，如何有效地將天然光引入地鐵空間的照明中，是地鐵環(huán)控領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

從目前已知的地鐵采光方法來(lái)看，利用導(dǎo)光管技術(shù)進(jìn)行地鐵采光，無(wú)論從采光水平、節(jié)能效果還是經(jīng)濟(jì)性、施工難度等方面，均是一種很有潛力的地鐵采光方式，具有較大的深入研究?jī)r(jià)值。

1 導(dǎo)光管照明的發(fā)展

導(dǎo)光管是一種特殊的照明設(shè)施，它一般由光源、傳光系統(tǒng)、出光系統(tǒng)三部分組成。光源發(fā)出的光線可以通過(guò)傳光系統(tǒng)傳輸并通過(guò)出光系統(tǒng)均勻地分布在傳輸路徑范圍內(nèi)。光線的傳輸原理一般有鏡面反射和棱鏡全反射兩種。導(dǎo)光管的安裝方式既可為垂直式，也可為水平式。目前的實(shí)際應(yīng)用中以垂直安裝的鏡面反射導(dǎo)光管系統(tǒng)居多。

導(dǎo)光管的發(fā)明人為俄國(guó)科學(xué)家契科列夫。而世界上第一個(gè)與導(dǎo)光管有關(guān)的專(zhuān)利則是美國(guó)科學(xué)家威廉·威勒獲得的[1]。

與契科列夫同一時(shí)期還有許多科研人員在進(jìn)行導(dǎo)光管方面的研究，主要是美國(guó)的一些科學(xué)家。這一時(shí)期的導(dǎo)光管系統(tǒng)主要是以透鏡式或鏡面式為主，其光線利用方式主要是以反射傳光加透射出光的方式為主。這一時(shí)期導(dǎo)光管的系統(tǒng)效率相對(duì)較低，實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域也較窄，但他們的研究工作對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展起了極大的推動(dòng)作用[2,3]。

1981年，加拿大哥倫比亞大學(xué)的Whitehead教授發(fā)明了利用全反射原理傳輸光線的棱鏡導(dǎo)光管[4]。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明，極大推動(dòng)了導(dǎo)光管技術(shù)的發(fā)展。其應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中的棱鏡導(dǎo)光管系統(tǒng)，是將由美國(guó)3M公司制作的棱鏡薄膜卷繞成筒狀或方形，由端部光源發(fā)出的光線以小于29.2°的角度入射時(shí)發(fā)生全反射而向前傳播，這一原理極大地提高了導(dǎo)光管系統(tǒng)的光線傳輸效率。

2 導(dǎo)光管采光的應(yīng)用實(shí)例

2.1 英國(guó)某研究中心的一個(gè)房間

該辦公室的面積約12 m2(4 m×3 m)。房間被劃分為六個(gè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。房間平面見(jiàn)圖1。該房間共采用了兩根鏡面反射導(dǎo)光管進(jìn)行天然采光，分別安裝于區(qū)域1和區(qū)域5的位置。兩導(dǎo)光管的長(zhǎng)度均為1.22 m，地面與導(dǎo)光管下端距離均為2.5 m。

測(cè)試時(shí)間與天氣條件：8月5日，陰轉(zhuǎn)晴。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下：整個(gè)房間的天然光照明最大值為518 lx，位于區(qū)域5，時(shí)間在下午一點(diǎn)；照度最小值為157 lx，位于區(qū)域2，時(shí)間在上午九點(diǎn)半。六個(gè)區(qū)域的天然光照度平均值分別為409 lx，249 lx，260 lx，289 lx，310 lx，440 lx。整個(gè)房間的天然光平均照度為326 lx，能夠達(dá)到相關(guān)規(guī)范規(guī)定的天然光照度要求。

2.2 澳大利亞某大學(xué)研究中心

該幢建筑的導(dǎo)光管采用水平方式布置，安裝于建筑物的屋頂上，屋頂距地面的高度為4 m。測(cè)試時(shí)天氣條件為晴天，工作面設(shè)置為距地面0.75 m的水平面(見(jiàn)圖2)。

測(cè)試結(jié)果表明，工作面上的天然光照度值最大為700 lx，平均天然光照度為320 lx左右。與其他導(dǎo)光管采光方式不同的是，該建筑采用的導(dǎo)光管照明系統(tǒng)還設(shè)置了自然通風(fēng)裝置，在進(jìn)行天然采光的同時(shí)還能夠利用熱壓進(jìn)行通風(fēng)，進(jìn)一步提高了環(huán)境的舒適性。

3 導(dǎo)光管在地鐵采光中的應(yīng)用

圖3為地鐵空間利用導(dǎo)光管采光的示意圖。

如圖3所示，整個(gè)采光系統(tǒng)由如下部分組成：光線跟蹤子系統(tǒng)、光線聚集子系統(tǒng)、光線傳輸子系統(tǒng)、光線出射子系統(tǒng)、人工照明輔助子系統(tǒng)。系統(tǒng)工作原理：根據(jù)太陽(yáng)高度角和方位角的變化規(guī)律，光線跟蹤系統(tǒng)控制采光板，使其始終正對(duì)太陽(yáng)位置。在采光板涂覆高反射率的薄膜，將光線反射至無(wú)縫棱鏡導(dǎo)光管光線輸入端，為增加有效光通，光線輸入端采用三個(gè)導(dǎo)光管并行垂直，光線通過(guò)垂直導(dǎo)光管傳輸至具有高反射率表面的折光板，經(jīng)過(guò)折光板反射的光線進(jìn)入水平放置的棱鏡導(dǎo)光管輸入端，光線在向前傳播的同時(shí)，即可通過(guò)導(dǎo)光管本身的輸出部分分布于地下空間。同時(shí)，在棱鏡導(dǎo)光管內(nèi)設(shè)LED線形光源，作為人工照明輔助子系統(tǒng)，當(dāng)陰雨天氣或照度不足時(shí)，由照度傳感器感知并開(kāi)啟人工照明，以保證地鐵空間足夠的照度。

盡管導(dǎo)光管在地鐵采光中有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著一些急需解決的問(wèn)題，如導(dǎo)光管系統(tǒng)與地鐵土建結(jié)構(gòu)的結(jié)合形式、安裝方式、施工工藝等還不成熟；導(dǎo)光管照明系統(tǒng)的傳輸效率還有待于進(jìn)一步提高；系統(tǒng)效率容易受天氣影響；系統(tǒng)的地面部分與城市景觀、市政設(shè)施結(jié)合的方式還有待深入考慮等。

總體上看，導(dǎo)光管采光在地鐵空間具有極大的應(yīng)用潛力。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的導(dǎo)光管采光系統(tǒng)，不但在節(jié)約照明用電方面具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且其傳輸?shù)奶烊还鈱O大的改善地鐵內(nèi)的光環(huán)境，從而促進(jìn)人們的身心健康，由此產(chǎn)生的社會(huì)效益是巨大的。

[1] Wheeler W.Apparatus for lighting dwellings or other structures, U.S. Patent,247229(1881).

[2] 張粹偉.空腔導(dǎo)光管的發(fā)展歷史和應(yīng)用領(lǐng)域[J].中國(guó)照明電器，2001(9)：20-24.

[3] 寧 華，楊蔚然.導(dǎo)光管的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國(guó)照明電器，2000(3)：27-29.

[4] Lorne A. Whitehead, U.S. Patent,4260220(1981).

A discussion on daylighting in subway station using light pipes★

NA Yan-ling1LI Wei2*(1.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300251， China; 2.School of Architecture, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

Light-transporting principle of different light pipes is introduced in this paper and applications of daylighting using light pipes are described. Then the perspective of daylighting in subway stations using light pipes is analyzed and advantages and problems are discussed.

subway, light pipe, daylighting, energy saving

1009-6825(2014)36-0120-02

2014-10-15 ★:天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：11JCYBJC03000)

那艷玲(1975- )，女，教授級(jí)高級(jí)工程師

李 偉(1975- )，男，副教授

TU113

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