光導(dǎo)管照明技術(shù)在住宅小區(qū)地下空間照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

【摘要】本文簡要闡述了光導(dǎo)管照明技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀，闡述了光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和類型，并結(jié)合工程實(shí)例分析了光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的優(yōu)越性和目前存在的問題。

【關(guān)鍵詞】光導(dǎo)管；地下室照明；相對投資回收期

Abstract： this paper first focus on the development course and the present situation of the optical tube lighting technology ， this paper expounds the optical tube lighting system the basic structure and types， and combining with actual engineering example， analyzed the optical tube lighting system superiority and the existing problems.

Keywords： Lighting optical tube；Lighting of basement； Relative payback period

綠色建筑是在建筑的全壽命期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。綠色建筑將是建筑可持續(xù)發(fā)展的大趨勢。這其中因地制宜地推廣自然采光降低采光照明能耗是綠色建筑相關(guān)技術(shù)研發(fā)推廣的一個(gè)重要方向。

因此從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的角度提出了綠色建筑綠色照明的概念。在能源日益緊張的今天，充分利用自然光照明，必然是未來太陽能在建筑中綜合利用的一種好方式。

自然采光就是把戶外的自然光進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行照明的過程。太陽光是取之不盡，用之不竭的天然能源，但是通過門窗等進(jìn)入室內(nèi)的僅僅是很小一部分，而對于地下空間來說，由于深埋于地下（居住小區(qū)地下室一般埋深在1.5m以上），即使是這樣的采光方法也很難被利用。因此，為了把自然光傳輸?shù)浇ㄖ?nèi)部，特別是一些地下空間，光導(dǎo)管技術(shù)越來越受到人們的重視。據(jù)對特定項(xiàng)目的測算，用光導(dǎo)管技術(shù)代替人工照明，能夠節(jié)約20%～30%的建筑用電，對建筑節(jié)能具有重要的意義。

1、光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與類型

光導(dǎo)管系統(tǒng)通過采光裝置聚集室外的自然光線并導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部，再經(jīng)過特殊制作的導(dǎo)光裝置強(qiáng)化與高效傳輸后，由系統(tǒng)底部的漫射裝置把自然光線均勻?qū)氲绞覂?nèi)任何需要光線的地方，通常將其分成采光罩、導(dǎo)光管、漫射器三大部分。采光罩通常是一個(gè)透明的玻璃罩，放置于室外樓頂、地坪或室外墻體的側(cè)面。用于導(dǎo)光的導(dǎo)光管管壁是反射率一般在95%以上的反射材料，導(dǎo)光管可以旋轉(zhuǎn)彎曲來改變導(dǎo)光角度和長度。漫射器安裝在系統(tǒng)底部，是將通過導(dǎo)光管傳輸?shù)墓饩€散射到室內(nèi)使光線均勻照明的裝置，同時(shí)具有避免眩光的作用。

按照采光方式，光導(dǎo)管可分為主動式和被動式。主動式光導(dǎo)管通過一個(gè)聚光器采集太陽光，再將太陽光傳輸?shù)绞覂?nèi)，因?yàn)榫酃馄魃涎b置了傳感器和反饋裝置，可以使聚光器的采光方向總是向著太陽。這種光導(dǎo)管采集太陽光的效果非常好，但是由于聚光器的較高工藝要求造成了其成本過高，因此主動式光導(dǎo)管很少見。

此外，光導(dǎo)管按傳輸光的方式還可以分為有縫光導(dǎo)管和棱光鏡光導(dǎo)管。有縫光導(dǎo)管是在管壁上留一條很長的出光縫，以使光線能夠照射到工作面上，這種光導(dǎo)管光在傳輸過程中容易造成泄露，因此效率不高，實(shí)際中很少用到。

2、光導(dǎo)管照明技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

利用光導(dǎo)管技術(shù)改善室內(nèi)照明的研究和實(shí)踐，國外起步較早。早在1977年，美國的D.Micheal發(fā)表了題為“有太陽跟蹤器的陽光照明”一文，一些學(xué)者認(rèn)為這篇文章標(biāo)志著地下與無窗建筑天然采光方法的形成。美國、前蘇聯(lián)、日本、英國等國的學(xué)者在天然導(dǎo)光技術(shù)方面做了大量的研究工作。目前光導(dǎo)管系統(tǒng)在世界很多地方已實(shí)現(xiàn)商品化和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，在許多項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。國際照明委員會CIETC3-38、加拿大國家研究會、英國利物浦大學(xué)等都對這種光導(dǎo)管系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，并提出了較為完整的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，與天然采光中的采光系數(shù)相對應(yīng)，在光導(dǎo)管照明系統(tǒng)管理論中提出了晝光穿透系數(shù)DPF（Daylight Penetration Factor） 以表征導(dǎo)光管系統(tǒng)的采光效果。

在國內(nèi)，最早由中國建筑科學(xué)研究院肖輝乾教授等人在90年代對光導(dǎo)管系統(tǒng)利用自然光進(jìn)行了研究，利用主動式集光器（定日鏡技術(shù)）收集陽光，通過導(dǎo)光筒、漫射器將光線引入至無窗空間，并且在一些項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用。近年來，通過光導(dǎo)管利用自然光的技術(shù)已趨成熟，但其實(shí)際應(yīng)用還處于發(fā)展階段。目前我國的光導(dǎo)管系統(tǒng)主要在大型體育場館、廠房或公建中試用，而在普通的民用建筑，特別是商品房居住小區(qū)中應(yīng)用較少。

國內(nèi)外對光導(dǎo)管照明技術(shù)在地下空間的應(yīng)用也進(jìn)行了一些嘗試。這些光導(dǎo)管照明系統(tǒng)基本上都是垂直安裝。垂直方向的光導(dǎo)管可穿過結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地面，把天然光引入地下。國外如德國柏林波茨坦廣場上使用的光導(dǎo)管照明系統(tǒng)，管體采用傳輸效率極高的光導(dǎo)材料制作，可將天然光高效地傳輸?shù)降叵驴臻g，同時(shí)該裝置也成為廣場景觀的一部分。類似的，國內(nèi)北京奧林匹克森林公園的地下室也嘗試使用了光導(dǎo)管照明系統(tǒng)。盡管光導(dǎo)管照明系統(tǒng)具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但由于這項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)還不大為人所熟知與接受，很多人簡單地認(rèn)為初始投資較大不劃算且影響其它的建筑功能布局，這項(xiàng)技術(shù)很少被用于居住小區(qū)地下空間的照明。而恰恰是居住小區(qū)的地下空間，即使在白天利用率極低的情況下也仍然跟其它地下空間一樣需要持續(xù)地人工采光，能源浪費(fèi)較大。因此，通過光導(dǎo)管技術(shù)來降低住宅小區(qū)地下空間的采光能耗具有現(xiàn)實(shí)意義。

3、工程案例分析

下面結(jié)合工程實(shí)例，探討光導(dǎo)管照明技術(shù)在住宅小區(qū)地下空間應(yīng)用的可行性。試驗(yàn)項(xiàng)目是杭州市余杭區(qū)一住宅小區(qū)的單層地下停車庫，地下室頂板上覆土厚度平均為1.5米，筆者選取了其中的5000m2的純地下室空間作為優(yōu)化試驗(yàn)區(qū)。根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》可知，杭州地區(qū)屬于光氣候分區(qū)第IV區(qū)，該地區(qū)全年平均照度22klx≤eq﹤24klx。以全年平均照度23klx進(jìn)行照度計(jì)算，得出標(biāo)準(zhǔn)照度值。當(dāng)室外臨界照度大于23klx時(shí)，其室內(nèi)照度就越大，照明范圍就越大，室內(nèi)也就越亮。當(dāng)然，達(dá)到以上室內(nèi)照度是按晴天的狀態(tài)下而得出，陰雨天等特殊天氣除外。

3.1照明布置建議

按照度要求分布，使用46套某品牌330DS型光導(dǎo)照明系統(tǒng)。如下圖1為設(shè)計(jì)的平面布置圖：

3.2投資回收經(jīng)濟(jì)分析

3.2.1原電力照明系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)

a、直接節(jié)電耗電分析

（1）根據(jù)CECS45：92《地下建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，地下車庫車位和車道地面照度統(tǒng)一取值75lx。當(dāng)車庫內(nèi)照度為75lx時(shí)，單位面積用電量為7.5w/m2（熒光燈）。

（2）光導(dǎo)照明系統(tǒng)平均每天采光照明10小時(shí)左右。

（3）由圖紙可知，車庫光導(dǎo)照明系統(tǒng)照明面積約為5000m2。

（4）綜合（1）、（2）、（3），一天日間照明用電費(fèi)用為（電費(fèi)以商業(yè)用電0.6元/kwh計(jì)算）：

5000m2×0.0075kw/m2×10h=375kwh 即一天日間的總用電費(fèi)量為375kwh。

b、間接節(jié)約的鎮(zhèn)流器耗電

熒光燈鎮(zhèn)流器耗電量約占照明用電的20%～30%，以20%計(jì)算，其鎮(zhèn)流器年耗電費(fèi)用為：375kwh×20%=75kwh。

c、一天日間照明總耗電量約為：375kwh+75kwh =450kwh。

d、一年日間照明總用電約為：450kwh×365=164250kwh×0.6元/kwh=98550元（約9.9萬元）。

e、節(jié)省耗材分析

根據(jù)照明燈具常規(guī)壽命，照明燈具平均3年需要更換一次，該項(xiàng)目還需支付定期維修與更新燈具的費(fèi)用。電力照明設(shè)備維護(hù)費(fèi)及燈具更換費(fèi)1.5萬元/年。而光導(dǎo)管系統(tǒng)從安裝使用開始便屬于一次性投資，不需要更換僅需常規(guī)清潔保養(yǎng)，使用壽命很長，正常情況下大于30年，利用效率比較高，可以有效地彌補(bǔ)人工照明的不足。

f、綜上所述，電力照明系統(tǒng)一年的運(yùn)行費(fèi)用約為：9.9萬元+1.5萬元=11.4萬元。

3.2.2相對投資回收期計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算，合計(jì)年度總節(jié)省費(fèi)用約為：11.4萬元；

該項(xiàng)目光導(dǎo)照明系統(tǒng)總投入費(fèi)用約為：36.8萬元；項(xiàng)目相對投資回收期：36.8萬元÷11.4萬元=3.2年，即相對投資回收期約為3年。

3.2.3 壽命期節(jié)約成本計(jì)算

光導(dǎo)管照明系統(tǒng)按30年使用壽命考慮，設(shè)備常規(guī)清潔保養(yǎng)費(fèi)用按每年1萬元計(jì)算，即30萬元。

節(jié)約的燈具維護(hù)和電力費(fèi)用約為：11.4萬元/年×30年=342萬元； 光導(dǎo)照明系統(tǒng)投入約為：36.8萬元+30萬元=66.8萬元

節(jié)能成本：342萬元-66.8萬元=275.2萬元。

以上數(shù)據(jù)分析可見，應(yīng)用光導(dǎo)照明系統(tǒng)主要是首期投資。即使在不考慮電力照明后期各項(xiàng)費(fèi)用上漲的靜態(tài)狀況下，僅以上5000m2地下車庫區(qū)域?yàn)槔捎霉鈱?dǎo)照明系統(tǒng)每年就能為小區(qū)業(yè)主節(jié)省約10萬元左右的開支。可見它的應(yīng)用范圍越大，長期經(jīng)濟(jì)效益就越明顯。

4、光導(dǎo)管推廣應(yīng)用的優(yōu)劣分析

光導(dǎo)管照明技術(shù)直接利用太陽光，相比于人工光源射，自然光的光譜范圍廣，光線均勻柔和，可以起到殺菌和防治多種皮膚病的功效，因此更多的人還是偏愛享受自然光。而且經(jīng)過光導(dǎo)管系統(tǒng)處理的太陽光沒有頻譜和眩光，在采光罩上加設(shè)防輻射涂層還能有效地濾除有害輻射，這些都是人工照明辦不到的?？梢?，光導(dǎo)管照明在光線舒適性上具有很大的優(yōu)勢。

從以上案例分析可以看出，光導(dǎo)管照明系統(tǒng)能給使用者帶來實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益。推而廣之，如果光導(dǎo)管照明系統(tǒng)能夠大范圍被使用，將會帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)由于它能節(jié)省大量的電力，間接減輕了環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國采光照明用電約占到總發(fā)電量的10%～12%。為了滿足不斷增長的用電需求，就需要國家加大電力設(shè)施的投入，這不但增加了用電成本還會增加環(huán)境污染的壓力，因?yàn)閲鴥?nèi)仍以火力發(fā)電為主，使用燃煤不僅加快了非可再生能源的消耗，在燃燒過程中產(chǎn)生的大量有害氣體也會對環(huán)境產(chǎn)生較大影響。因此，光導(dǎo)管照明技術(shù)的推廣應(yīng)用還具有巨大的環(huán)境意義。

但現(xiàn)有光導(dǎo)管照明技術(shù)作為一種新型的自然采光照明方式，仍存在一些缺陷與問題，影響了其大范圍的推廣應(yīng)用。比如：

（1）光導(dǎo)管照明技術(shù)使用太陽光作為光源，因此其采集的光能量直接受氣候與地理位置的影響。在不同的光氣候分區(qū)，光資源是存在較大差異的，在常年光照比較少的地區(qū)，光導(dǎo)管照明技術(shù)的優(yōu)勢不明顯。

（2）光導(dǎo)管采光對建筑外部光環(huán)境的要求較高。隨著建筑用地的日漸緊張，普通工業(yè)與民用建筑項(xiàng)目的建筑密度和容積率指標(biāo)都在逐漸提高，因此采用光導(dǎo)管照明的建筑常常受周邊建筑、景觀和構(gòu)筑物的遮擋，特別是對于住宅項(xiàng)目的地下室很難做到白天全時(shí)段采光。因此，需要根據(jù)每個(gè)建筑的光環(huán)境設(shè)計(jì)光導(dǎo)管系統(tǒng)。

（3）光導(dǎo)管與建筑存在適用性問題。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，后期增加的光導(dǎo)管往往會因?yàn)榕c建筑的布局和結(jié)構(gòu)存在沖突而影響其設(shè)計(jì)與使用效果。另一方面，另一方面，如果由于單體建筑體量大、采光面受限等因素導(dǎo)致光導(dǎo)管的采光罩與漫射器之間的導(dǎo)光管管路過長，則光通量的衰減也會很大，這也限制了光導(dǎo)管的推廣應(yīng)用。

5、結(jié)束語

綜上所述，在居住小區(qū)地下空間采用光導(dǎo)管照明技術(shù)，能夠使小區(qū)業(yè)主享受到自然光帶來的舒適照明效果，同時(shí)減少了日間照明及其維護(hù)更新帶來的成本支出。光導(dǎo)管照明技術(shù)如果能夠大范圍推廣應(yīng)用，將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。盡管目前仍存在一些問題限制了光導(dǎo)管照明技術(shù)的推廣應(yīng)用，但未來光導(dǎo)管照明技術(shù)是我們實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排，環(huán)保健康，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)非常值得關(guān)注并值得發(fā)展的新興應(yīng)用技術(shù)，這需要業(yè)內(nèi)人士在綜合應(yīng)用上做更多的研究。

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