Light-pipes Lighting Technology and its Engineering Application

Zou Zhihui / Li wei

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Light-pipes Lighting Technology and its Engineering Application

Zou Zhihui / Li wei

AbstractLight-pipe lighting system working principle and its application in architecture engineering are introduced, the advantages of the technology in comfort, economy , energy saving and environmental protection are analyzed with the practical application cases, and point out that it is an application technology of green lighting which worth popularizing.

Keywordslight-pipe, green lighting, economy, energy saving and environmental protection

0引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，照明用電量約占社會總用電量的20%，如何實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)節(jié)電無疑成為節(jié)能環(huán)保措施中的重要一步。目前在建筑照明系統(tǒng)中，主要對光源、燈具和控制方式進(jìn)行節(jié)電處理，如采用高效節(jié)能型熒光燈、LED燈、無極燈等；或是采用高反射率的燈具以提升光效；亦或是采用智能照明控制方式來控制燈具的開關(guān)或者對燈具進(jìn)行調(diào)光以滿足不同需求時的照明照度水平，達(dá)到省電節(jié)能的目的。此外，一種更加節(jié)能的措施是直接利用自然光，而光導(dǎo)管的應(yīng)用使得這一技術(shù)手段在工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域得以更好體現(xiàn)。由于采集太陽光的光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本較低、實(shí)際照明效果好等優(yōu)點(diǎn)，因此在國外發(fā)展十分迅速，應(yīng)用也比較廣泛。如今這項(xiàng)技術(shù)已在國內(nèi)不少城市建筑中得以應(yīng)用(如圖1～2所示)，節(jié)能效果十分顯著，應(yīng)得以充分地展示和推廣。

圖1　某大學(xué)體育館光導(dǎo)管照明實(shí)例

圖2　某城市低碳科技館光導(dǎo)管照明實(shí)例

1光導(dǎo)管照明系統(tǒng)工作原理

1.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由以下三部分組成。

1.1.1采光區(qū)

利用透射和折射原理在室外利用采光罩高效采集太陽光、自然光，并將其導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部。其中采光罩有半球型、平板型等，采用亞克力材質(zhì)，透光率高、抗沖擊性強(qiáng)、耐摩擦、能有效隔離90%以上的紫外線且表面平滑光亮，經(jīng)風(fēng)刮雨淋就可實(shí)現(xiàn)自清潔功能。采光罩外形如圖3所示。

圖3　光導(dǎo)管照明采光罩

1.1.2傳輸區(qū)

采用七彩無極限管道專利技術(shù)對導(dǎo)光管內(nèi)部進(jìn)行反光處理，光線反射率達(dá)99.7%、顯色指數(shù)達(dá)97%以上，光線傳輸距離長達(dá)20m，還可進(jìn)行0～90°隨意轉(zhuǎn)彎，可保證光線的傳輸距離更長、更高效。

1.1.3輸出區(qū)

由漫射器將比較集中的自然光均勻、大面積地照到室內(nèi)需要光線的各個地方，無論黎明、黃昏、陰天或雨天，該照明系統(tǒng)導(dǎo)入室內(nèi)的光線可始終保證充足。漫射器采用3D納米漫射鏡片或進(jìn)口PC、亞克力材料加工而成，不易破碎，透射性、擴(kuò)散性高，顯色性好、透光率達(dá)90%以上，漫射器外形如圖4所示。經(jīng)過漫射的光線為全光譜、無眩光、無頻閃，并能通過調(diào)光器進(jìn)行光線控制，調(diào)整室內(nèi)照度。光導(dǎo)管照明裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖4　光導(dǎo)管照明漫射器

型號管道尺寸(直徑)/mm采光罩有效日光采集面積/cm2參考照明面積(照度值按地面100lx,光導(dǎo)管長度4m)/m2光線可傳輸距離/m290DS350103223～289+330DS530212930～5015750DS530483830～5015M74-基礎(chǔ)單元740-50～7020M74-擴(kuò)光單元740-60～9020

1.2系統(tǒng)主要特點(diǎn)

光導(dǎo)管采光系統(tǒng)100%利用自然光照明，可有效降低建筑物內(nèi)部80%以上的白天照明，無能耗、一次性投資、無需維護(hù)，使用壽命可長達(dá)25年，在節(jié)約能源、創(chuàng)造效益的同時也減少了大量CO2和其他污染物的排放。系統(tǒng)各部件所使用的材料為健康環(huán)保型材料，可全部回收利用，不產(chǎn)生二次污染。另外，為避免人們長期生活和工作在電光源下，光導(dǎo)管采光系統(tǒng)將陽光引入室內(nèi)，減少電磁污染，降低疾病發(fā)病率的同時，也減少了因停電引起的安全隱患和用電引起的火災(zāi)隱患，通過直接采集室外自然光、太陽光，能過濾90%以上的有害紫外線，導(dǎo)入室內(nèi)的光線能達(dá)到全光譜、無頻閃、無眩光，使工作環(huán)境更加舒適，減輕人們長期處在燈光下引起的視覺疲勞。

1.3光導(dǎo)管照明的應(yīng)用范圍

主要應(yīng)用于單層建筑、單層地下室及建筑頂層空間等，其中包括大型的體育場館、工業(yè)廠房、物流中心、地下空間、學(xué)校、醫(yī)院、展覽館、火車站、地鐵站、機(jī)場、港口、商場、酒店、超市、別墅、高級會館等建筑，光導(dǎo)管照明系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用如圖5所示。

圖5　光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的應(yīng)用

2光導(dǎo)管照明的應(yīng)用案例

2.1光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的應(yīng)用

光導(dǎo)管照明技術(shù)是一項(xiàng)非常節(jié)能的照明技術(shù)，無需消耗電能，通過利用自然光將室外光線引入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的綠色健康照明技術(shù)。隨著光導(dǎo)管技術(shù)的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品價格也在不斷下降，該照明技術(shù)也得到了越來越多的推廣和應(yīng)用，僅武漢地區(qū)就有諸多項(xiàng)目投入使用，如武漢市民之家、武漢光谷未來科技城等項(xiàng)目。如今在國家大力倡導(dǎo)發(fā)展綠色建筑的政策下，該技術(shù)會有更好的發(fā)展及應(yīng)用前景，下面就該產(chǎn)品技術(shù)在武漢市民之家項(xiàng)目上的應(yīng)用進(jìn)行介紹和分析。

武漢市民之家位于湖北省武漢市江岸區(qū)，占地面積99 200m2，建筑規(guī)模123 400m2，是武漢市重要的標(biāo)志性、景觀性建筑。

該項(xiàng)目采用了自然采光、太陽能光伏發(fā)電、透水地面、太陽能熱水、節(jié)能照明、中水回收、地源熱泵等20多項(xiàng)綠色節(jié)能技術(shù)，是一座現(xiàn)代化的政務(wù)建筑，既有高新的科技元素，又有濃厚的藝術(shù)、人文氣息，還有時尚的環(huán)保理念，是現(xiàn)代化綠色建筑的典范。

本項(xiàng)目電氣節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用主要包括智能照明控制系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及光導(dǎo)管照明系統(tǒng)，其中主要在建筑物地下室車庫及地上六層資料室、洽談及政務(wù)公開區(qū)、走廊等區(qū)域設(shè)置共30多套光導(dǎo)管裝置，下面僅以其在地下室部分的應(yīng)用對光導(dǎo)管照明系統(tǒng)進(jìn)行分析說明。

地下室設(shè)置的10套光導(dǎo)管主要應(yīng)用于車道及車位照明，光導(dǎo)管照明采光罩均安放在對應(yīng)地下車庫區(qū)域的地面綠化帶上，以保證日光充分導(dǎo)入地下車庫，如圖6所示。因光導(dǎo)管需要穿地下室頂板出地面，所以光導(dǎo)管需要預(yù)留孔洞尺寸，同時設(shè)備安裝時要做好防水處理，以免引起地下室漏水。采用290DS 開放式光導(dǎo)裝置，按每個結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)(8.4m×8.4m)中間均勻布置一根管徑350mm、長2m(根據(jù)地下室的土建基礎(chǔ)條件及照度要求)的光導(dǎo)管，采光罩距地面300mm，漫射器距地下室頂板400mm，管間布置間距8.4m，光導(dǎo)管照明裝置剖面圖如圖7所示。

圖6　武漢市民之家地下室光導(dǎo)管照明系統(tǒng)

圖7　光導(dǎo)管照明裝置剖面圖

根據(jù)GB 50033-2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中國光氣候分區(qū)圖可知，武漢地區(qū)位于Ⅳ區(qū)，屬于光照資源比較富裕的地區(qū)，天然光年平均總照度30klx≤Eq<35klx，以全年平均總照度值Eq=32.5klx進(jìn)行計(jì)算，通過visual軟件進(jìn)行照度計(jì)算分析，可得車庫光導(dǎo)管區(qū)域平均照度為79lx，高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車庫照度50lx，滿足使用要求。實(shí)際運(yùn)營效果表明，該系統(tǒng)能在大多數(shù)天氣條件下滿足白天地下車庫的照度要求，尤其是晴朗天氣，照明效果最佳。同時地下室設(shè)置了智能照明控制系統(tǒng)，在陰雨天和夜晚，當(dāng)室內(nèi)采光不足時開啟電光照明以滿足車庫照度需求。

2.2光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

光導(dǎo)管照明系統(tǒng)提供的是日間照明，考慮陰雨天采光不足等因素，照明用電量以平均9h/天的時間計(jì)算。地下室該區(qū)域車道和車位照明均采用28W節(jié)能型單管熒光燈，共安裝100盞，設(shè)備安裝功率共計(jì)28×100=2.8kW，可得一天日間照明耗電量為2.8kW×9 h=25.2kW·h，另考慮燈具附件電子鎮(zhèn)流器的附加耗電量，按照明用電量的10%考慮，其用電量為25.2 ×10%=2.52kW·h，所以一天日間照明總耗電量約為27.72kW·h。電費(fèi)以商業(yè)用電1元/ kW·h計(jì)算，一天日間照明總用電費(fèi)用約為 27.72元。

由此可見，本項(xiàng)目地下室光導(dǎo)管照明系統(tǒng)一年可節(jié)省用電27.72×365=10 118kW·h，節(jié)約電費(fèi)10 118×1=10 118元，另外考慮電力照明設(shè)備的維護(hù)費(fèi)和更換費(fèi)，分別按300元/年、200元/年考慮，一年可省500元，一年共省運(yùn)營管理費(fèi)用10 118+500=10 618元，本工程光導(dǎo)管照明設(shè)備費(fèi)為7 500元/套，另考慮設(shè)備安裝費(fèi)350元/套，地下室光導(dǎo)管總投入費(fèi)用=10× 7 850=78 500元，靜態(tài)回收期=光導(dǎo)管照明設(shè)備總投入費(fèi)用/年度總節(jié)省能源費(fèi)用=78 500 /10 618=7.4年。

光導(dǎo)管的尺寸和長度對光線的引入有較大的影響，管徑越大，光導(dǎo)管越短，所引入的自然光越充分，光線傳輸損耗越小，照度越高。由于武漢市民之家地下室應(yīng)用的光導(dǎo)管管徑偏小，安裝數(shù)量較少，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性還不算高，而根據(jù)已經(jīng)竣工投入使用的光谷未來科技城地下室的應(yīng)用情況，其優(yōu)越性就得到了充分的體現(xiàn)，該項(xiàng)目地下室共采用了30多套大管徑的光導(dǎo)管裝置，建成后實(shí)際照明效果非常好，而且整個項(xiàng)目的靜態(tài)回收期大約為4年。

2.3光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的節(jié)能與減排分析

在節(jié)能環(huán)保方面，火力發(fā)電的生產(chǎn)過程中會耗費(fèi)大量的非可再生資源，同時會釋放CO2等有害氣體，并伴隨著熱污染。

我國現(xiàn)在還是主要以火力發(fā)電為主的國家，且火力發(fā)電廠所使用的燃料基本上全是煤炭，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國煤炭消費(fèi)總量的49%都用于發(fā)電。所以，在節(jié)能分析中主要計(jì)算煤的消耗量，其中每節(jié)約1度電，就相應(yīng)節(jié)約了0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤和4L凈水。因此，在武漢市民之家項(xiàng)目中地下室采用光導(dǎo)管照明系統(tǒng)后，一年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.4×10 118=4 047kg，折合原煤4 047k/0.714 3=5 665.7 kg；節(jié)約凈水4×10 118kW·h=40 472 L。

火力發(fā)電過程中每產(chǎn)生1度電會釋放出不同量的有害氣體：CO2為0.997kg/ kW·h，SO2為0.03kg/ kW·h，NOx為0.015kg/ kW·h，碳粉塵為0.272kg/ kW·h。由此該項(xiàng)目地下室采用光導(dǎo)管照明系統(tǒng)后，一年可減少CO2排放量10 118×0.997=10 087.6kg，SO2排放量10 118 ×0.03=303.5kg，NOx排放量 10 118×0.015=151.8kg，碳粉塵排放量 10 118×0.272=2 752.1kg。

綜上所述，煤炭屬不可再生資源，省電即可減少煤炭的消耗和因煤炭燃燒而引起的大氣污染，同時光導(dǎo)管照明系統(tǒng)完全利用自然光的物理特性，基于反射和折射的原理充分利用自然光，不需要消耗其它能源，而且光導(dǎo)照明系統(tǒng)大部分設(shè)施可進(jìn)行回收利用，真正做到了綠色、環(huán)保、節(jié)能減排。

3結(jié)束語

光導(dǎo)管照明是一項(xiàng)非常節(jié)能的照明應(yīng)用技術(shù)，在建筑照明領(lǐng)域其應(yīng)用雖然有一定的局限性，易受日照條件及天氣的影響，適用于日照時間較長的地區(qū)，且導(dǎo)光距離不宜過長，主要適用于工業(yè)廠房、大型室內(nèi)體育建筑、單層地下空間或頂層空間等，但是因?yàn)樵搼?yīng)用中自然光能達(dá)到舒適的照明效果、具有良好的經(jīng)濟(jì)性、又無需消耗能源并具有很好的節(jié)能減排作用，所以光導(dǎo)管照明仍是一項(xiàng)值得推廣的綠色照明應(yīng)用技術(shù)。

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光導(dǎo)管照明技術(shù)及其工程應(yīng)用

鄒智慧 / 李蔚

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430014)

摘要介紹了光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的工作原理及其在建筑工程中的應(yīng)用，以實(shí)際工程應(yīng)用為例分析了該項(xiàng)技術(shù)在舒適性、經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能環(huán)保等方面的優(yōu)越性，指出它是一項(xiàng)值得推廣的綠色照明應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞光導(dǎo)管綠色照明經(jīng)濟(jì)性節(jié)能與減排