不同天氣模式下光導(dǎo)照明系統(tǒng)的效率分析

盛 夏，曹冠英,2，宣 昂，韓 磊，張滿溪，周 婷，楊 軼,2，賀曉陽(yáng),2

(1.大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.大連工業(yè)大學(xué)光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034)

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不同天氣模式下光導(dǎo)照明系統(tǒng)的效率分析

盛 夏1，曹冠英1,2，宣 昂1，韓 磊1，張滿溪1，周 婷1，楊 軼1,2，賀曉陽(yáng)1,2

(1.大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.大連工業(yè)大學(xué)光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034)

以大連地區(qū)為例，主要研究標(biāo)準(zhǔn)陰天、晴天以及霧霾三種天氣模式下光導(dǎo)照明系統(tǒng)中光導(dǎo)管的效率。運(yùn)用HOLIGILM軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，通過設(shè)定三個(gè)不同時(shí)間段和擬定不同的光導(dǎo)管長(zhǎng)徑比，得出效率的計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明，光導(dǎo)管效率隨長(zhǎng)徑比呈線性變化并且是反比函數(shù)。

光導(dǎo)管效率；長(zhǎng)徑比；天氣模式；HOLIGILM; 照明；光導(dǎo)管；CIE標(biāo)準(zhǔn)陰天

引言

當(dāng)前我國(guó) 70% 以上的發(fā)電量依賴火力發(fā)電提供，火力發(fā)電廠會(huì)向大氣排放二氧化硫、氮氧化物、粉塵、灰渣、二氧化碳等，造成可怕的大氣污染[1]。2015年，北京霧霾天氣長(zhǎng)達(dá)179天，其中重度霧霾46天[2]。大力推行清潔能源已經(jīng)是時(shí)代的需要。自然光是取之不盡、用之不竭的，是大自然賜予人類的寶貴財(cái)富，具有清潔、安全的特點(diǎn)，這是其他能源所沒有的，自然光的導(dǎo)入可采用光導(dǎo)照明系統(tǒng)。光導(dǎo)照明系統(tǒng)對(duì)于建筑節(jié)能方面有很大的幫助，更好地為我們實(shí)現(xiàn)了建筑的節(jié)能減排，是一項(xiàng)現(xiàn)代的新興應(yīng)用技術(shù)，值得關(guān)注[3]。充分利用自然光可節(jié)省大量照明用電，節(jié)約照明用電又可間接減少自然資源的消耗及有害氣體的排放。

光導(dǎo)照明系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)主要由采光罩、光導(dǎo)管以及漫射器組成[4],可以將太陽(yáng)光直接引入室內(nèi)實(shí)現(xiàn)照明。本文運(yùn)用HOLIGILM軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，旨在分析研究光導(dǎo)管的管長(zhǎng)與直徑在何種比值下，能使整個(gè)系統(tǒng)的照明效率達(dá)到最高。通過擬定三種生活中常見的天氣模式——標(biāo)準(zhǔn)陰天，晴朗天氣以及霧霾天氣，分析得出最佳的設(shè)計(jì)方案，為光導(dǎo)照明系統(tǒng)使用省及生廠商提供參考。

1 仿真計(jì)算

1.1 HOLIGILM簡(jiǎn)介

HOLIGILM以射線追蹤解決方案為基礎(chǔ)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)天空條件進(jìn)行考慮和分析，并可以預(yù)先規(guī)定太陽(yáng)高度角及方位角和光導(dǎo)管規(guī)格。本文運(yùn)用HOLIGILM來計(jì)算光導(dǎo)管的效率，也可以分析其天空亮度、工作面照度、漫射器照度以及光強(qiáng)分布[5]。在軟件運(yùn)行之前，首先要預(yù)先設(shè)置好室內(nèi)空間參數(shù)以及光導(dǎo)管的一些性能指標(biāo)，選擇CIE 模式的 15 種常見天空模型、設(shè)定光導(dǎo)管長(zhǎng)度以及直徑、漫射器透射率等。

在軟件模擬分析中，主要對(duì)一個(gè)光導(dǎo)管作用于室內(nèi)工作面進(jìn)行效率和照度分布研究，通過以上計(jì)算可以得出總照度。已知輸入和輸出光通量，便可以確定光導(dǎo)管效率。

1.2 計(jì)算方案

本文以大連地區(qū)為例，選取了三種日常的天氣模式，分別為CIE標(biāo)準(zhǔn)陰天模式，晴朗天氣以及頻繁出現(xiàn)的霧霾天氣為研究背景，改變光導(dǎo)管長(zhǎng)度和半徑，算出長(zhǎng)徑比(即長(zhǎng)度與直徑的比值)，研究光導(dǎo)管效率與長(zhǎng)徑比之間的規(guī)律；找出不同時(shí)間段光導(dǎo)管的最大效率。

大連位于遼東半島南端，地理位置為東經(jīng)121°44′～121°49′，北緯39°01′～39°04′。首先通過軟件中的方位角計(jì)算器得出在這三種天氣模式下的每天的三個(gè)典型時(shí)間段的太陽(yáng)方位角分布。接下來對(duì)所要研究的工作面以及光導(dǎo)管參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，擬定為在一個(gè)4 m×4 m的矩形房間內(nèi)，照明系統(tǒng)的漫射器為朗伯漫射器，漫射系數(shù)為 0.75，采光罩的透射系數(shù)為 0.92；管壁內(nèi)反射率為 0.934[5]，通過改變管長(zhǎng)與管徑的取值即長(zhǎng)徑比取值來測(cè)定光導(dǎo)管的效率。國(guó)內(nèi)的光導(dǎo)管規(guī)格長(zhǎng)度沒有明確規(guī)定，這里取600 mm，1 200 mm，2 000 mm，3 000 mm作為代表值，直徑主要有330 mm，450 mm，530 mm，750 mm四種規(guī)格供選擇[6]。其中330 mm以及450 mm主要應(yīng)用于小型照明場(chǎng)所諸如走廊、洗手間、小儲(chǔ)藏室等地，530 mm應(yīng)用在辦公室、走廊、學(xué)校等一般照明需求場(chǎng)所，750 mm主要應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、大堂、生產(chǎn)廠房等地，在實(shí)際應(yīng)用中也可以根據(jù)需要進(jìn)行最合適的選擇。由此可算出光導(dǎo)管的長(zhǎng)徑比，見表1。

通過將以上數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件HOLIGILM中計(jì)算并得出不同長(zhǎng)徑比下不同天氣模式下的光導(dǎo)管效率，結(jié)合工作面及其漫射器照度結(jié)果就可以對(duì)光導(dǎo)管的性能進(jìn)行系統(tǒng)的分析，從而得出對(duì)應(yīng)最佳效率下的光導(dǎo)管設(shè)計(jì)方案。

表1 光導(dǎo)管的長(zhǎng)徑比關(guān)系Table 1 The ratio of hollow light guide’s length to diameter

2 結(jié)果及分析

通過軟件模擬計(jì)算，分別得出了在大連地區(qū)在CIE標(biāo)準(zhǔn)陰天、晴朗天氣以及霧霾天氣下，一天中9∶00,12∶00,18∶00三個(gè)典型時(shí)間下的光導(dǎo)管效率。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)陰天

表2及圖1為標(biāo)準(zhǔn)陰天模式下，三個(gè)典型時(shí)間下的光導(dǎo)管效率。由軟件仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)陰天下的18∶00，光導(dǎo)管長(zhǎng)度取600 mm，直徑為750 mm即長(zhǎng)徑比為0.8時(shí)的效率最高，可達(dá)67.7%。從圖1中可以看出，光導(dǎo)管效率隨著長(zhǎng)徑比的變化成線性關(guān)系，即隨著長(zhǎng)徑比的增大而減小。

表2 標(biāo)準(zhǔn)陰天不同條件下的光導(dǎo)管效率Table 2 The hollow light guide’s efficiency under different conditions of CIE overcast sky

圖1 標(biāo)準(zhǔn)陰天不同長(zhǎng)徑比下的光導(dǎo)管效率Fig.1 The hollow light guide’s efficiency under different conditions of CIE overcast sky

2.2 晴朗天氣

表3及圖2為晴朗天氣模式下，三個(gè)典型時(shí)間段下的光導(dǎo)管效率。在晴朗天氣的中午12∶00，光導(dǎo)管長(zhǎng)度取600 mm，直徑為750 mm即長(zhǎng)徑比為0.8時(shí)的效率最高，效率可達(dá)67.7%。同一時(shí)間段下光導(dǎo)管效率隨長(zhǎng)徑比變化呈線性關(guān)系，隨著長(zhǎng)徑比的增加而降低。與其他兩個(gè)天氣模式不同，在晴天天氣條件下，三個(gè)典型代表時(shí)間段下光導(dǎo)管效率差別較大，中午12點(diǎn)的效率相比較于9∶00和18∶00的效率明顯要高，分析原因是晴朗天氣中午日照充足，三個(gè)時(shí)間段下進(jìn)入光導(dǎo)系統(tǒng)采光罩的光通量差別很大，所以導(dǎo)致效率差別明顯。

表3 晴朗天氣不同條件下的光導(dǎo)管效率Table 3 The hollow loght guide’s efficiency under different conditions of CIE clear sky

圖2 晴朗天氣不同長(zhǎng)徑比下的光導(dǎo)管效率Fig.2 The hollow light guide’s efficiency under different conditions of CIE clear sky

2.3 霧霾天氣

表4及圖3為霧霾天氣模式下，三個(gè)典型時(shí)間段下的光導(dǎo)管效率?？梢钥闯鲈陟F霾天氣下18∶00的光導(dǎo)管效率最高可達(dá)64.5%，光導(dǎo)管效率與長(zhǎng)徑比之間仍呈線性變化關(guān)系，即同一時(shí)間段下，效率隨著長(zhǎng)徑比的增大而減小。

表4 霧霾天氣不同條件下的光導(dǎo)管效率Table 4 The hollow hight guide’s efficiency under different conditions of haze

圖3 霧霾天氣不同長(zhǎng)徑比下的光導(dǎo)管效率Fig.3 The hollow light guide’s efficiency under different condifions of haze

通過分析可以看出在三種天氣模式中，在確定了光導(dǎo)管直徑的情況下，出現(xiàn)了光導(dǎo)管效率隨著管長(zhǎng)的增加而降低的情況。分析原因是隨著管長(zhǎng)的增加，進(jìn)入光導(dǎo)系統(tǒng)的光通量在光導(dǎo)管的傳遞過程中出現(xiàn)反射吸收等損耗，導(dǎo)致最后照射至工作面的光通量減少，使導(dǎo)光系統(tǒng)效率降低。

3 結(jié)論

光導(dǎo)照明系統(tǒng)在白天可以取代傳統(tǒng)的電力照明系統(tǒng)，可以運(yùn)用在地下停車場(chǎng)，大型體育場(chǎng)所，倉(cāng)庫(kù)或者其他辦公場(chǎng)所等地，它節(jié)能環(huán)保，安裝簡(jiǎn)單，如果可以大力推行這一系統(tǒng)，勢(shì)必會(huì)為當(dāng)今的環(huán)保做出很大的貢獻(xiàn)，霧霾天氣也會(huì)有所減少。本文運(yùn)用HOLIGILM仿真計(jì)算軟件探究了大連地區(qū)在三種不同天氣模式三個(gè)不同時(shí)間段下的光導(dǎo)管效率與長(zhǎng)徑比之間的關(guān)系，并得出以下結(jié)論。

1)光導(dǎo)管長(zhǎng)徑比為0.8時(shí)，在三種天氣模式下，三個(gè)不同代表時(shí)間段的效率最高。同時(shí)光導(dǎo)管的效率與長(zhǎng)徑比成線性變化關(guān)系，即隨著長(zhǎng)徑比的增大而減小，即在光導(dǎo)管長(zhǎng)度一定的情況下，效率隨著半徑的增加而增加；

2)陰天模式以及霧霾天氣下，在18∶00時(shí)光導(dǎo)管效率較高，而晴朗天氣下12∶00時(shí)較高。分析原因是因?yàn)榍缋侍鞖饽Ｊ较?，?12∶00時(shí)，隨著太陽(yáng)的移動(dòng)，進(jìn)入光導(dǎo)系統(tǒng)采光罩的光線更充足，效率也就更高。同時(shí)晴朗天氣下不同時(shí)間段光導(dǎo)管效率變化差異大，因?yàn)榍缋侍鞖庀虏煌瑫r(shí)間照射入光導(dǎo)系統(tǒng)采光罩的光通量變化差異大；

3)在生產(chǎn)商確定了消費(fèi)者的使用場(chǎng)所之后，即可以選擇適合的光導(dǎo)管直徑，在此時(shí)為了能使整個(gè)光導(dǎo)照明系統(tǒng)的效率達(dá)到最高，可以在保證使用場(chǎng)所合適的的前提下使長(zhǎng)徑比盡可能接近0.8，因?yàn)殚L(zhǎng)徑比為0.8時(shí)效率最高。同時(shí)在直徑一定的情況下，光導(dǎo)管的效率會(huì)隨著管長(zhǎng)的增加降低。

[1] 黃旨弘．綠色節(jié)能產(chǎn)品——光導(dǎo)照明系統(tǒng)[J].建筑與環(huán)境,2014，8(3)：95-95.

[2] 王碩．北京曬2015治霾成績(jī)單 空氣達(dá)標(biāo)天數(shù)超五成．http://news.sina.com.cn．

[3] 紀(jì)思美．自然光和LED混合照明系統(tǒng)在隧道照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．照明工程學(xué)報(bào),2013，24(3)：53-57.

[4] 徐登輝，劉志東．光導(dǎo)照明系統(tǒng)的基本原理及使用概況[J]．智能建筑與城市信息,2010，(6)：81-84.

[5] DARULA S,KOCIFAJ M, MOHELNIKOVA J.Hollow light guide efficiency and illuminance distribution on the light-tube base under overcast and clear sky conditions[J]．Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2013，124(17):3165-3169.

[6] 王善鑫．光導(dǎo)照明系統(tǒng)配光曲線的測(cè)試[J]．大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014，33(1)：66-70．

《中國(guó)照明工程年鑒(2017)》編纂工作啟動(dòng)

2017年4月26日，中國(guó)照明學(xué)會(huì)在北京召開《中國(guó)照明工程年鑒(2017)》編纂工作啟動(dòng)會(huì)?！吨袊?guó)照明工程年鑒(2017)》編纂工作組部分成員出席會(huì)議，會(huì)議由中國(guó)照明學(xué)會(huì)專職副理事長(zhǎng)高飛主持。中國(guó)照明學(xué)會(huì)竇林平秘書長(zhǎng)出席并致辭。

中國(guó)照明學(xué)會(huì)原理事長(zhǎng)王錦燧向大家介紹了《中國(guó)照明工程年鑒》的重要性及編纂工作的具體要求。專職副理事長(zhǎng)高飛就《中國(guó)照明工程年鑒(2017)》的具體內(nèi)容做了詳細(xì)的介紹。與會(huì)人員就內(nèi)容展開了討論，積極建言，會(huì)議就《中國(guó)照明工程年鑒(2017)》編纂工作的任務(wù)分工、計(jì)劃安排和實(shí)施方案達(dá)成共識(shí)。

The Efficiency Analysis of Hollow Light Guide System under Different Weather Patterns

SHENG Xia1，CAO Guanying1,2，XUAN Ang1，HAN Lei1，ZHANG Manxi1，ZHOU Ting1，YANG Yi1,2，HE Xiaoyang1,2

(1.School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China;2.Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China)

Taking Dalian as an example, the efficiency of hollow light guide system was mainly studied in three weather patterns, which are CIE overcast sky, CIE clear sky, and fog and haze. Three typical time periods and different ratios of length to diameter were set up to simulate and calculate the light guide efficiency by using software HOLIGILM. The results show that the light guide efficiency as the length to diameter ratio varies linearly and inversely proportional to the function.

light guide efficiency; ratio of length to diameter; weather patterns; HOLIGILM; lighting; light guide; CIE overcast sky

大連工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃訓(xùn)練項(xiàng)目(201610152368) 通信作者：曹冠英，E-mail:gycao@dlpu.edu.cn

TU113.6

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10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.013