導光管照明技術(shù)在農(nóng)村地下車庫中的應用及經(jīng)濟效益研究

張 諾，王銀成，徐鋮峰，魏錦濤，郝博軼，王 浩

青島工學院 機電工程學院，山東 青島 266109

0 引言

車庫照明系統(tǒng)主要有兩種類型，一種是傳統(tǒng)的電力電路照明，另一種是太陽光照明系統(tǒng)，也稱導光管采光系統(tǒng)。前者通過傳統(tǒng)的電力進行照明，不僅維護成本高昂，而且隨著線路的老化也會存在一定的安全隱患。后者通過利用太陽光來降低傳統(tǒng)電力的高額采光成本。導光管采光是利用光的反射與漫反射原理，將自然光導入室內(nèi)，應用范圍非常廣[1]。采光罩通過采集室外自然光線并導入系統(tǒng)內(nèi)重新分配，再經(jīng)過特殊制作的導光管傳輸后由底部的漫射裝置把自然光均勻高效地照射到任何需要光線的地方。從早上到晚上，甚至陰天，導光管日光照明系統(tǒng)導入室內(nèi)的光線仍然很充足。導光管照明系統(tǒng)的工作原理打破了照明完全依靠電力的傳統(tǒng)觀念，是一種綠色、健康、環(huán)保的照明系統(tǒng)。地下車庫可充分利用此種采光系統(tǒng)。部分地下車庫不能留半窗，尤其是農(nóng)村對于房屋整體設計觀念不同，這樣的地下車庫就需要導光管來收集太陽光，然后照射到地下車庫。

1 農(nóng)村地下車庫存在的問題

地下停車場在空間上具有一定的特殊性，例如層高較低、面積較大、設備管道相對密集、幾乎沒有自然采光等，其中采光性較差是農(nóng)村地下車庫的重要問題。村民為了保持車庫良好的密閉性，所設置的窗戶都比較小，有的甚至不設置窗戶，只在門上有亮窗，進深加上開窗面積過小，極大地影響了車庫的采光，導致車庫亮度極低，白天也需要開燈，造成了電力資源的浪費[2]。目前，普遍都是通過增加開窗面積或是開挖采光井的方式增加車庫的采光量；或是在車輛的停放上進行規(guī)劃設計，如將停車位設計在更不容易遮擋室內(nèi)光線的地方；也可以車庫墻壁選用淺色涂料涂刷，增加自然光在室內(nèi)的反射量[3]。

這些方法解決了車庫采光的問題，但是增加開窗面積會降低車庫的氣密性，影響車庫的保暖性，會給車庫的冬季保暖帶來問題。文章針對這些問題，在不影響車庫保暖性的基礎上，采用導光管的方法進行車庫照明，既解決車庫采光問題，又最大限度地保持了車庫的保暖性。

2 導光管照明系統(tǒng)簡介

2.1 導光管的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢

導光管采光系統(tǒng)是通過采集天然光，并經(jīng)管道傳輸?shù)绞覂?nèi)，進行天然光照明的采光系統(tǒng)。通常由集光器、導光管和漫射器組成，集光器又可分為半球形集光器和平板線集光器，二者的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 導光管集光器結(jié)構(gòu)示意圖

導光管日光照明系統(tǒng)又可以稱為光導照明、管道式日光照明，其作為一種無電照明系統(tǒng)主要是利用高反射材料制成光導管，將戶外采光部件獲得的陽光傳導到車庫實現(xiàn)照明，導光管結(jié)構(gòu)簡單，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、反射率高的特點，材料又可回收利用，安裝拆卸簡便，無須后期維護，降低了人工維護和設備更新成本。使用壽命長，一般在20 年以上?？扇旌蛘彰鳎野踩煽?，維護費用低[4]。

2.2 導光管照明系統(tǒng)的概念及構(gòu)成

導光管照明也被稱作光導照明、日光照明、自然光照明等，分為主動式照明和被動式照明。文章主要采用被動式照明方式。作為日光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，導光管照明系統(tǒng)主要有以下幾個部分：采光裝置、傳輸裝置及漫射裝置。

3 導光管采光系統(tǒng)技術(shù)指標

導光管采光系統(tǒng)技術(shù)指標如表1 所示。導光管采光系統(tǒng)的氣密性、水密性和抗風壓性能應滿足表1 中的規(guī)定[5]。其余指標要求如下：

表1 導光管采光系統(tǒng)技術(shù)指標

（1）導光管采光系統(tǒng)的防塵等級不應低于IPX5；

（2）導光管采光系統(tǒng)的透光折減系數(shù)不應低于0.5；

（3）導光管采光系統(tǒng)的顏色透射指數(shù)不應低于90；

（4）導光管采光系統(tǒng)的傳熱系數(shù)不應高于2.2 W/（m·K）；

（5）導光管采光系統(tǒng)抗結(jié)露性能不應低于現(xiàn)行國家標準《建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法》（GB/T 8484—2008）中抗結(jié)露因子5 級的水平；

（6）導光管采光系統(tǒng)的太陽得熱系數(shù)不應高于0.35；

（7）有調(diào)光要求的導光管采光系統(tǒng)可采用手動或自動控制方式對光輸出進行連續(xù)調(diào)節(jié)。

4 導光管施工工藝

自然采光系統(tǒng)通過導光管來滿足采光需求，從而節(jié)省了能源。被動式建筑對氣密性和保溫性能要求高。導光管為滿足被動式建筑要求，需要在導光管l m 范圍內(nèi)增加保溫層。保溫層與導光管接觸面應增加預壓密封帶來滿足建筑物對氣密性的要求。由于導光管分區(qū)位于屋面處，其自帶的SBS 防水卷材應和車庫附加的SBS 防水卷材相互結(jié)合，從而達到防水的效果。

導光管安裝前，可在結(jié)構(gòu)上預留孔洞，增設混凝土反坎。在安裝過程中，系統(tǒng)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的縫隙采用不燃材料封堵，以此增強導光系統(tǒng)的隔熱、防火性能。周邊的防水措施采用密封嵌固方法，防止?jié)B水、漏水情況的發(fā)生。

該工藝有效地降低了照明用電，節(jié)約了能源，為農(nóng)村地下車庫節(jié)能改造的實現(xiàn)提供了有利的條件。

5 導光管照明系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析

根據(jù)《建筑采光設計標準值》（GB 50033—2013）規(guī)定[6]，山東省青島市屬于光氣候分區(qū)第Ⅲ區(qū)，其地區(qū)全年平均照度35 lx ≤Eq≤40 lx。住宅建筑的臥室、起居室、廚房應有直接采光，室內(nèi)天然光照度不低于300 lx。當室外臨界照度大于23 lx 時，室內(nèi)照度大，照明范圍廣，室內(nèi)光線亮。

為了在建筑采光設計中，貫徹國家的法律法規(guī)和技術(shù)經(jīng)濟政策，充分利用天然光，創(chuàng)造良好光環(huán)境，節(jié)約能源，保護環(huán)境，構(gòu)建綠色建筑[7]。在建筑設計階段評價采光節(jié)能效果時，宜進行采光節(jié)能計算?？晒?jié)省的照明用電量按下列公式進行計算：

式中：Ue為單位面積上可節(jié)省的年照明用電量，kW·h/m2·年；A為照明的總面積，m2；We為可節(jié)省的年照明用電量，kW·h/年；Pn為房間或區(qū)域的照明安裝總功率，W；tD為全部利用天然采光的時數(shù)，h；tD'為部分利用天然采光的時數(shù)，h；FD為全部利用天然采光時的采光依附系數(shù)，取1；FD'為部分利用天然采光時的采光依附系數(shù)，在臨界照度與設計照度之間的時段取0.5[8]。

對于大小為5 000 mm×7 000 mm×3 500 mm 的地下車庫，根據(jù)《建筑照明設計標準》（GB 50034—2013）規(guī)定，室內(nèi)照度值需≥300 lx，需要6 盞22 W 的燈具來提供照明。當室外天然光入射時，人工照明作為補充手段，可以將燈具的控制線路分開，分設開關(guān)，白天打開內(nèi)側(cè)燈具補充照度，夜晚開啟所有燈具。分區(qū)利用，降低能耗。

對模型車庫耗電量進行耗能計算，假設照明時間全部開啟，2020 年耗電量為531.43 kW·h。為進一步研究導光管的節(jié)能效果，參考該地區(qū)氣象局提供的日照時間數(shù)據(jù)，如圖2 所示。青島市2016—2020 年年平均日照時間呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，這與當?shù)乜傇屏?、水汽壓等氣象要素有關(guān)，整體平均值為2 078.66 h。2016—2020 年月平均日照時間在2017 年8 月出現(xiàn)最大值，為290.2 h；2020 年1 月出現(xiàn)最小值，為74.8 h；2020 年月平均日照時間如圖3 所示，年總?cè)照諘r間為1 898.6 h。最后把實測數(shù)據(jù)代入公式（1）和（2），得出2020 年可節(jié)省的年照明用電量為391.02 kW·h，單位面積上可節(jié)省的年照明用電量為11.17 kW·h/m2，節(jié)電效率約73.58%。

圖2 2016—2020 年月平均日照時間

圖3 2020 年月平均日照時間

6 結(jié)束語

在能耗減排方面，農(nóng)村地下車庫導光管照明系統(tǒng)最大的優(yōu)勢就是節(jié)能，完全采用自然采光的導光管照明系統(tǒng)可以節(jié)省20%～30%的車庫能耗。導光管照明系統(tǒng)取代了電照明系統(tǒng)，可以避免照明設備產(chǎn)生的熱量，節(jié)省夏天空調(diào)10%～15%的制冷能耗，并且導光管的照明系統(tǒng)發(fā)出的光也能提供熱量，節(jié)約冬季空調(diào)的發(fā)熱能耗，有效降低二氧化碳的排放。