Light-pipes Lighting Technology and its Engineering Application

Zou Zhihui / Li wei



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

据统计，照明用电量约占社会总用电量的20%，如何实现照明系统节电无疑成为节能环保措施中的重要一步。目前在建筑照明系统中，主要对光源、灯具和控制方式进行节电处理，如采用高效节能型荧光灯、LED灯、无极灯等；或是采用高反射率的灯具以提升光效；亦或是采用智能照明控制方式来控制灯具的开关或者对灯具进行调光以满足不同需求时的照明照度水平，达到省电节能的目的。此外，一种更加节能的措施是直接利用自然光，而光导管的应用使得这一技术手段在工业与民用建筑领域得以更好体现。由于采集太阳光的光导管绿色照明系统具有结构简单、安装方便、成本较低、实际照明效果好等优点，因此在国外发展十分迅速，应用也比较广泛。如今这项技术已在国内不少城市建筑中得以应用(如图1～2所示)，节能效果十分显著，应得以充分地展示和推广。

图1　某大学体育馆光导管照明实例

图2　某城市低碳科技馆光导管照明实例

1光导管照明系统工作原理

1.1系统组成

系统主要由以下三部分组成。

1.1.1采光区

利用透射和折射原理在室外利用采光罩高效采集太阳光、自然光，并将其导入系统内部。其中采光罩有半球型、平板型等，采用亚克力材质，透光率高、抗冲击性强、耐摩擦、能有效隔离90%以上的紫外线且表面平滑光亮，经风刮雨淋就可实现自清洁功能。采光罩外形如图3所示。

图3　光导管照明采光罩

1.1.2传输区

采用七彩无极限管道专利技术对导光管内部进行反光处理，光线反射率达99.7%、显色指数达97%以上，光线传输距离长达20m，还可进行0～90°随意转弯，可保证光线的传输距离更长、更高效。

1.1.3输出区

由漫射器将比较集中的自然光均匀、大面积地照到室内需要光线的各个地方，无论黎明、黄昏、阴天或雨天，该照明系统导入室内的光线可始终保证充足。漫射器采用3D纳米漫射镜片或进口PC、亚克力材料加工而成，不易破碎，透射性、扩散性高，显色性好、透光率达90%以上，漫射器外形如图4所示。经过漫射的光线为全光谱、无眩光、无频闪，并能通过调光器进行光线控制，调整室内照度。光导管照明装置主要技术参数如表1所示。

图4　光导管照明漫射器

型号管道尺寸(直径)/mm采光罩有效日光采集面积/cm2参考照明面积(照度值按地面100lx,光导管长度4m)/m2光线可传输距离/m290DS350103223～289+330DS530212930～5015750DS530483830～5015M74-基础单元740-50～7020M74-扩光单元740-60～9020

1.2系统主要特点

光导管采光系统100%利用自然光照明，可有效降低建筑物内部80%以上的白天照明，无能耗、一次性投资、无需维护，使用寿命可长达25年，在节约能源、创造效益的同时也减少了大量CO2和其他污染物的排放。系统各部件所使用的材料为健康环保型材料，可全部回收利用，不产生二次污染。另外，为避免人们长期生活和工作在电光源下，光导管采光系统将阳光引入室内，减少电磁污染，降低疾病发病率的同时，也减少了因停电引起的安全隐患和用电引起的火灾隐患，通过直接采集室外自然光、太阳光，能过滤90%以上的有害紫外线，导入室内的光线能达到全光谱、无频闪、无眩光，使工作环境更加舒适，减轻人们长期处在灯光下引起的视觉疲劳。

1.3光导管照明的应用范围

主要应用于单层建筑、单层地下室及建筑顶层空间等，其中包括大型的体育场馆、工业厂房、物流中心、地下空间、学校、医院、展览馆、火车站、地铁站、机场、港口、商场、酒店、超市、别墅、高级会馆等建筑，光导管照明系统在建筑中的应用如图5所示。

图5　光导管照明系统的应用

2光导管照明的应用案例

2.1光导管照明系统的应用

光导管照明技术是一项非常节能的照明技术，无需消耗电能，通过利用自然光将室外光线引入室内，实现了真正意义上的绿色健康照明技术。随着光导管技术的不断进步，产品价格也在不断下降，该照明技术也得到了越来越多的推广和应用，仅武汉地区就有诸多项目投入使用，如武汉市民之家、武汉光谷未来科技城等项目。如今在国家大力倡导发展绿色建筑的政策下，该技术会有更好的发展及应用前景，下面就该产品技术在武汉市民之家项目上的应用进行介绍和分析。

武汉市民之家位于湖北省武汉市江岸区，占地面积99 200m2，建筑规模123 400m2，是武汉市重要的标志性、景观性建筑。

该项目采用了自然采光、太阳能光伏发电、透水地面、太阳能热水、节能照明、中水回收、地源热泵等20多项绿色节能技术，是一座现代化的政务建筑，既有高新的科技元素，又有浓厚的艺术、人文气息，还有时尚的环保理念，是现代化绿色建筑的典范。

本项目电气节能新技术的应用主要包括智能照明控制系统、太阳能光伏发电系统及光导管照明系统，其中主要在建筑物地下室车库及地上六层资料室、洽谈及政务公开区、走廊等区域设置共30多套光导管装置，下面仅以其在地下室部分的应用对光导管照明系统进行分析说明。

地下室设置的10套光导管主要应用于车道及车位照明，光导管照明采光罩均安放在对应地下车库区域的地面绿化带上，以保证日光充分导入地下车库，如图6所示。因光导管需要穿地下室顶板出地面，所以光导管需要预留孔洞尺寸，同时设备安装时要做好防水处理，以免引起地下室漏水。采用290DS 开放式光导装置，按每个结构柱网(8.4m×8.4m)中间均匀布置一根管径350mm、长2m(根据地下室的土建基础条件及照度要求)的光导管，采光罩距地面300mm，漫射器距地下室顶板400mm，管间布置间距8.4m，光导管照明装置剖面图如图7所示。

图6　武汉市民之家地下室光导管照明系统

图7　光导管照明装置剖面图

根据GB 50033-2013《建筑采光设计标准》中国光气候分区图可知，武汉地区位于Ⅳ区，属于光照资源比较富裕的地区，天然光年平均总照度30klx≤Eq<35klx，以全年平均总照度值Eq=32.5klx进行计算，通过visual软件进行照度计算分析，可得车库光导管区域平均照度为79lx，高于标准规定的车库照度50lx，满足使用要求。实际运营效果表明，该系统能在大多数天气条件下满足白天地下车库的照度要求，尤其是晴朗天气，照明效果最佳。同时地下室设置了智能照明控制系统，在阴雨天和夜晚，当室内采光不足时开启电光照明以满足车库照度需求。

2.2光导管照明系统的经济性分析

光导管照明系统提供的是日间照明，考虑阴雨天采光不足等因素，照明用电量以平均9h/天的时间计算。地下室该区域车道和车位照明均采用28W节能型单管荧光灯，共安装100盏，设备安装功率共计28×100=2.8kW，可得一天日间照明耗电量为2.8kW×9 h=25.2kW·h，另考虑灯具附件电子镇流器的附加耗电量，按照明用电量的10%考虑，其用电量为25.2 ×10%=2.52kW·h，所以一天日间照明总耗电量约为27.72kW·h。电费以商业用电1元/ kW·h计算，一天日间照明总用电费用约为 27.72元。

由此可见，本项目地下室光导管照明系统一年可节省用电27.72×365=10 118kW·h，节约电费10 118×1=10 118元，另外考虑电力照明设备的维护费和更换费，分别按300元/年、200元/年考虑，一年可省500元，一年共省运营管理费用10 118+500=10 618元，本工程光导管照明设备费为7 500元/套，另考虑设备安装费350元/套，地下室光导管总投入费用=10× 7 850=78 500元，静态回收期=光导管照明设备总投入费用/年度总节省能源费用=78 500 /10 618=7.4年。

光导管的尺寸和长度对光线的引入有较大的影响，管径越大，光导管越短，所引入的自然光越充分，光线传输损耗越小，照度越高。由于武汉市民之家地下室应用的光导管管径偏小，安装数量较少，所产生的经济性还不算高，而根据已经竣工投入使用的光谷未来科技城地下室的应用情况，其优越性就得到了充分的体现，该项目地下室共采用了30多套大管径的光导管装置，建成后实际照明效果非常好，而且整个项目的静态回收期大约为4年。

2.3光导管照明系统的节能与减排分析

在节能环保方面，火力发电的生产过程中会耗费大量的非可再生资源，同时会释放CO2等有害气体，并伴随着热污染。

我国现在还是主要以火力发电为主的国家，且火力发电厂所使用的燃料基本上全是煤炭，据统计，全国煤炭消费总量的49%都用于发电。所以，在节能分析中主要计算煤的消耗量，其中每节约1度电，就相应节约了0.4kg标准煤和4L净水。因此，在武汉市民之家项目中地下室采用光导管照明系统后，一年可节约标准煤0.4×10 118=4 047kg，折合原煤4 047k/0.714 3=5 665.7 kg；节约净水4×10 118kW·h=40 472 L。

火力发电过程中每产生1度电会释放出不同量的有害气体：CO2为0.997kg/ kW·h，SO2为0.03kg/ kW·h，NOx为0.015kg/ kW·h，碳粉尘为0.272kg/ kW·h。由此该项目地下室采用光导管照明系统后，一年可减少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，碳粉尘排放量 10 118×0.272=2 752.1kg。

综上所述，煤炭属不可再生资源，省电即可减少煤炭的消耗和因煤炭燃烧而引起的大气污染，同时光导管照明系统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，而且光导照明系统大部分设施可进行回收利用，真正做到了绿色、环保、节能减排。

3结束语

光导管照明是一项非常节能的照明应用技术，在建筑照明领域其应用虽然有一定的局限性，易受日照条件及天气的影响，适用于日照时间较长的地区，且导光距离不宜过长，主要适用于工业厂房、大型室内体育建筑、单层地下空间或顶层空间等，但是因为该应用中自然光能达到舒适的照明效果、具有良好的经济性、又无需消耗能源并具有很好的节能减排作用，所以光导管照明仍是一项值得推广的绿色照明应用技术。

参考文献

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光导管照明技术及其工程应用

邹智慧 / 李蔚

(中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014)

摘要介绍了光导管照明系统的工作原理及其在建筑工程中的应用，以实际工程应用为例分析了该项技术在舒适性、经济性及节能环保等方面的优越性，指出它是一项值得推广的绿色照明应用技术。

关键词光导管绿色照明经济性节能与减排