不同天气模式下光导照明系统的效率分析

盛 夏，曹冠英,2，宣 昂，韩 磊，张满溪，周 婷，杨 轶,2，贺晓阳,2

(1.大连工业大学信息科学与工程学院，辽宁 大连 116034；2.大连工业大学光子学研究所，辽宁 大连 116034)



不同天气模式下光导照明系统的效率分析

盛 夏1，曹冠英1,2，宣 昂1，韩 磊1，张满溪1，周 婷1，杨 轶1,2，贺晓阳1,2

(1.大连工业大学信息科学与工程学院，辽宁 大连 116034；2.大连工业大学光子学研究所，辽宁 大连 116034)

以大连地区为例，主要研究标准阴天、晴天以及雾霾三种天气模式下光导照明系统中光导管的效率。运用HOLIGILM软件进行仿真计算，通过设定三个不同时间段和拟定不同的光导管长径比，得出效率的计算结果。研究结果表明，光导管效率随长径比呈线性变化并且是反比函数。

光导管效率；长径比；天气模式；HOLIGILM; 照明；光导管；CIE标准阴天

引言

当前我国 70% 以上的发电量依赖火力发电提供，火力发电厂会向大气排放二氧化硫、氮氧化物、粉尘、灰渣、二氧化碳等，造成可怕的大气污染[1]。2015年，北京雾霾天气长达179天，其中重度雾霾46天[2]。大力推行清洁能源已经是时代的需要。自然光是取之不尽、用之不竭的，是大自然赐予人类的宝贵财富，具有清洁、安全的特点，这是其他能源所没有的，自然光的导入可采用光导照明系统。光导照明系统对于建筑节能方面有很大的帮助，更好地为我们实现了建筑的节能减排，是一项现代的新兴应用技术，值得关注[3]。充分利用自然光可节省大量照明用电，节约照明用电又可间接减少自然资源的消耗及有害气体的排放。

光导照明系统整个系统主要由采光罩、光导管以及漫射器组成[4],可以将太阳光直接引入室内实现照明。本文运用HOLIGILM软件进行仿真设计，旨在分析研究光导管的管长与直径在何种比值下，能使整个系统的照明效率达到最高。通过拟定三种生活中常见的天气模式——标准阴天，晴朗天气以及雾霾天气，分析得出最佳的设计方案，为光导照明系统使用省及生厂商提供参考。

1 仿真计算

1.1 HOLIGILM简介

HOLIGILM以射线追踪解决方案为基础，对标准天空条件进行考虑和分析，并可以预先规定太阳高度角及方位角和光导管规格。本文运用HOLIGILM来计算光导管的效率，也可以分析其天空亮度、工作面照度、漫射器照度以及光强分布[5]。在软件运行之前，首先要预先设置好室内空间参数以及光导管的一些性能指标，选择CIE 模式的 15 种常见天空模型、设定光导管长度以及直径、漫射器透射率等。

在软件模拟分析中，主要对一个光导管作用于室内工作面进行效率和照度分布研究，通过以上计算可以得出总照度。已知输入和输出光通量，便可以确定光导管效率。

1.2 计算方案

本文以大连地区为例，选取了三种日常的天气模式，分别为CIE标准阴天模式，晴朗天气以及频繁出现的雾霾天气为研究背景，改变光导管长度和半径，算出长径比(即长度与直径的比值)，研究光导管效率与长径比之间的规律；找出不同时间段光导管的最大效率。

大连位于辽东半岛南端，地理位置为东经121°44′～121°49′，北纬39°01′～39°04′。首先通过软件中的方位角计算器得出在这三种天气模式下的每天的三个典型时间段的太阳方位角分布。接下来对所要研究的工作面以及光导管参数进行设计，拟定为在一个4 m×4 m的矩形房间内，照明系统的漫射器为朗伯漫射器，漫射系数为 0.75，采光罩的透射系数为 0.92；管壁内反射率为 0.934[5]，通过改变管长与管径的取值即长径比取值来测定光导管的效率。国内的光导管规格长度没有明确规定，这里取600 mm，1 200 mm，2 000 mm，3 000 mm作为代表值，直径主要有330 mm，450 mm，530 mm，750 mm四种规格供选择[6]。其中330 mm以及450 mm主要应用于小型照明场所诸如走廊、洗手间、小储藏室等地，530 mm应用在办公室、走廊、学校等一般照明需求场所，750 mm主要应用在机场、仓库、大堂、生产厂房等地，在实际应用中也可以根据需要进行最合适的选择。由此可算出光导管的长径比，见表1。

通过将以上数据导入软件HOLIGILM中计算并得出不同长径比下不同天气模式下的光导管效率，结合工作面及其漫射器照度结果就可以对光导管的性能进行系统的分析，从而得出对应最佳效率下的光导管设计方案。

表1 光导管的长径比关系Table 1 The ratio of hollow light guide’s length to diameter

2 结果及分析

通过软件模拟计算，分别得出了在大连地区在CIE标准阴天、晴朗天气以及雾霾天气下，一天中9∶00,12∶00,18∶00三个典型时间下的光导管效率。

2.1 标准阴天

表2及图1为标准阴天模式下，三个典型时间下的光导管效率。由软件仿真计算结果可以看出，在标准阴天下的18∶00，光导管长度取600 mm，直径为750 mm即长径比为0.8时的效率最高，可达67.7%。从图1中可以看出，光导管效率随着长径比的变化成线性关系，即随着长径比的增大而减小。

表2 标准阴天不同条件下的光导管效率Table 2 The hollow light guide’s efficiency under different conditions of CIE overcast sky

图1 标准阴天不同长径比下的光导管效率Fig.1 The hollow light guide’s efficiency under different conditions of CIE overcast sky

2.2 晴朗天气

表3及图2为晴朗天气模式下，三个典型时间段下的光导管效率。在晴朗天气的中午12∶00，光导管长度取600 mm，直径为750 mm即长径比为0.8时的效率最高，效率可达67.7%。同一时间段下光导管效率随长径比变化呈线性关系，随着长径比的增加而降低。与其他两个天气模式不同，在晴天天气条件下，三个典型代表时间段下光导管效率差别较大，中午12点的效率相比较于9∶00和18∶00的效率明显要高，分析原因是晴朗天气中午日照充足，三个时间段下进入光导系统采光罩的光通量差别很大，所以导致效率差别明显。

表3 晴朗天气不同条件下的光导管效率Table 3 The hollow loght guide’s efficiency under different conditions of CIE clear sky

图2 晴朗天气不同长径比下的光导管效率Fig.2 The hollow light guide’s efficiency under different conditions of CIE clear sky

2.3 雾霾天气

表4及图3为雾霾天气模式下，三个典型时间段下的光导管效率。可以看出在雾霾天气下18∶00的光导管效率最高可达64.5%，光导管效率与长径比之间仍呈线性变化关系，即同一时间段下，效率随着长径比的增大而减小。

表4 雾霾天气不同条件下的光导管效率Table 4 The hollow hight guide’s efficiency under different conditions of haze

图3 雾霾天气不同长径比下的光导管效率Fig.3 The hollow light guide’s efficiency under different condifions of haze

通过分析可以看出在三种天气模式中，在确定了光导管直径的情况下，出现了光导管效率随着管长的增加而降低的情况。分析原因是随着管长的增加，进入光导系统的光通量在光导管的传递过程中出现反射吸收等损耗，导致最后照射至工作面的光通量减少，使导光系统效率降低。

3 结论

光导照明系统在白天可以取代传统的电力照明系统，可以运用在地下停车场，大型体育场所，仓库或者其他办公场所等地，它节能环保，安装简单，如果可以大力推行这一系统，势必会为当今的环保做出很大的贡献，雾霾天气也会有所减少。本文运用HOLIGILM仿真计算软件探究了大连地区在三种不同天气模式三个不同时间段下的光导管效率与长径比之间的关系，并得出以下结论。

1)光导管长径比为0.8时，在三种天气模式下，三个不同代表时间段的效率最高。同时光导管的效率与长径比成线性变化关系，即随着长径比的增大而减小，即在光导管长度一定的情况下，效率随着半径的增加而增加；

2)阴天模式以及雾霾天气下，在18∶00时光导管效率较高，而晴朗天气下12∶00时较高。分析原因是因为晴朗天气模式下，在 12∶00时，随着太阳的移动，进入光导系统采光罩的光线更充足，效率也就更高。同时晴朗天气下不同时间段光导管效率变化差异大，因为晴朗天气下不同时间照射入光导系统采光罩的光通量变化差异大；

3)在生产商确定了消费者的使用场所之后，即可以选择适合的光导管直径，在此时为了能使整个光导照明系统的效率达到最高，可以在保证使用场所合适的的前提下使长径比尽可能接近0.8，因为长径比为0.8时效率最高。同时在直径一定的情况下，光导管的效率会随着管长的增加降低。

[1] 黄旨弘．绿色节能产品——光导照明系统[J].建筑与环境,2014，8(3)：95-95.

[2] 王硕．北京晒2015治霾成绩单 空气达标天数超五成．http://news.sina.com.cn．

[3] 纪思美．自然光和LED混合照明系统在隧道照明设计中的应用[J]．照明工程学报,2013，24(3)：53-57.

[4] 徐登辉，刘志东．光导照明系统的基本原理及使用概况[J]．智能建筑与城市信息,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．光导照明系统配光曲线的测试[J]．大连工业大学学报,2014，33(1)：66-70．

《中国照明工程年鉴(2017)》编纂工作启动

2017年4月26日，中国照明学会在北京召开《中国照明工程年鉴(2017)》编纂工作启动会。《中国照明工程年鉴(2017)》编纂工作组部分成员出席会议，会议由中国照明学会专职副理事长高飞主持。中国照明学会窦林平秘书长出席并致辞。

中国照明学会原理事长王锦燧向大家介绍了《中国照明工程年鉴》的重要性及编纂工作的具体要求。专职副理事长高飞就《中国照明工程年鉴(2017)》的具体内容做了详细的介绍。与会人员就内容展开了讨论，积极建言，会议就《中国照明工程年鉴(2017)》编纂工作的任务分工、计划安排和实施方案达成共识。

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

大连工业大学创新创业计划训练项目(201610152368) 通信作者：曹冠英，E-mail:gycao@dlpu.edu.cn

TU113.6

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.013