导光管采光系统在甘肃天水站大空间照明中的应用

许云飞

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

引言

导光管采光技术是在能源紧缺及环境问题日益突出的背景下提出的，20世纪80年代初在欧美等国家和地区已开始应用，目前比较成熟。我国该领域发展较晚，自2008年北京奥运会场馆工程建设中大规模采用后，对导光管采光照明开始重视并逐渐推广应用[1-4]。目前导光管采光技术在铁路客站中的应用尚在探索阶段，在成都南站、上海虹桥站等地下空间的室内照明中得到了较少运用[5，6]，而在地上站房大空间照明中的应用研究屈指可数。

本文简要分析铁路客站大空间照明的现状及存在问题，介绍导光管采光系统的原理及组成；重点介绍了导光管采光技术在天水站站房改造工程中的应用，通过技术经济等多方面比较得出导光管采光照明比传统照明更加节能环保、绿色健康；希望为今后铁路客站大空间照明设计提供借鉴和参考。

1 传统照明及导光管采光系统

1.1 铁路客站大空间照明

铁路客站大空间照明主要是指在站房的进站厅、候车大厅、售票厅等公共场所设置的照明[7]，以下对其现状及存在问题进行简要的分析。

目前国内铁路客站大空间照明根据站房规模及建筑形式的不同，主要分为两种：①人工照明，全天由照明灯具提供电力照明；②人工照明与天窗采光相结合，白天由采光天窗提供自然光照明，夜晚由照明灯具提供电力照明。

1)人工照明。铁路客站大空间照明现阶段基本选用三基色荧光灯、金属卤化物灯或LED灯等高效光源，根据装修形式和空间高度的不同选择相应的光源及灯具。但即使选用高效光源和高效灯具，与自然光采光相比亦会产生能量消耗、污染物排放和引发电气火灾隐患。

2)天窗采光。随着铁路客站建设理念的不断改变，采光天窗等透光围护结构得到了广泛应用[8]。通过引入自然光，使得旅客候车环境更加舒适，也减少了白天人工照明的开启。但在实际使用中天窗采光也存在：局部聚光、眩光及均匀度差、有害辐射、隔热保温差引起空调能耗增加[9，10]、防水性差且易聚集灰尘等诸多问题。

1.2 导光管采光系统

导光管采光是一种无电照明系统，白天利用太阳光进行室内照明，可解决大进深建筑和地下建筑采光问题。

1)系统原理及组成。导光管采光系统基本原理是通过屋面设置的采光罩高效采集室外自然光，导入系统内部后重新调整，再经过导光管传输到室内的漫射器中，将自然光均匀高效的照射到室内场所。从黎明到黄昏，甚至阴天或雨天，导光管采光系统导入室内的光线仍很充足。该系统主要由三部分组成：室外采光区、导光传输区、室内漫射区。系统结构示意图如图1所示。

图1 导光管采光系统结构示意Fig.1 Structure indication of tubular daylighting system

2)系统优点。采光罩内可利用透镜技术，根据日光入射的角度不同而采集适量的阳光，保证全天日光通量的均匀和稳定，并使有效日光采集表面积得到显著提高；另导光管内利用非金属薄膜等抑制红外线的传导，并能有效地防止紫外线，同时不会将太阳热辐射传到室内，减少室内空调负荷的消耗；漫射器采用菲涅尔透镜技术将光线均匀地漫射到室内，使光线更加的均匀、柔和，避免眩光的产生；因采光罩表面平整光滑，经过雨水、风吹可将表面的灰尘冲刷干净，达到自洁效果，免去了人工定期清洁的费用。

综上，导光管采光系统与传统照明相比较，具有以下几种优点：①光效高：系统所传输的为自然光，其波长范围为392～780 nm，显色性Ra=100，室内光线柔和，照度分布均匀。②节能：无电力消耗，同时系统具有良好的隔热保温性能，减少室内空调能耗。③安全：不存在电气火灾隐患。④健康：无频闪，不会对人眼造成伤害，使少量的紫外线进入室内，可抑制微生物生长，清除室内霉气，改善周边环境。⑤环保：材料均属于绿色环保产品。⑥使用年限长：≥25年。

2 在天水站改造中的应用

天水站位于甘肃省天水市麦积区，是陇海铁路和天平铁路的重要车站。改造前站房建于1989年，建筑面积约为3833 m2，2016年9月启动改扩建工程，改造后建筑面积约为10916 m2，于2018年1月竣工完成。

2.1 改造策略

本次改造工程为了尽量保存车站历史风貌和延续文化经典，最大化地保留了老站主体，拆除部分严重老化、利用率较低的空间；在原有通高的第一候车室内部加建一层新候车室；在老站房南侧新建出高度整合的功能空间，其中包含扩建的售票厅、进站厅及出站厅等。

由于扩建区域及新增候车夹层的出现，使站房进深倍增，为充分利用自然光线，在新建区域的大空间中设置导光管采光系统。

2.2 系统设计

本工程导光管采光系统设计选用苏州中节能索乐图日光科技有限公司的型号为M74和330DS产品，分别用于新建的售票厅、进站广厅和商务茶座。

根据相关规范要求[11-13]，经过计算和照明模拟软件visual进行照度模拟，并与室内管线及结构碰撞调整后，在上述三处区域各相应布置12套导光管采光系统，布置示意图如图2所示。

图2 导光管采光系统布置示意图Fig.2 Illustration of lighting system arrangement of tubular daylighting system

2)屋面防水。本工程扩建区域的屋面为混凝土结构，导光管采光系统需在屋面预留混凝土墩座。以M74系列为例，预留墩座为方形，完成后墩座最大宽度为900 mm，内径为780 mm(±10 mm)。导光管采光系统屋面预留墩座节点图，如图3所示。

图3 导光管采光系统屋面预留墩座节点图Fig.3 Pillar node diagram reserved for roof of tubular daylighting system

2.3 经济投资分析

2.3.1 费用分析

与电力照明相比，节省的主要是电力消耗和系统维护费用。

1)电力消耗费用。导光管采光系统适用于白天，平均日工作时间为10 h左右。该布置区域内另设置有34套1×150 W金卤灯和48套2×26 W节能型荧光筒灯，用于10 h外的照明。

金卤灯及荧光灯镇流器的耗电量约占照明用电量的10%左右，计入镇流器功率，每天白天照明用电量为83.6 kW，电费按1.0元/kWh计，每年白天照明用电总费用为30514元，约为3.1万元。

2)系统维护费用。根据国家标准规定，传统电力照明灯泡3年需更换一次，其中包括定期清洁和维修的费用。本工程电力照明每年系统维护平均总费用约为1.4万元，导光管采光系统具有自洁功能，基本可免去此项费用[15]。

综上，电力照明每年额外产生的总费用约为4.5万元。

2.3.2 静态投资回收分析

本工程共采用36套导光管照明系统，投资总费用(包含安装费)约为54万元。

本系统较电力照明系统年节约总费用约为4.5万元，项目静态投资回收周期约为12年。

上述计算尚未考虑因电力照明发热所引起的空调能耗增加，若计入此项影响，回收周期较计算结果会进一步减小。

导光管采光系统使用年限约为25年，投资回收期会随着应用范围的增大而缩短，约在使用周期的1/3～1/2范围内，即可回收投资成本，经济效益较高。

2.4 节能减排分析

我国目前主要以火力发电为主。据统计，每生产1度电，就相应地消耗0.4 kg标准煤，同时产生的大气污染物约为0.272 kg碳粉尘、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫和0.015 kg氮氧化物，此类有害物质会对环境产生影响。

本工程采用导光管采光系统每年可节约电能约为30514 kWh，相应可节约标准煤约为12.2 t、净水约为122 t。可减少的污染物排放估计量如表1所示。

表1 污染物排放估计量

2.5 应用实例

天水站改扩建工程自交付使用后，导光管采光系统应用效果良好，满足运营及设计要求。改造后的天水站实景照片，如图4所示。

图4 导光管在改造后的天水站的应用Fig.4 Application of tubular lighting system in the Tianshui station after reconstruction

3 工程中需注意的问题

导光管采光系统适用于年日照时数长、光照充足地区，相反条件的地区则不宜采用，在工程运用中应合理选择。

采用该系统需在结构屋面板上预留相应尺寸的孔洞，安装时应做好防水处理，并与室外铺装景观相协调；还需与各专业密切配合，避免室内综合管线发生碰撞，以确保工程的顺利实施。

中小型铁路客站因其规模较小，建筑形式和布局较为简单，为在大空间照明中设置导光管采光系统提供有利条件。但大型和特大型铁路客站相对复杂多样，如何做到该系统与建筑形式、布局及采光天窗三者间的有机结合，是需要思考和进一步研究的问题。

4 结论

导光管采光照明在特定情况下可取代电力照明，节约能耗，减少二氧化碳等有害物质对大气的污染，构建一个绿色健康、节能环保的照明方式。

利用导光管采光系统，让人们在柔和、明亮的日光下出行，可改善心情，让思维更活跃；同时还能带来百分百的显色性，降低错误率，并让周围事物的颜色更加生动真实。

我国近年来制定并颁布了多项建筑节能鼓励政策，积极推动绿色建筑的发展。导光管采光属于可再生能源利用技术，可以因地制宜地运用到铁路客站的建设中，替代传统照明方式，实现绿色照明的目的。