导光管照明技术在农村地下车库中的应用及经济效益研究

张 诺，王银成，徐铖峰，魏锦涛，郝博轶，王 浩

青岛工学院 机电工程学院，山东 青岛 266109

0 引言

车库照明系统主要有两种类型，一种是传统的电力电路照明，另一种是太阳光照明系统，也称导光管采光系统。前者通过传统的电力进行照明，不仅维护成本高昂，而且随着线路的老化也会存在一定的安全隐患。后者通过利用太阳光来降低传统电力的高额采光成本。导光管采光是利用光的反射与漫反射原理，将自然光导入室内，应用范围非常广[1]。采光罩通过采集室外自然光线并导入系统内重新分配，再经过特殊制作的导光管传输后由底部的漫射装置把自然光均匀高效地照射到任何需要光线的地方。从早上到晚上，甚至阴天，导光管日光照明系统导入室内的光线仍然很充足。导光管照明系统的工作原理打破了照明完全依靠电力的传统观念，是一种绿色、健康、环保的照明系统。地下车库可充分利用此种采光系统。部分地下车库不能留半窗，尤其是农村对于房屋整体设计观念不同，这样的地下车库就需要导光管来收集太阳光，然后照射到地下车库。

1 农村地下车库存在的问题

地下停车场在空间上具有一定的特殊性，例如层高较低、面积较大、设备管道相对密集、几乎没有自然采光等，其中采光性较差是农村地下车库的重要问题。村民为了保持车库良好的密闭性，所设置的窗户都比较小，有的甚至不设置窗户，只在门上有亮窗，进深加上开窗面积过小，极大地影响了车库的采光，导致车库亮度极低，白天也需要开灯，造成了电力资源的浪费[2]。目前，普遍都是通过增加开窗面积或是开挖采光井的方式增加车库的采光量；或是在车辆的停放上进行规划设计，如将停车位设计在更不容易遮挡室内光线的地方；也可以车库墙壁选用浅色涂料涂刷，增加自然光在室内的反射量[3]。

这些方法解决了车库采光的问题，但是增加开窗面积会降低车库的气密性，影响车库的保暖性，会给车库的冬季保暖带来问题。文章针对这些问题，在不影响车库保暖性的基础上，采用导光管的方法进行车库照明，既解决车库采光问题，又最大限度地保持了车库的保暖性。

2 导光管照明系统简介

2.1 导光管的结构及优势

导光管采光系统是通过采集天然光，并经管道传输到室内，进行天然光照明的采光系统。通常由集光器、导光管和漫射器组成，集光器又可分为半球形集光器和平板线集光器，二者的结构如图1 所示。

图1 导光管集光器结构示意图

导光管日光照明系统又可以称为光导照明、管道式日光照明，其作为一种无电照明系统主要是利用高反射材料制成光导管，将户外采光部件获得的阳光传导到车库实现照明，导光管结构简单，具有质量轻、耐腐蚀、反射率高的特点，材料又可回收利用，安装拆卸简便，无须后期维护，降低了人工维护和设备更新成本。使用寿命长，一般在20 年以上。可全天候照明，且安全可靠，维护费用低[4]。

2.2 导光管照明系统的概念及构成

导光管照明也被称作光导照明、日光照明、自然光照明等，分为主动式照明和被动式照明。文章主要采用被动式照明方式。作为日光偏转系统，导光管照明系统主要有以下几个部分：采光装置、传输装置及漫射装置。

3 导光管采光系统技术指标

导光管采光系统技术指标如表1 所示。导光管采光系统的气密性、水密性和抗风压性能应满足表1 中的规定[5]。其余指标要求如下：

表1 导光管采光系统技术指标

（1）导光管采光系统的防尘等级不应低于IPX5；

（2）导光管采光系统的透光折减系数不应低于0.5；

（3）导光管采光系统的颜色透射指数不应低于90；

（4）导光管采光系统的传热系数不应高于2.2 W/（m·K）；

（5）导光管采光系统抗结露性能不应低于现行国家标准《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》（GB/T 8484—2008）中抗结露因子5 级的水平；

（6）导光管采光系统的太阳得热系数不应高于0.35；

（7）有调光要求的导光管采光系统可采用手动或自动控制方式对光输出进行连续调节。

4 导光管施工工艺

自然采光系统通过导光管来满足采光需求，从而节省了能源。被动式建筑对气密性和保温性能要求高。导光管为满足被动式建筑要求，需要在导光管l m 范围内增加保温层。保温层与导光管接触面应增加预压密封带来满足建筑物对气密性的要求。由于导光管分区位于屋面处，其自带的SBS 防水卷材应和车库附加的SBS 防水卷材相互结合，从而达到防水的效果。

导光管安装前，可在结构上预留孔洞，增设混凝土反坎。在安装过程中，系统构件与结构的缝隙采用不燃材料封堵，以此增强导光系统的隔热、防火性能。周边的防水措施采用密封嵌固方法，防止渗水、漏水情况的发生。

该工艺有效地降低了照明用电，节约了能源，为农村地下车库节能改造的实现提供了有利的条件。

5 导光管照明系统经济效益分析

根据《建筑采光设计标准值》（GB 50033—2013）规定[6]，山东省青岛市属于光气候分区第Ⅲ区，其地区全年平均照度35 lx ≤Eq≤40 lx。住宅建筑的卧室、起居室、厨房应有直接采光，室内天然光照度不低于300 lx。当室外临界照度大于23 lx 时，室内照度大，照明范围广，室内光线亮。

为了在建筑采光设计中，贯彻国家的法律法规和技术经济政策，充分利用天然光，创造良好光环境，节约能源，保护环境，构建绿色建筑[7]。在建筑设计阶段评价采光节能效果时，宜进行采光节能计算。可节省的照明用电量按下列公式进行计算：

式中：Ue为单位面积上可节省的年照明用电量，kW·h/m2·年；A为照明的总面积，m2；We为可节省的年照明用电量，kW·h/年；Pn为房间或区域的照明安装总功率，W；tD为全部利用天然采光的时数，h；tD'为部分利用天然采光的时数，h；FD为全部利用天然采光时的采光依附系数，取1；FD'为部分利用天然采光时的采光依附系数，在临界照度与设计照度之间的时段取0.5[8]。

对于大小为5 000 mm×7 000 mm×3 500 mm 的地下车库，根据《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）规定，室内照度值需≥300 lx，需要6 盏22 W 的灯具来提供照明。当室外天然光入射时，人工照明作为补充手段，可以将灯具的控制线路分开，分设开关，白天打开内侧灯具补充照度，夜晚开启所有灯具。分区利用，降低能耗。

对模型车库耗电量进行耗能计算，假设照明时间全部开启，2020 年耗电量为531.43 kW·h。为进一步研究导光管的节能效果，参考该地区气象局提供的日照时间数据，如图2 所示。青岛市2016—2020 年年平均日照时间呈现先上升后下降趋势，这与当地总云量、水汽压等气象要素有关，整体平均值为2 078.66 h。2016—2020 年月平均日照时间在2017 年8 月出现最大值，为290.2 h；2020 年1 月出现最小值，为74.8 h；2020 年月平均日照时间如图3 所示，年总日照时间为1 898.6 h。最后把实测数据代入公式（1）和（2），得出2020 年可节省的年照明用电量为391.02 kW·h，单位面积上可节省的年照明用电量为11.17 kW·h/m2，节电效率约73.58%。

图2 2016—2020 年月平均日照时间

图3 2020 年月平均日照时间

6 结束语

在能耗减排方面，农村地下车库导光管照明系统最大的优势就是节能，完全采用自然采光的导光管照明系统可以节省20%～30%的车库能耗。导光管照明系统取代了电照明系统，可以避免照明设备产生的热量，节省夏天空调10%～15%的制冷能耗，并且导光管的照明系统发出的光也能提供热量，节约冬季空调的发热能耗，有效降低二氧化碳的排放。