光导管照明技术在住宅小区地下空间照明设计中的应用

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摘要：本文简要阐述了光导管照明技术的发展及现状，阐述了光导管照明系统的基本结构和类型，并结合工程实例分析了光导管照明系统的优越性和目前存在的问题。关键词：光导管；地下室照明；相对投资回收期

中图分类号：S611文献标识码： AAbstract: this paper first focus on the development course and the present situation of the optical tube lighting technology , this paper expounds the optical tube lighting system the basic structure and types, and combining with actual engineering example, analyzed the optical tube lighting system superiority and the existing problems.Keywords:Lighting optical tube;Lighting of basement; Relative payback period

绿色建筑是在建筑的全寿命期内，最大限度地节约资源、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。绿色建筑将是建筑可持续发展的大趋势。这其中因地制宜地推广自然采光降低采光照明能耗是绿色建筑相关技术研发推广的一个重要方向。

因此从节约能源、保护环境的角度提出了绿色建筑绿色照明的概念。在能源日益紧张的今天，充分利用自然光照明，必然是未来太阳能在建筑中综合利用的一种好方式。

自然采光就是把户外的自然光进入室内进行照明的过程。太阳光是取之不尽,用之不竭的天然能源,但是通过门窗等进入室内的仅仅是很小一部分，而对于地下空间来说，由于深埋于地下（居住小区地下室一般埋深在1.5m以上），即使是这样的采光方法也很难被利用。因此，为了把自然光传输到建筑内部，特别是一些地下空间，光导管技术越来越受到人们的重视。据对特定项目的测算，用光导管技术代替人工照明,能够节约20%～30%的建筑用电,对建筑节能具有重要的意义。

1、光导管照明系统的基本结构与类型光导管系统通过采光装置聚集室外的自然光线并导入系统内部，再经过特殊制作的导光装置强化与高效传输后，由系统底部的漫射装置把自然光线均匀导入到室内任何需要光线的地方，通常将其分成采光罩、导光管、漫射器三大部分。采光罩通常是一个透明的玻璃罩，放置于室外楼顶、地坪或室外墙体的侧面。用于导光的导光管管壁是反射率一般在95%以上的反射材料，导光管可以旋转弯曲来改变导光角度和长度。漫射器安装在系统底部，是将通过导光管传输的光线散射到室内使光线均匀照明的装置，同时具有避免眩光的作用。

按照采光方式，光导管可分为主动式和被动式。主动式光导管通过一个聚光器采集太阳光，再将太阳光传输到室内，因为聚光器上装置了传感器和反馈装置，可以使聚光器的采光方向总是向着太阳。这种光导管采集太阳光的效果非常好，但是由于聚光器的较高工艺要求造成了其成本过高，因此主动式光导管很少见。此外，光导管按传输光的方式还可以分为有缝光导管和棱光镜光导管。有缝光导管是在管壁上留一条很长的出光缝，以使光线能够照射到工作面上，这种光导管光在传输过程中容易造成泄露，因此效率不高，实际中很少用到。

2、光导管照明技术的发展与应用

利用光导管技术改善室内照明的研究和实践，国外起步较早。早在1977年，美国的D.Micheal发表了题为“有太阳跟踪器的阳光照明”一文，一些学者认为这篇文章标志着地下与无窗建筑天然采光方法的形成。美国、前苏联、日本、英国等国的学者在天然导光技术方面做了大量的研究工作。目前光导管系统在世界很多地方已实现商品化和设计标准化，在许多项目中得到了应用。国际照明委员会CIETC3－38、加拿大国家研究会、英国利物浦大学等都对这种光导管系统进行了深入的研究，并提出了较为完整的设计和计算方法，与天然采光中的采光系数相对应，在光导管照明系统管理论中提出了昼光穿透系数DPF (Daylight Penetration Factor)以表征导光管系统的采光效果。

在国内，最早由中国建筑科学研究院肖辉乾教授等人在90年代对光导管系统利用自然光进行了研究，利用主动式集光器（定日镜技术）收集阳光，通过导光筒、漫射器将光线引入至无窗空间，并且在一些项目上进行了应用。近年来，通过光导管利用自然光的技术已趋成熟，但其实际应用还处于发展阶段。目前我国的光导管系统主要在大型体育场馆、厂房或公建中试用，而在普通的民用建筑，特别是商品房居住小区中应用较少。

国内外对光导管照明技术在地下空间的应用也进行了一些尝试。这些光导管照明系统基本上都是垂直安装。垂直方向的光导管可穿过结构复杂的地面，把天然光引入地下。国外如德国柏林波茨坦广场上使用的光导管照明系统，管体采用传输效率极高的光导材料制作，可将天然光高效地传输到地下空间，同时该装置也成为广场景观的一部分。类似的，国内北京奥林匹克森林公园的地下室也尝试使用了光导管照明系统。尽管光导管照明系统具有诸多的优点，但由于这项技术在国内还不大为人所熟知与接受，很多人简单地认为初始投资较大不划算且影响其它的建筑功能布局，这项技术很少被用于居住小区地下空间的照明。而恰恰是居住小区的地下空间，即使在白天利用率极低的情况下也仍然跟其它地下空间一样需要持续地人工采光，能源浪费较大。因此，通过光导管技术来降低住宅小区地下空间的采光能耗具有现实意义。

3、工程案例分析 下面结合工程实例，探讨光导管照明技术在住宅小区地下空间应用的可行性。试验项目是杭州市余杭区一住宅小区的单层地下停车库，地下室顶板上覆土厚度平均为1.5米，笔者选取了其中的5000的纯地下室空间作为优化试验区。根据《建筑采光设计标准》可知，杭州地区属于光气候分区第IV区，该地区全年平均照度22klx≤eq24klx。以全年平均照度23klx进行照度计算，得出标准照度值。当室外临界照度大于23klx时，其室内照度就越大，照明范围就越大，室内也就越亮。当然，达到以上室内照度是按晴天的状态下而得出，阴雨天等特殊天气除外。3.1 照明布置建议按照度要求分布，使用46套某品牌330DS型光导照明系统。如下图1为设计的平面布置图：

图1：地下车库光导管照明系统平面布置图

3.2投资回收经济分析3.2.1原电力照明系统运行维护费

a、直接节电耗电分析（1）根据CECS45:92《地下建筑照明设计标准》，地下车库车位和车道地面照度统一取值75lx。当车库内照度为75lx时，单位面积用电量为7.5w/（荧光灯）。

（2）光导照明系统平均每天采光照明10小时左右。

（3）由图纸可知，车库光导照明系统照明面积约为5000。

（4）综合（1）、（2）、（3），一天日间照明用电费用为（电费以商业用电0.6元/kwh计算）：

5000×0.0075kw/×10h=375kwh即一天日间的总用电费量为375kwh。

b、间接节约的镇流器耗电荧光灯镇流器耗电量约占照明用电的20%～30%，以20%计算，其镇流器年耗电费用为：375kwh×20%=75kwh。c、一天日间照明总耗电量约为：375kwh+75kwh =450kwh。d、一年日间照明总用电约为：450kwh×365=164250kwh×0.6元/kwh=98550元（约9.9万元）。e、节省耗材分析根据照明灯具常规寿命，照明灯具平均3年需要更换一次，该项目还需支付定期维修与更新灯具的费用。电力照明设备维护费及灯具更换费1.5万元/年。而光导管系统从安装使用开始便属于一次性投资，不需要更换仅需常规清洁保养，使用寿命很长，正常情况下大于30年，利用效率比较高，可以有效地弥补人工照明的不足。f、综上所述，电力照明系统一年的运行费用约为：9.9万元+1.5万元=11.4万元。

3.2.2相对投资回收期计算根据以上计算，合计年度总节省费用约为：11.4万元；

该项目光导照明系统总投入费用约为：36.8万元；项目相对投资回收期：36.8万元÷11.4万元=3.2年， 即相对投资回收期约为3年。

3.2.3 寿命期节约成本计算

光导管照明系统按30年使用寿命考虑，设备常规清洁保养费用按每年1万元计算，即30万元。

节约的灯具维护和电力费用约为：11.4万元/年×30年=342万元； 光导照明系统投入约为：36.8万元+30万元＝66.8万元 节能成本：342万元-66.8万元=275.2万元。

以上数据分析可见，应用光导照明系统主要是首期投资。即使在不考虑电力照明后期各项费用上涨的静态状况下，仅以上5000地下车库区域为例，采用光导照明系统每年就能为小区业主节省约10万元左右的开支。可见它的应用范围越大，长期经济效益就越明显。

4、光导管推广应用的优劣分析光导管照明技术直接利用太阳光，相比于人工光源射，自然光的光谱范围广，光线均匀柔和，可以起到杀菌和防治多种皮肤病的功效，因此更多的人还是偏爱享受自然光。而且经过光导管系统处理的太阳光没有频谱和眩光，在采光罩上加设防辐射涂层还能有效地滤除有害辐射，这些都是人工照明办不到的。可见，光导管照明在光线舒适性上具有很大的优势。

从以上案例分析可以看出，光导管照明系统能给使用者带来实实在在的经济效益。推而广之，如果光导管照明系统能够大范围被使用，将会带来更大的经济效益。同时由于它能节省大量的电力，间接减轻了环境污染。据统计，我国采光照明用电约占到总发电量的10%～12%。为了满足不断增长的用电需求,就需要国家加大电力设施的投入,这不但增加了用电成本还会增加环境污染的压力,因为国内仍以火力发电为主,使用燃煤不仅加快了非可再生能源的消耗,在燃烧过程中产生的大量有害气体也会对环境产生较大影响。因此，光导管照明技术的推广应用还具有巨大的环境意义。

但现有光导管照明技术作为一种新型的自然采光照明方式，仍存在一些缺陷与问题，影响了其大范围的推广应用。比如：

（1）光导管照明技术使用太阳光作为光源，因此其采集的光能量直接受气候与地理位置的影响。在不同的光气候分区，光资源是存在较大差异的，在常年光照比较少的地区，光导管照明技术的优势不明显。

（2）光导管采光对建筑外部光环境的要求较高。随着建筑用地的日渐紧张，普通工业与民用建筑项目的建筑密度和容积率指标都在逐渐提高，因此采用光导管照明的建筑常常受周边建筑、景观和构筑物的遮挡，特别是对于住宅项目的地下室很难做到白天全时段采光。因此，需要根据每个建筑的光环境设计光导管系统。

（3）光导管与建筑存在适用性问题。在实际应用中发现，后期增加的光导管往往会因为与建筑的布局和结构存在冲突而影响其设计与使用效果。另一方面，另一方面，如果由于单体建筑体量大、采光面受限等因素导致光导管的采光罩与漫射器之间的导光管管路过长，则光通量的衰减也会很大，这也限制了光导管的推广应用。

5、结束语综上所述，在居住小区地下空间采用光导管照明技术，能够使小区业主享受到自然光带来的舒适照明效果,同时减少了日间照明及其维护更新带来的成本支出。光导管照明技术如果能够大范围推广应用，将带来可观的经济效益和环境效益。尽管目前仍存在一些问题限制了光导管照明技术的推广应用，但未来光导管照明技术是我们实现建筑节能减排，环保健康，促进可持续发展的一项非常值得关注并值得发展的新兴应用技术，这需要业内人士在综合应用上做更多的研究。

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