导光管照明系统在建筑应用中的优点有哪些？其系统什么原理及构成

一、光导照明系统原理及构成

光导照明又叫管道式日光照明，系统通过采光罩高效采集自然光线导入系统内重新分配，再经过特殊制作的导光管传输和强化后，由系统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，得到由自然光带来的特殊照明效果。系统由采光区、传输区、输出区构成。

二、特点及优势

节能环保：降低了建筑物内部白天照明的能耗和部分空调制冷的能耗，由于利用的是自然太阳光，也减少了因火力发电而产生的大量二氧化碳和其它污染物的排放。

健康安全：把室外自然光源引入室内，避免了人们长期在电光源环境下生活和工作引起的心理和生理上的不适，同时因为不使用电能，避免了因用电线路老化而引起电气火灾的安全隐患（特别是对于油库、弹药库等放置易燃易爆物品的场所）。

自然光光照时间长，可以极大地科减少电能消耗，进而降低照明成本，尤其是对于我国东南沿海一带和西北地区自然光照资源十分丰富的地区，光导系统使用的时间可以达到平均每天12h以上，甚至在阴天也可以使用，其节能和经济效益是非常显著的。

现阶段普遍设计和应用的从建筑物屋顶引入室外自然光的方法，主要是通过在建筑物屋顶设置天窗进行采光，而新型光导照明技术较前者有如下技术优势：

①普通天窗采光的采光面积和其开孔面积比仅为1∶1，这就意味着如果想得到更多的室外光线就要增加开孔面积，开孔面积的增大又会加大建筑物的结构设计和施工安装的难度，导致能源的大量耗散，故效率较低，而光导系统采光区面积是开孔面积的2倍以上，采光面积大。

②天窗采光方式引入的光线会随着太阳位置的移动而频繁发生偏移，不能实现精确固定的照明，而光导系统的采光角可达180°，通过光导管和漫射器把采集到的光线准确投射到指定空间区域，光线均匀，无眩光，不会出现局部聚光现象。

③如果仅为采光而使用天窗，其土建及安装成本较高，天窗的透光率衰减较快，且定期需要清洁维护，而其所产生的节能效果与经济价值却无法估计。

④目前的光导照明系统装置具有较好的隔热和防水性能，而天窗采光的方式因其开洞面积的增大，隔热效果会明显降低且漏水隐患也会增多。

三、国内光导系统发展和技术现状

1986年光导管日光照明系统被发明，直到2000年左右这项技术被引入中国。我国光导系统技术虽然相比国外起步较晚，但发展速度较快，因其拥有巨大的经济和社会效益，在国内的推广和应用也开始逐渐普遍。

经过多年的发展完善，现有光导照明系统构成的部件装置，其技术性能和功能多样化都得到了很大提高。

3.1 采光罩

采光装置规格多样，外形美观，采用光学级PC或亚克力材质，罩外表面喷涂UV光固化硬质涂层，光滑耐磨，并具有良好的隔热、隔音性能，透光性强，采光效率高，通过采光罩表面的防紫外线涂层，滤除部分有害的光线辐射，遇火不延燃，且燃烧时不会释放有毒有害物质。

目前市场上有些产品增加了自清洁功能，并通过在采光罩内安装太阳传感器等部件，控制聚光组件始终对向太阳所在位置，极大地提高了太阳光线的收集和利用效率。

3.2 光导管

由特殊材质制作的光导管具有超强反射日光的作用，一般为铝制结构，其厚度仅约为0.4mm，重量轻，安装方便，多采用上下插接式连接，整体密封性好，可防止灰尘和飞虫进入，使光线传导的高效率性能保持长期稳定。

随着光导管材料制作工艺的不断提高，通过在管内壁镀高反射率薄膜（反射率达98%以上）的方式，可极大提高光导管的传输效率，而且通过加装导光弯管，也可使系统的光线传输距离增大，目前市场上常见的弯管主要有：30°、60°和90°弯管，并设有反光镜。弯管的应用使得小尺寸光导管的最大传输距离达到8m，大尺寸的光导管最大传输距离可达20m。

3.3 漫射装置漫射装置

通常由PC材料或PMMA材料制成，具有良好的透光性和漫射性，不易着火且离火自熄。面罩进行了防静电喷涂技术处理，表面防雾不吸尘，易清洁。

为了使光导管传输的光线均匀分散照射到室内，在漫射装置中采用了发散光线用的薄透镜，透镜越薄其透光性和光散性也会越好。漫射装置除有磨砂型、圆型和方型等多种样式，可搭配室内装修与布置风格外，也兼具了良好的隔热和隔音效果。

四、光导照明系统的应用及其效益

近年来，随着社会的快速发展，能源消耗的需求有了巨大的增长，然而面对越来越严峻的能源供应紧张问题，国家及地方政府把节能减排的要求提升到了新的高度。

除相继出台或更新国家及地方有关公共建筑节能设计的标准和技术导则文件外，也对公共建筑绿色节能等级的评定提出了更加细致的要求。如江苏省住房和城乡建设厅出台的DGJ32/J96-2010《公共建筑节能设计标准》地方标准中，对于电气照明节能方面，除了要求照明功率密度值采用目标值外，对灯具效率及照明控制方式也提出了更高的要求。

光诱导系统作为可再生能源利用的重要节能措施之一，也在该标准第7.0.1条和第7.0.4条中被提及，其中第7.0.4条具体明确：根据综合评估，甲类建筑屋面所能安装的太阳能光伏电池容量大约在变压器装机容量的2‰~5‰，由于屋面还有其它机械设备，故综合考虑取约定值2‰，其中太阳能光伏发电系统的设置应符合相关规范的要求。光诱导系统的容量折算可按每个采光孔150W功率计算。

目前，我国照明耗电量约占总发电量的10%，2016年我国总的发电量约为5.99×1012kWh，由此估算年照明耗电量达5.99×1011kWh。据相关统计，白天照明用电占照明总用电量的50%以上，如能大范围普及和使用光导照明系统，能使白天照明用电量下降50%以上，相当于每年节电约1.5×1011kWh［7］。

电价按照0.8元/kWh计算，每年至少可节省电费约为1200亿元。由此可见，光导照明系统等可再生能源利用新技术对社会节能效益和经济效益方面的贡献将是十分巨大的。 树上鸟教育电气设计培训 同时由于我国大部分的发电量还是依靠煤炭火力发电，每节约1kWh用电，就相当于节省了0.4kg标准煤炭和4L净水，同时也减少了因煤炭燃烧所排放的1kg二氧化碳和0.03kg二氧化硫。新技术的使用具有重大的绿色环保意义。

五、光导照明系统在建筑物中应用需要注意的问题

因为光导照明系统需要设置室外采光罩以收集室外光线，在建筑物设计阶段，设计蝙糟楝撬计人员就需对工程所建位置区域的采光条件作一定的分析，根据采光环境，确定系统装置在建筑物设置的区域，比如建筑物屋顶、外立面或建筑主体以外的地下室区域等。

在结合光效和美观的因素下，选定的区域需要考虑光导照明系统开洞的位置和间距，土建设计人员要为系统的后期安装做好相应的预留、预埋设计工作，并对施工安装人员提出如密封、防水等技术措施要求。为保证系统的高光效和良好实际效果，这一环节是不可或缺的。

由于光导照明系统的安装要综合考虑建筑物外立面的美观、保温、密封防水等问题，加之目前国内使用光导照明系统的成本较高，大多数投资方使用此系统仅是从满足国家或地方相关规范最低限值考虑，并且大多只采用在建筑屋面设置采光孔的形式（主要是因为目前市场上的光导管尺寸较大，在建筑内跨楼层敷设或在建筑物立面开洞对建筑的使用面积和外立面美观影响较大），使得导光照明系统往往只能为单层建筑或建筑物屋面下的楼层局部区域服务。

图（1）光导照明与人工照明相结合的照明方式在体育馆中的应用

对于内部空间高大的建筑物，特别是体育场馆建筑为了营造绿色健康的运动氛围，让使用者拥有回归自然的精神感受，自然光线的引入显得尤为重要。

但其屋顶通常是采用带有弧度的球面桁架结构，屋面采用金属板拼接形式，光导照明系统采光孔的设置相对一般建筑物在设计上复杂程度较大，需要根据屋架和屋面金属板的具体构造来均匀合理地布置点位。

在满足施工安装的条件下，使光导装置导入室内的光照更加均匀和舒适。需要指出的是由于光导照明系统的设计照度一般为75～150lx，而天然光具有动态的不确定性，对于正式的体育比赛而言（特别是有电视转播要求的比赛），其对比赛空间水平照度、垂直照度、照明的均匀度、眩光指数和显色指数等指标的高要求，光导照明显然是无法满足的。

此时为了保证比赛的正常举行，需要通过安装在屋面上的日光电动调节阀关闭光导照明系统，采用人工照明系统。

对于照明要求不高的日常体育教学工作或者学生课外体育活动照明，可采用在光导照明的基础上增加人工照明的方法来补充照度的不足，这种情况需要体育馆人工照明系统根据光导照明照度值范围作出几种常用的灯具补光控制模式，以人工照明结合光导照明的形式满足需求。

而对于赛会准备期间或赛前清扫等日常管理情况可仅使用光导照明来满足视觉需求。光导照明与人工照明相结合的照明方式在体育馆中的应用如图1所示，光导照明系统在游泳馆中的实际应用如图2所示。

图（2）光导照明系统在游泳馆中的实际应用

六、光导照明系统的采光面积与节能效益估算

根据GB50033-2013《建筑采光设计标准》，导光管系统采光设计可按下列公式进行天然光照度计算：

Eav——— 平均水平照度，

lx；n——— 拟采用的导光管采光系统数量

φu——— 导光管采光系统漫射器的设计输出光通量，

lm；CU——— 导光管采光系统的利用系数，

可按GB 50033 - 2013 《建筑采光设计标准》表6. 0. 2 取值；

MF——— 维护系数；

l——— 房间的长度或侧窗采光时的开间宽度；

b——— 房间进深或跨度；

Es——— 室外天然光设计照度值，

lx；At——— 导光管的有效采光面积， m2；

η——— 导光管采光系统的效率。

以建筑物的内走廊采光为参考，估算单个导光管（即n=1）的采光效益；

根据GB50034-2013《建筑照明设计标准》的要求，一般走廊的照度要求为50lx（即Eav=50lx）；

根据GB50033-2013《建筑采光设计标准》中提供的数据，CU值暂取1.04；

Es值以成都地区作为参考，取12000lx；

导光管的有效采光面积（At）以目前市场上最常见的直径为530mm的圆形导光管计算，At=0.22m2；导光管采光系统的效率，结合多个厂家样本综合考虑，η=0.8×0.98×0.86≈0.674；

对于新建建筑，维护系数（MF）非常接近于1，本文考虑到日常情况，MF暂取0.85。

根据以上取值及公式（2）计算可得φu=1779.36lm，再结合公式（1）计算可得l·b≈31.46m2，l·b即为导光管系统实际服务的走廊面积。

根据GB50034-2013《建筑照明设计标准》中一般走廊的照明功率密度限值为≤2.0W/m2（目标值）来计算，单个导光管服务的走廊面积所需要的照明功率为31.46m2×2.0W/m2≈63W，公共走廊是人员流动的主要通道，其照明比内部房间的使用时间长，平均每个工作日可达12h，瑌按一年250个工作日计算，单个导光管每年节省的照明耗电量约为190kWh，电价按照0.8元/kWh计算，每年至少可节省电费152元。

我国绝大部分区域都属于Ⅴ类以上光气候区（即Es值>12000lx），按以上估算，如果能在室外自然光照资源丰富的地区大范围普及应用光导照明系统，将会带来巨大的节能效益和经济效益。

在节省火力发电所消耗煤炭资源和水资源的同时，因煤炭燃烧发电所排放的二氧化碳和二氧化硫等污染环境的气体也将得到有效的控制和减少，从而体现了光导照明系统可观的环保价值。

通过对光导照明系统应用的简单计算分析可见该技术普遍应用带来的巨大经济效益和节能环保价值。

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