利用阳光照明新技术

利用阳光照明新技术-光导照明南京筑科建筑科技有限公司 兰栋 2009 年 4 月 25 日提要：谁会想到变革就在原有事物上悄然进行，原来的自然采光与电力照明我们总是想尽办法来弥补它们的缺陷，比如聚光刺眼、不能保温、白天还要电力照明、空调费用过高、二次光污染，还有环境和发 展等等问题，有了诸多问题推动了变革，产生了光导照明 -一种无能耗采集阳光的绿色照明。多少年以来，人们不断地致力于太阳能的开发和利用，创造出先进的新产品，减少污染，方便实用，造价低廉，改善环境，在日常的工作生活中更多的享受阳光带来的好处，与自然交流，沐浴阳光，让人们充分的感觉温暖、亲切、光明、安全。能源和环境是当前全球共同关注的焦点，看看我们的周围，主要的大气污染、水质污染、噪声污染、食品污染、不适当开发利用自然资源这五大类威胁着生态平衡，危害着人体健康，制约着经济和社会的持续发展，它让人类陷入了困境。我国的电能主要由燃烧化石燃料生产，尤其在东部，用电量大，更是煤电为主，在获得电能的同时向大气排放了大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害气体，这些气体是造成全球各种环境问题的重要原因。照明用电随着社会的发展已占总发电量的 1020%。近两年，我国照明用电量占全国总用电量的 15%，2001 年照明耗电达 1433.251719.9 亿度，2009 年我国照明用电量高达 4100 亿千瓦时，接近三峡水利发电年发电能力（840 亿)的五倍。照明用电的迅速增加，不但要增加大量的电力投资，牵制国民经济的发展，而且还要产生大量污染。在全社会能源消耗中，建筑能源消耗占 1/4，公共建筑的全年能耗中，大约 60消耗于空调制冷与采暖系统，40%用于照明系统。根据上海市公共建筑的调研和统计表明，高级商场、办公楼和宾馆，每 m2 面积的电力装机密度均在 50 瓦以上。国外的许多研究表明，电光源照明可产生严重的光污染，电光源发出的多为单色光，且出现频闪，光照度不均匀的现象，长期在这种光环境下工作和学习极易造成眼疲劳，影响人们的工作和学习效率，影响人们的身心健康。我们既在破坏环境，同时又在侵害自己。我们如何来改变现状，如何既保护环境而又提高生活品质，如何以经济便利的方式来照亮人们生活的每一个空间？每节约 1 度电，就相当于节省了 0.4千克煤的能耗和 4 升净水，同时还减少了 1 千克二氧化碳和 0.03 千克二氧化硫的排放。阳光是大自然赐予人类的宝贵财富，可以说是取之不尽、用之不竭，利用阳光照明的意义已不仅在于节省大量照明用电，减少自然资源的消耗及有害气体的排放，还能为室内的视觉作业提供舒适、健康的光环境，阳光是良好的室内环境质量不可缺少的重要组成部分。1991 年 1 月美国环保局(EPA)首先提出实施“绿色照明(Green Lights)”和推进“绿色照明工程(Green Lights Program)”的概念。1993 年 11 月我国国家经贸委开始启动中国绿色照明工程，1995 年 11 月 16 日召集八家单位研讨“中国绿色照明实施规划”，其中的一条就是倡导自然采光。因此，自然采光是绿色照明的重要方面。最近几年，国家出台了一系列的政策和法规鼓励建筑节能，1998 年中华人民共和国节约能源法；2000 年民用建筑节能管理规定；2001 年建筑采光设计标准；2003 年“关于实施节约能源城市绿色照明示范工程的通知”；关于加强城市照明管理促进节约用电工作的意见；2005 年公共建筑节能设计标准中华人民共和国可再生能源法，2008 年 6 月，国务院印发国家发改革委等部门制定的节能减排综合性工作方案，提出政府将强化新建建筑执行能耗限额标准全过程监督管理，实施建筑能效专项测评，对达不到标准的建筑，不得办理开工和竣工验收备案手续，不准销售使用。现在我们有了光导照明技术和光导照明系统，是具有卓越性能的采集阳光照明系统，相比其他能源具有清洁、安全的特点，属于纯正的绿色照明光源，得到了媒体的广泛赞誉，也赢得了全国各地使用者的忠诚拥护。它体现了人类对阳光的充分驾驭。它随着光学技术的不断发展，新技术不断得到应用，使产品的性能得到极大的提升，采集传输更多的阳光，使室内空间得到更好的阳光照明效果。您也将重新认识身边的世界一个充满自然阳光照明机遇的全新世界。一、光导照明系统：1光导照明工作原理 光导照明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，如下图所示。2光导照明系统的组成光导照明系统主要有三部分组成：采光罩、光导管和漫射器。3光导照明系统的安装方式4光导照明系统说明导照明系统的光线传输原理是光线的反射与漫射，其光线的反射（传输）介质是系统内部的光导管（高反射材料） ，所以对光导管的反射率要求很高，光导管的反射率不宜低于 95%。否则利用光导管导光价值不大。说明：由上图可以看出，系统的效率与反射材料反射率的 n 次方成正比。光导照明系统的发光效率还与光导管的直径大小和管道的长短有关，从下图中可知，光导管直径越大，管道长度越短，系统发光效率越高。说明：上图所示，导光管长度为 3 米，采光罩透光率为 88%，室内漫射器透光率为 86%，光导管反射率为 95%。说明：上图所示，导光管直径为 0.53 米，采光罩透光率为 88%，室内漫射器透光率为 86%，光导管反射率为 95%。此外，光导管的放置方式和弯转次数也对系统的发光效率有影响，上述光导管为竖直放置。光线在水平光导管内反射次数增加，光损加大，系统发光效率降低，所以水平管道传输不宜超过 3.0m。另根据实验，系统每增加一个弯头，其光效降低 10-15%，所以光导管弯头不宜超过 2 个。光导照明系统即阳光采光系统，该系统只能应用于日间照明，它不存在与能量的储存与转化，所以在使用光导照明系统的同时必须采用电力照明措施，电力照明的设计和安装应遵循国家及行业相关标准和规范。光导照明系统的照度值随室外照度（天气）情况变化而变化，所以该系统只能用于一般照明，不能用于对于照度要求恒定的及应急照明。说明：上图为型号 EV-gc450a 的光导照明系统在 8 月某天和 11 月某天全天的照度变化情况，以及与电力照明照度的对比。二、光导照明系统的特点：1节能光导照明系统，通过屋顶的采集装置捕获阳光，然后通过反射管道向下改道，透过光线漫射器，将自然光分布到建筑内部的区域。该系统基本不涉及能耗，极尽建筑节能之概念，无电照明，可完全取代白天的电力照明,平均每天至少可提供 10 小时（夏季 06：00：18：00，冬季 08：0016：00）的自然采光照明，无需电能消耗。光导照明系统在白天采集光源照亮室内，晚上则可以将室内的灯光通过屋顶的采光罩传出，起到美化夜景的效果，也节约了夜晚城市亮化用电。2环保光导照明系统直接节约了电能，有效地减少了温室气体的排放，节约用水，减少了煤、天然气、石油等不可再生资源的开采，做到了不环境保护。环保不但指系统采用阳光照明环保，还有全套系统的所有零部件全部采用可回收的材料制成，这样做到全过程的环保。3健康光源取自阳光，光线柔和、均匀、显色性好，特点是全频谱、无闪烁、无眩光、无污染，并通过采光罩表面的防紫外线涂层，滤除有害辐射，能最大限度地保护人的身心健康，促进精力和活力，使人振奋，获得意想不到的效果。并且可以清除室内霉气，抑制微生物生长，改善居住环境等。与采光天窗相比，采光天窗受光线入射角的影响很大，随着光线入射角的变化，照射面积大小及位置相应得改变，且易产生局部聚光现象，在光线下需要遮阳；通过侧窗采光照度分布不均匀,靠近侧窗的照度太大,刺激眼球,对建筑能效损耗也较大。人们需要太阳，有生理和心理两方面原因。从生理上来看，太阳光谱中的紫外线可以杀菌和净化空气，提高生存环境的质量；红外线可以散发热量，给人以温暖、使人精神愉悦；远红外线可以促进血液循环、加快新陈代谢，对人体有一定的治疗作用；多晒太阳有利于人体对钙的吸收，促进骨骼发育成长；另外人们对太阳光的成分、特性及作用还在不断探索之中，也许还有其它一些未知的有益于人类健康的因素存在。从心理角度分析，阳光能给人带来美好的感受，提高人们的生活积极性，沐浴在阳光中，会使人感觉温暖、亲切、光明、安全，与自然得到充分交流。阳光的投射方向、色温和强度在一天中不断地变化着，由阳光而产生的光影使室内空间活跃、形体表达清晰，这种动态效果暗合人体的生物节奏，使我们动静相宜、生活有规律。许多研究表明，电光源照明可产生严重的光污染，电光源发出的多为单色光，且易出现频闪，光照度不均匀的现象，长期在这种光环境下工作和学习极易造成眼疲劳，影响人们的工作和学习效率，影响人们的身心健康。健康科学研究证明，自然光线照明具有更好的视觉效果和心理作用，不会产生光污染，多项权威研究显示，每天接受自然光线能够改善身心健康， 4安全采光系统无需配带电器设备和传导线路，避免了因线路老化引起的火灾隐患，且整个系统设计先进、工艺考究，具有防水、防火、防盗、防尘、隔热、隔音、自洁以及防紫外线等性能，其安全性好于其它照明设备。可以在断电时极大地减少业务中断的风险，并在可能因电力供应中断引起的突发事件发生时极大地保护公众健康和安全。在用电高峰紧急状态下，消减电力负荷。光导照明在其发明之初就是用于易燃易爆的危险品的生产、加工、仓储等环节上用的照明系统。现在很多国外的石油化工、军工等行业广泛使用。5保温长期以来，人们一直对天然光存在一种误解，认为天然光进入室内的同时带来的热量要多于人工光源的发热量。事实上，如果提供相同的照度，天然光带来的热量比绝大多数人工光源的发热量都少。同时，光导管中是个密封的空腔，充满空气，光导管长度至少在一米以上，因此光导照明的保温隔热性能很好，室内漫射器表面温度几乎与室内温度相同。也就是说，如果用光导照明代替人工光源照明，可以大大减少空调负荷，有利于降低建筑物能耗。这是采光带、采光天窗达不到的。说明：上图为型号 EV-GC330A 的光导照明系统保温隔热性能图。6简便无论是新建建筑还是已有建筑改造，无论是钢筋砼结构还是金属结构，安装十分简便，现场施工作业与各相关单位配合少，协调内容简单，到货后施工周期短。7方便使用后大大降低了建筑的运营维护费用，减少的照明用电的开支，改变目前很多建筑“室外阳光灿烂，室内灯火辉煌”的局面，人工照明光源产品性能不稳定，每年甚至每个月都会有一些不工作的光源需要更换，在有些特殊位置，更换显然成为一项较为艰难复杂的工作，要耗费较大的人力、财力和较长时间。光导照明使用寿命长，顶罩球面设计，具有自清洁功能，其它部件没有外作用的影响下是不会损坏的。光导照明系统给建筑师一个全新的将阳光引入建筑中的新方法，多了一个建造绿色建筑的有利武器，创造低耗能、高舒适度的健康环境。三、应用范围和正在使用建筑光导照明系统可广泛应用于地下空间、厂房、移动房、办公场所、会议室、学校、医院、疗养中心、体育场馆、展览馆、动物园、植物园、海洋馆、部队、监狱、物流中心、港口、机场、火车站、地铁、轻轨、商场、超市、酒店、住宅、别墅、高级会馆等空间场所。各类新建、改建、扩建项目。在我国已使用的建筑有：1.住宅类北京 The house 国际花园荷兰大使馆官邸深圳坂田万科城湖北武汉梦湖香郡别墅四川成都双龙湾小区河北秦皇岛“在水一方”2.厂房类北京联福厂房北京百强新能源科技有限公司厦门太古可口可乐饮料有限公司厦门太古飞机工程有限公司山东日照海星针织厂青岛渤海农业发展有限公司浙江台州东培轴承工业有限公司安徽合肥联亚制衣厂3.园林空间类北京奥林匹克森林公园北京三星绿色奥运展示馆北京动物园北京植物园北京清华池休闲中心河北省唐山南湖生态公园上海竹园绿地公园4.办公环境类北京百环房地产实业有限公司广州全球通大厦深圳设计之都深圳建科大厦上海节能监察中心上海崇明生态大楼5.院校类北京丰台少年宫北京清华大学北师大附属实验中学北京中交水运规划设计院上海同济大学图书馆等四、光导照明的国外发展概况光导管自出现以来，人们一直没有停止对它的研究和改进，最初人们研究光导管主要是为了传输灯光，到了上个世纪 80 年代以后才开始研究采集太阳光的光导管系统。国外光导管技术的研究相对比较成熟。俄罗斯和美国在这个领域里都取得了可喜的成绩。1880 年，俄国的 Chikoleve、Wheeler、Molera 和美国的 Cebrian 分别公开了他们有关光导管的发明。1881 年 Wheeler 在美国申请了第一个光导管专利。由于材料和工艺水平的限制，早期的光导管效果并不理想，因而导致其发展在一段时间内处于停顿状态。随着光学纤维技术的发展，很多研究者开始意识到光纤可以输送光能并在医学方面得到了应用，但它的缺点是尺寸太小，用于输送大的光通量用于建筑照明是不经济的。1963 年前苏联工程师 Gennady Bukhman 提出用空心圆柱形管道输送光，并沿着光导管连续输出光通量的新思想，并于 1965 年制成第一个大尺寸的光导管。1981 年加拿大的 Whitehead 公司与美国 3M 公司合作，利用完全内反射原理开发出棱镜导光管。1999 年，英国诺丁汉大学的 GOakley 等考察了已经商业化的光导管的采光性能。美国、瑞典也开展了相应的研究工作。由于采集太阳光的光导管绿色照明系统结构简单，安装方便，成本较低，实际照明效果很好，因此在国外发展十分迅速，应用非常广泛。建筑用光导管结构简单、安装拆卸灵活、造价低廉，能够造成舒适的建筑光环境，在欧美等国家得到广泛应用。图 1 和图 2 是国外的一所住宅在同一个房间安装光导管前后室内光环境对比。国外的经验证明，安装光导管后的住宅室内的光环境质量显著改善，在晴天的白天完全可以不再使用电光源照明，光导管导入的自然光完全可以满足人们的日常活动的照明和采光需求，而且对人们的身体健康有利，安装采集太阳光的光导管的住宅大大地减少了“季节综合症”的发病率。五、光导照明设计光导照明系统即自然采光系统，该系统只能应用于日间照明，它不存在与能量的储存与转化，所以在使用光导照明系统的同时必须采用电力照明措施，电力照明的设计和安装应遵循国家及行业相关标准和规范。1光导照明设计一般规律光导照明各型号照度参考值（1） 当地室外平均照度确定参考 GB/T 500332001建筑采光设计标准确定当地的室外平均照度。（2） 设计场所照度确定照明设计应根据国家照明标准，达到规定的照度。各种场所的照度标准可参见 GB 500342004建筑照明设计标准和 CECS 45：92地下建筑照明设计标准 。（3） 确定照明方式及照明种类根据建筑物的功能及使用要求确定合适的照明方式，配置完善的照明种类。（4） 选择系统型号根据使用场所对照度要求、照明方式、照明种类等因素选择合适的系统型号。（5） 确定灯具布置方案结合建筑物平面布置及柱、梁的位置并考虑与建筑物及其他公用设施的协调，进行有规则的布置。（6） 计算照度（7） 检验照明质量的各项指标 由上述（1）（6） ，对最后确定的灯具布置方案，需对照度水平、照度均匀度、亮度分布、眩光、阴影等照明质量指标进行检验。根据检验结果，如需对布灯方案进行修改时，则上述（3）（6）应重新进行设计。这往往需反复多次，才能获得最佳方案。2设计注意问题建筑类型、建筑结构、使用场所、室外采光位置、采光层数、地下建筑采光要注意地面规划情况和其他情况。3. 光导照明设计依据GB/T 500332001建筑采光设计标准 ；GB 500342004建筑照明设计标准 ；CECS 45：92地下建筑照明设计标准 ；GB/50189-2005公共建筑节能设计标准 ；GB/50345-2005屋面工程技术规范 ；DBJ 01-93-2004屋面防水施工技术规程 ；CECS 56:94室内灯具光分布分类和照明设计参数标准 ；其他有关国家及地方的现行规程和规范。六、光导照明与绿色建筑在美国，有美国绿色建筑协会（United States Green Building Council，简称 USGBC）成立于 1993 年；USGBC 独特的视角和集体的力量为其成员们提供了一个改变各种传统的建筑设计、施工和保养方法。协会的成员们共同工作，开发出行业标准、设计规范、方针政策、以及各种研讨会和教育工具，以支持整个行业采用各种可持续发展的设计和建造方法。作为全美国唯一在环保建筑方面代表整个建筑行业的全国性机构；LEED（ Leadership in Energy and Environmental Design-能源及环境设计先锋奖）绿色建筑评估体系是一个自愿的、以一致认同为基础的标准，目的在于发展高性能、可持续建筑物。美国绿色建筑委员会的成员倡议建筑行业所有的部门发展 L