（热能工程专业论文）太阳光光导管系统的性能改进研究.pdf

捅要 ! i i i i i i 曼曼曼曼曼曼皇兰! 曼曼鼍 孝两芰 近几年来我国照明能耗不断增大，节约照明用电越来越受到人们的重视。其 中白天的照明用电不断增大是照明能耗增加的主要因素之一。根据我国的能源状 况，开发利用自然光照明技术是降低白天照明能耗的主要途径之一。太阳光光导 管照明是太阳能光利用的_ 种有效方式，它能够把白天的太阳光有效地传递到室 内，能够有效地减少白天电能的消耗。但就现在的研究现状，光导管系统的传光 效率普遍较低，进一步提高光导管系统的传光效率是普及这项技术亟待解决的主 要闯题之一因此，本文将从实验出发结合理论分析对太阳光光导管系统的性能 优化展开研究。 本文主要采用实验研究和理论分析的方法，首先对太阳光光导管系统进行了 比较系统的实验研究，在理论分析的基础上提出了对现有光导管系统的优化方 案，对优化方案在理论上进行了可行性分析，最后通过对新系统采光性能实验验 证了优化方案的实际效果。 对现有太阳光光导管系统的性能进行了详细的实验研究，制定了符合实际情 况的实验方案，实验首次把光导管作为灯具看待，提出了从光通量的角度分析光 导管采光性能的新思路。通过对现有光导管系统的冬夏季采光性能实验，得出了 典型天气状况下光导管的光通量和室内照度值，为后继评价新光导管系统的性能 提供了对比依据， 提出了将非成象聚光器应用于光导管系统的设计方案，分别设计了最大集光 角为3 矿，4 0 0 ，5 0 0 的复合抛物面聚光器和锥型聚光器，并分别制作了最大集光 角为3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 的锥型聚光器装置各一个，与现有光导管连接组成新的实验 装置，并分别进行了采光性能实验，实验结果表明，在非晴天条件下光导管系统 的采光性能得到明显优化。 关键词照明；光导管；聚光器；锥型；复合抛物面 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nb yi l l u m i n a t i o ni nc h i n ah a sb e e ni n c r e a s i n gi nr e c e n t y e a r s s a v i n ge l e c t r i cc o n s u m p t i o no fi l l u m i n a t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n i m p r o v i n gt h ee l e c t r i cc o n s u m p t i o no f i l l u m i n a t i o ni nd a y t i m ei so n eo ft h e m a i nf a c t o r sw h i c hl e a dt ot h ei n c r e a s eo fe n e r g yc o n s t m ：l e db yi l l u m i n a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o ni nc h i n a , d e v e l o p m e n tn a t u r a l l i g h t i n gt e c h n i q u e s ，w h i c hc a nr e d u c e t h el i g h t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nd u r i n gt h e d a y , 髓o n eo ft h em a i nm e t h o d s s o l a rl i g h tp i p ei sa ne f f e c t i v ew a yo fs u n l i g h t u t i l i z a t i o n , 锄g u i d es u n l i g h ti n t ol o o ma n dr e d u c ee l e c t r i cc o n s u m p t i o 也b u ti m d c r t h ec t m e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n , t h ee f f i c i e n c yo fl i g h tp i p es y s t e mi sg e n e r a l l yl o w s o f u r t h e ri m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h el i g h tp i p es y s t e mc o u l dp r o m o t ep r o g r e s so f t h et e c h n o l o g y t h e r e f o r e , t h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no f t h es o l a rl i g h tp i p es y s t e m w o u l db es t u d i e db ye x p e r i m e n ta n dt h e o r ya n a l y s i si nt h i sp a p e r m e t h o d so ft h e o 佗t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw e r eu s e di nt h i s p 辨f i r s t l yt h es o l a rl i g h tp i p es y s t e mw s ss t u d i e db ye x p e r i m e n t b a s e do nt h e t h e o r e t i c a ls t u d y , t h eo p t i m i z e ds c h e m et oi m p r o v i n ge x i s t i n gl i g h tp i p es y s t e mw a s p r o p o s e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h eo p t i m i z e ds c h e m ew a sa n a l y z e db yt h e o r e t i c a l r e s e a r c h f i n a l l yt h eo p t i m i z e ds c h e m et ot h ee x i s t i n gt i g h tp i p es y s t e mw a sv a l i d a t e d t ob ef e a s i b l eb ye x p e r i m e n t 。 p e r f o r m a n c e so ft h ee x i s t i n gl i g h tp i p es y s t e m 啊哪s t u d i e di nd e t a i lb y e x p e r i m e n t t h es c h e m eo fl i g h t i n gp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n tw a si n s t i t u t e do nt h e b a s i so ft h ea c t u a ls i t u a t i o n s l i g h tp i p ef i r s t l yi st r e a t e da sl a m p si nt h ee x p e r i m e n t , a n e wi d e at h a tt h el i g h t i n gp e r f o r m a n c eo f t i g h tp i p ei sa n a l y z e df r o mt h ep o i n to f v i e w o fl u m i n o u sf l u x 他- o u g ht e s t i n gw o r k , t h el u m i n o u sf l u xa n di n d o o ri l l u m i n a t i o n d i s t r i b u t i o no fl i g h tp i p eo n t y p i c a lw e a t h e r sh a sb e e no b t a i n e d rp r o v i d e sa b a s i s f o rc o m p a r i s o nw i t ht h ep e r f o r m a n c eo ft h en o w s y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g ns c h e m et h a tac o n i cc o n d e n s e rw a su s e di nt h el i g h t p i p es y s t e mw a sp r o p o s e d , c o m p o u n dp a r a b o l i cc o l l e c t o r sa n dc o n i cc o n d e n s e r s w i t h3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 。a c c e p t a n c eh a l fa n g l e sw e r ed e s i g n e d , a n dc o n i cc o n d e n s e r sw i t l i 3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 。a c c e p t a n c eh a l fa n g l e sw e r em a d ea n di n s t a l l e di nt h el i g h tp i p es y s t e m e x p e r i m e n t a ls t u d yo nl i g h t i n gp e r f o r m a n c eo fn e ws y s t 锄_ sw a sc a r r i e do u t e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h el i g h t i n ge f f e c t so ft h en e ws y s t e mi sb e t t e rt h a nt h e o r i g i n a ls y s t e mo no v e r c a s ta n dc l o u d yd a y k e yw o r d si l l u m i n a t i o n ；l i g h tp i p e ；c o n d e n s e r , c o n i c ；c o m p o u n dp a r a b o l i c i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 ， 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：豳盈e i i i i i ：2 皿哟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) “ 签名：4 兰墨耄导师签名：日期= 丝：芏汐 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景与意义 随着社会文明的不断进步，社会工业化程度不断加深，世界能源短缺和环境 污染问题越来越突出，能源的消耗速度不断加快，同时造成环境的加速恶化。随 着人们生活电气化程度的不断提高，电力消耗越来越大，其中照明用电占全球总 发电量的份额越来越大，据国际照明委员会统计，照明用电约占总发电量的9 2 0 1 】，美国及其他发达国家的照明能耗约占总能耗的2 5 1 2 1 。根据我国国家发 改委发布的数据，我国照明耗电大体占全国总发电量的1 0 1 2 。而且随着城市 化进程的不断推进，各国的照明用电量都在逐年增长。照明用电的迅速增加，不 仅增大了电网负荷和电力投资，同时也加速了能源的消耗和环境的污染，照明节 电意义重大。 。+ 现在人们普遍使用的人工照明消耗大量电能，而在照明用电中真正用于发光 的仅不过2 5 【3 】，其余则变为热能散发到空间中，变为室内空调负荷，又间接消 耗了电能。另一方面，现代照明耗电中的相当一部分都是消耗在白天的照明上， 像大型的商业建筑、办公楼、公共建筑等由于建筑的结构特点，走廊和一些房间 白天得不到足够的天然采光，只能靠人工照明。而随着近年来地下空间的不断开 发利用以及地上大型建筑的不断建设，使得白天的照明用电迅速增加，这无疑加 重了电网负荷，同时也加速了能源的消耗和环境的污染。众所周知，太阳光是最 典型、能量最强的自然光源，取之不尽，用之不竭，但仅有很少一部分通过玻璃 窗、天窗射入室内，大部分都没有得到利用。如果能有效利用自然光，则不但可 以减少室内照明和空调用电，而且还可以改善视觉效果，提高舒适度。东南亚地 区的一些研究资料表明，自然光在建筑物中的有效利用可以减少约2 0 的照明用 电【4 】。而且人类长期在自然光下生活，人眼对自然光的适应性强，视觉效果好 实验证明，自然光条件下的视觉对比灵敏度高于人工光5 2 0 以上，因此， 开发利用太阳光照明技术意义重大，这不但可以节约能源，还能减少对环境的污 染，符合“绿色照明理念和现代社会可持续发展的要求。 为了改善室内光环境，充分利用自然光，国内外的很多科研工作者做了大量 的研究。目前自然光照明系统的技术及产品正在快速发展中。太阳光光导管照明 技术就是近年来研究比较热门的一种自然光照明技术，是太阳能光利用的一种有 效方式。作为一种绿色照明技术它具有诸多令人们满意的优点：首先，太阳光光 导管能够把太阳光有效地传递到室内阴暗的房间或者易燃易爆等不适宜采用电 光源的房间，并能使光均匀的分布于空间内，可以取得良好的采光照明效果，还 能有效地减少电能消耗。其次，采用太阳光光导管照明不会产生多余热量，利用 光导管传输的太阳热量也比窗户少，夏天可减少房间的冷负荷，冬天可防止热量 北京t 业大学t 学硕十学何论文 损失【5 l ，对于建筑节能具有积极意义。b o u c h e t 在1 9 9 6 年提出，仅仅5 0 1 x 的自 然光就可显著减轻那些在地下工作人们的孤独感【6 j 。所以，以太阳光为光源的光 导管可以避免由于使用单一色光的电光源而造成的室内光污染即眩光问题p j ，可 以提高室内环境品质，改善视觉效果，提高舒适度。再有，光导管整个系统的所 有零部件全部采用可回收的材料制成，能做到全生命周期的环保 7 1 ，对于环境保 护具有积极意义。在保证效率的前提下，光导管还能够将光线传输至距光源十几 米甚至几十米的地方，并将光线较均匀的分配于较大面积的区域，而且光导管还 能够通过调节出光i ：1 的位置来实现对某些特定位置的照明【l 】。同时光导管还可以 用于办公楼、住宅、商店、旅馆等建筑的地下室或走廊的自然采光或辅助照明， 并能取得良好的采光照明效果。， 鉴于太阳光光导管照明技术的诸多优点，近年来，它受到了国内外科研学者 的广泛关注，成为人们竞相研究的热点。国外一些发达国家在这方面的研究开展 的较早技术较成熟，并具备了一定的设计制造水平。而我国太阳能资源丰富， 根据全国7 0 0 个气象台站的长期观测，全国各地的太阳能辐射总量为3 3 4 9 4 - - - 8 3 7 3 6 k j c r a 2 之间，其中间值为5 8 6 1 5 k j c m 2 ，北京地区的年辐射总量为 5 3 5 9 k j c r a 2 。北京地区( 北纬4 0 0 ) 在0 9 - 0 0 1 7 ：0 0 的时间内，室外地平面照 度达到5 0 0 0 i x 的天数全年占9 2 ，达到1 0 0 0 0 i x 的天数为8 2 。由此可以看出， 太阳光光导管在我国具有很大的应用空间和潜在的发展市场。然而，我国在这个 领域的研究开展的较晚，只是近年来才开始研究，在技术和设计上还较落后，还 不具备大规模生产光导管的能力。 ， 然而，太阳光光导管技术也有难以克服的缺点，首先，在晚上不能用于照明， 造成设备闲置。再有，因其使用太阳光作为光源，所以光导管采集的光能量受太 阳高度角和气候的影响很大，在阴天或太阳升降时光能量常常不能满足照明的要 求。而且就这项技术本身而言还有很多方面需要改进，存在许多亟待解决的问题： 首先，光导管照明系统的传输效率还有待于进一步提高。一般来说，光导管照明 系统的总效率主要取决于采光系统的效率和传光系统的效率。由于材料的加工工 艺和制作工艺还有待进一步提高，导致光导管本身的传光效率较低，再加上太阳 能是一种低密度的能源，导致采光率相对不高，而加大采光量又会导致建筑结构 的破坏，带来余热以及增加成本等问题，所以目前应用的光导管照明系统的效率 一般不超过3 0 t ，相对来说不是很高。这就严重阻碍了光导管照明系统的广泛 推广，是目前光导管照明研究中最需要迫切解决的问题之一。其次，光导管与建 筑之间的结合形式没有固定参考标准。由于光导管照明的研究才刚刚开始，设计 者没有统一的设计标准作为参考，建筑师在设计建筑物时还不可能考虑到将光导 管与建筑物之间进行融洽的结合，这就要求导光管照明系统的设计者要对这一问 题进行考虑，尽可能使应用光导管照明系统的同时，又不影响建筑的美观和功能。 第1 章绪论 再有就是光导管的隔声隔热问题。由于光导管的采光口直接与外界相通，并且目 前应用的光导管多为金属内壁涂覆反射膜制成的，隔声性能比较差，这就有可能 使室内原有的声环境受到破坏。另外，光导管将光线引入室内的同时，也将热量 带入室内，尤其为了获得室内更好的照明效果而增加采光量，这就带来更多的热 量，如何使多余的热量不影响人们的正常生活和工作也是一个有待解决的问题。 鉴于太阳光光光导管技术给人们和社会带来的诸多优点，发展太阳光光导管 技术可以使我国的能源问题和环境问题得到一定程度的缓解，对于建设和谐社会 有着重要意义，因此现在有必要加大力量进行研究，促使其在我国广泛推广。因 此，就这项技术现在存在的问题，我们有必要针对其主要问题进行研究就目前 的研究成果来看，光导管系统的光传输效率普遍较低是阻碍光导管技术普及的最 关键问题，而进一步的系统优化是提高光导管系统光传输效率的主要途径。但是 传统的对光导管的研究没有将光导管作为灯具来看待，缺乏系统的测试数据，实 验结果很难说明光导管系统效率，也就很难提出优化建议。因此，本课题就把光 导管作为灯具，通过对其进行采光性能实验，得出其室内照度分布变化和光通量 变化曲线，通过实验结果的对比分析，确定对现有太阳光光导管系统的改进方案， 从而达到提高光导管光传输效率的目的，因此，本课题的研究对这项技术的发展。 及其广泛推广应用都有着重大的意义。， 1 2 国内外研究水平与现状 人们对空腔光导管系统的研究已经有百年以上的历史，他最初是为了将被照 明客体与易导致火灾、爆炸、电气危险的辐射源隔离开来而被研制的【引，著名发 明家n h 奇可列夫于1 8 7 4 年首次研制了这种系统，并于1 8 8 0 年公布了该领域 研究的成果。对于光导管技术，人们最早着手研究的是传输灯光的光导管。而且 目前也是这种光导管占大多数，文献里一般称之为导光管。然而，在建成白炽灯 和配电网后，空腔光导管作为长距离光源辐射输送的工具，被遣忘了多年。直到 1 9 6 5 年，r b 布赫曼才对空腔光导管作为光输送工具，或沿其整个长度的照 明利用，提出了非常重要的发展概念。1 8 8 0 年俄国首先提出了光导管的原理， 但其应用却是在1 0 0 年之后。1 9 8 1 年加拿大的w h i t e h e a d 与美国3 m 公司合作， 利用完全内反射原理开发出棱镜导光管【9 】。前苏联、美国、瑞典在光导管的研究 和改进方面都做了很多工作【1 0 一。到1 9 9 8 年，世界上已有1 2 个国家的1 5 家公 司生产光导管系统，继续进行技术与设计方面研究的有加拿大、瑞士、俄罗斯以 及乌克兰和美引9 】。通过各国科研工作者的不断努力，现在光导管的使用已经不 仅仅限于在易燃场所使用，还广泛用于各种特殊场合，如公路照明、博物馆照明 以及日常的室内照明等，而且也不仅限于用于传输电光源，还能用来传输自然光， 这就促使了太阳光光导管照明技术的诞生。 ，太阳光光导管照明技术在国外的应用和发展也是近十几年的事情。由于自然 北京下业大学下学硕十学何论文 光光导管照明系统结构简单，安装方便，成本较低，实际照明效果很好，在国外 发展比较迅速。目前，国外在对光导管系统采光性能的研究和光导管采光性能的 预测方法和测试模型方面的研究比较多，并已经取得了一系列的研究成果。 对光导管的采光性能的研究：b o u c h c t 等通过数值计算预测到，在一天中的 7 0 时间范围内( 9 ：0 0 1 8 ：0 0 ) ，光导管在阴天传输到地下建筑中的最小照度为 1 0 0 1 x 【6 】，说明了白天采用光导管替代电照明或作为辅助照明的可能性。s w c i t z a 通过研究三种不同的光导管技术在建筑物中的应用，发现光导管遵循高效反射的 原则，由于光能随着反射次数的增多而减少，直光导管的性能比弯光导管的性能 好，光导管每弯一次，输出光减少近8 t 1 2 1 。s h a ol i 在1 9 9 8 年在英国研究了四 种不同的建筑，发现中等长宽比的光导管提供的照度达4 5 0 1 x ，室内外照度比为 1 。然而，在光导管又长又窄还有几道弯曲的情况下，室内照度下降到2 7 k ， 室内外照度比为0 0 9 t ”】。近年来，英国诺丁汉大学的qo a l d e y 等对安装在车 间、住宅楼梯问和小办公室三种类型的建筑中的六个光导管的采光性能进行了检 测，结果显示，最大照度为1 5 3 8 1 x ，出现在楼梯间的体形系数2 1 的直光导管下 面，最小照度为4 l l x ，出现在车间的最暗的角落处。楼梯间的平均照度为3 6 6 1 x ， 内外平均照度比为0 4 8 。通过比较分析得出，最有效的光导管是直而短的低体 形系数的光导管，因此大直径的光导管可能更有效1 1 4 】。s h a ol i 还研究了光导管 在多云天气条件下的性能【1 5 l 。m p a m n c i n i 等人在2 0 0 5 年到2 0 0 6 年，在意大利 的安科纳，通过对安装在一个9 平米无窗实验室屋顶的直径为0 2 5 m ，长l m 的 太阳光光导管系统进行长达一年的监测，得出了各个季节室内的照度分布1 1 6 】。 对现有光导管系统性能的预测方法和预测模型的研究：j e n k i n s 和m u n e c r 在对安装在英国各地的，直径在0 3 0 5 m 之间，长度在0 之间，弯管角 度在5 0 - - 2 5 0 之间的一系列光导管，在一年的不同时间里，进行实际测量的基础 上，而且在不直接涉及外部天空晴朗指数和太阳高度角的情况下，提出了一种半 经验方法，勒克斯分区图程序包法【5 1 - q 。这种方法是一种简单的能直接使用的方 法，可以适用于具有任何弯度和任何数量弯管的光导管。不足之处就是没有考虑 外部天空情况和太阳高度角的变化。z h a n gx 和m u n e c r 也在实际测量的基础上 提出了一种半经验方法，它比j e n k i n s 和m u n c c r 的方法更详细，这种方法不但考 虑了太阳高度角和天空晴朗指数，并把其作为输入数据，而且论证了光进入管子 的入射角对光导管光的传输效率的影响，提出采用自然光的渗透系数来描述光导 管的性能【幅l 。但这种方法只适用于采用乳色玻璃或磨砂玻璃为散光板的光导管。 加拿大国家研究委员会用公式阐述了一种预测自然光照明系统性能的工具，s k y v i s i o n 软件程序包f 嘲。它可以预测天井、传统天窗和光导管的自然照明特性，也 能确定带有天窗的房间为了获得目标照度所需的附加电力照明。对于大多数靠天 花板上的圆形光源照明的空间来说，它是一种非常适合的预测工具。利物浦大学 第l 章绪论 暑皇曼曼曼曼曼皇皇皇皇曼曼皇曼! 是璺曼蔓曼曼量舅舅曼曼曼曼舅量曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼笪曼曼i i i ii|1i 曼曼量曼舅皇曼曼曼皇曼曼量曼曼曼皇量曼 的d a v i dc a r t e r 描述了一种方法，可以估计或测量管子出射的总光通量，而且考 虑了光强分布。用这种方法测量和计算的光通量与s k y v i s i o n 软件程序包法的结 果相比误差小于1 0 【2 0 1 。雅典大学的t s a n g r a s s o u l i s 提出了一种更加理论化的方 法，它适用于具有不同传输部件的光导管1 6 1 。在a n g e l om i n g o z z i 的研究中；一 种被放在工作台上的演示光导管被使用，目的是使设计者能够选择合适的光导管 配置。在这里被提出的工具能够估计最佳的系统尺寸，采光罩的形状和管子的长 度。突出了一种内部全反射膜的概念，并指出这种内部全反射膜对于圆光导管有 显著的效果【z l j 。， 一 ， 另外还有一些其它方面的研究，如：八r o s e m a n n 用测角光度计对光导管进 行了测量，并在柏林建立了光导管的示范工程圈。s u r a p o n gc h i r a r a t t a m n o n 等 研究了在热带地区使用光导管的可行性团】。s h a ol i 在光导管研究的基础上还对 传光棒进行了研究 2 4 1 ， 我国对于光导管系统的研究相对较晚，这方面的信息发布的较少，目前主要 处在理论研究阶段。中国建筑科学研究院建筑物理研究所的肖辉乾等对地下和无 窗建筑定日镜导光管采光照明进行了试验研究瞵j 。北京工业大学的吴延鹏等论述 了建筑采光用光导管系统的基本结构、特点，提出了光导管系统在隧道中应用的 设计方法【7 】。他们又通过试验研究了侧采光光导管的采光性能，测得冬季晴朗的 白天的室内外照度。试验测得，室内7 0 c m 高度处的平均照度最大值为1 2 9 1 x ， 最小值为0 4 7 1 x ，采光系数为0 2 3 1 2 6 。试验表明光导管可以作为白天建筑物内 的自然采光或辅助照明，并能取得良好的照明效果。目前这项技术已经被用于北 京奥运场馆的室内照明，其中北京科技大学体育馆目前是北京奥运会所有奥运场 馆中在比赛场馆中央安置光导管最多的。在阳光比较好的情况下，它采集的光线 能满足体育训练和学生上课的要求，基本可以不开灯或者尽量少开灯。由于光导 管是密闭的可以有效地节省维护地费用。光导管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。 但是由于光导管用的高效率反射膜，我国还没有掌握其生产工艺，光导管的 传输效率有待于进一步提高，在基础理论研究和产品设计、实践操作等方面的工 作还很不够。因此，这个领域的深入研究，对推进我国绿色照明工程的进程和建 筑节能的进展，都具有积极的意义。而就这项技术本身而言，目前的研究大多数 为理论研究，对光导管实际采光性能的研究较少，有的也是国外的监测数据，在 我国更是缺乏反映光导管采光性能的实验数据，因此，本课题将在我国北京地区 光照条件下对光导管的采光性能进行季节性监测，为光导管照明技术在我国的实 践积累实验数据。此外，以往对光导管采光性能的实验研究都是以照度为评价标 准，而照度并不能直观的反应光导管的照明效果，为此，本课题提出从一种新的 角度来评价光导管的采光效果，即用光导管的室内光通量来分析光导管的采光效 北京_ ：业大学t 学硕十学何论文 果，从而评价光导管系统的传光效率，进而提出优化方案。因此，本课题的开展 将对太阳光光导管照明技术的进一步发展具有重要意义 1 3 本课题的主要研究工作 ：。 1 ) 为得到可靠的实验数据和光导管室内照明情况，制定详细的光导管采光性能 实验方案，包括阐述实验的原理与方法，实验前的准备工作及实验时间和实 验步骤的确定等，并从理论上分析实验方案的可行性。 ” 2 ) 对现有光导管系统进行冬夏季采光性能实验，得出现有光导管室内照度分布 和光通量变化曲线，通过典型天气状况下的实验数据分析以及冬夏季实验结 果对比分析，得出实验光照条件下，现有光导管照明存在的主要问题，分析 影响光导管照明效果和其光传输效率的主要因素。 3 ) 通过对光导管效率影响因素的分析，提出光导管性能优化设计方案，并在理 论上对其进行可行性分析，给出新系统的设计数据，并实际制造出与新系统 相似的试验装置。 4 ) 对新的光导管照明实验装置进行夏季采光性能实验，得出新系统在室内的照 度分布和光通量变化曲线，并将实验结果与原光导管系统的夏季实验结果进 行比较，得出新系统与原系统的差异，并分析得出新系统相对于原系统的优 越性，从而验证优化方案的实际可行性。 第2 章光导管采光性能实验原理与方法 第2 章光导管采光性能实验原理与方法 2 1 引言一 本课题的主要研究内容是光导管系统性能优化设计，而光导管系统性能实验 是提供优化方案依据的来源也是验证优化方案实际可行性的主要方法，要依靠实 验来了解现有光导管系统的采光性能，同时也要依靠实验来验证优化方案的实际 效果，因此实验在本课题中至关重要。为此，首先本章将主要阐述光导管采光性 能实验的原理与方法，为课题中实验的顺利进行做好理论和实际准备。， 2 2 光导管采光性能测试原理。 从照明工程的角度看，光导管装置可看成一种灯具，但是传统的对光导管的 研究没有将光导管作为灯具来看待，缺乏系统的测试数据，实验结果很难说明光 导管系统效率，也就很难提出优化建议。因此，本实验把光导管作为灯具看待来 制定实验方案。又因为以往对光导管采光性能的实验研究都是以照度为评价标 准，而某点的照度值与该点距发光体的距离有关，而且距离不同照度值也不同， 因此，通过测量得到的照度值并不能直观的反映光导管系统的传光性能。而直接 反映光导管传光性能好坏的是系统的总的出射光通量，为此，本文将通过测量光 导管的出射光通量来分析现有光导管的传光性能。， 2 2 1 光通量的测量方法 本实验是把光导管装置看成一种灯具，因此测试的目的主要希望得到不同天 气状况和时间点光导管装置的光通量值和空间的照度分布情况。根据建筑照明 设计手册【2 7 】中对光通量测量的描述，分布光度计法是一种适合于任何光源的测 量光通量的方法，其基本公式为： = e a s 其中：越照射小区间面积，m 2 ； e 照射小区间平均照度，l x ； 。 一 照射小区间光通量，l m ；，； 总光通量为： 拼辨 丸= 丸= e 蝇 n = 1n = l 本实验仍然采用上式进行计算。 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 北京t 业大学t 学硕十学位论文 2 2 2 简化实际测量模型j 实验室现有光导管系统的室内散光板的形状为圆形，因此应按圆盘形光源进 。 行测量，但考虑到传输到散光板上的光的分布并不均匀，因此把其看成点光源进 行测量，根据建筑照明设计手册中对点光源的规定，圆盘形发光体的直径小 于其照射距离的l 5 时可按点光源进行照度计算，已知实验室现有光导管的散光 板的直径为0 3 6 m ，因此测试面选在距离光源1 8 m 外的某半球面即可。考虑到 实际操作的可能性和简便性，选择测试面为：与光源平面平行的圆形平面。又为 了测试时避免由于照度计不稳而造成的误差，且便于测量和更好的与人工光源照 明比较，测试面选为实验室的地面。 。 。 由于该光导管并未安装在房间的正中心，因此按照实际情况布置测点，测点 布置如图2 1 所示。图2 - - 1 中的o 点为光导管中心在地面上的投影，光导管 散光板下沿距地面3 4 m 。各条测点射线之间的夹角为3 0 ，测点环线之间的距 离为l m ，另外光导管垂直方向上取四个测点，分别为光导管下l m ，1 5 m ，2 0 r a ， 2 5 m ，共有5 1 个测点。 图2 一l 测点的平面布置图 f i g u r e 2 - - 1s u r v e y i n gp o i n tl a y o u t 2 2 3 实验数据的处理 为了最终能够得到光通量的值，需要把测量区域网格化，以o 点为圆心半 径o 5 m 画圆，然后每隔1 0 m 画圆，这些圆与从o 点射出的射线把整个测试面 划分出若干网格( 如图2 2 所示) ，每个网格内都有一个测点，把测点的照度值 看做其所在网格的平均照度和所在网格的面积一起带入公式( 2 - - 1 ) ，依次算出 第2 章光导管采光性能实验原理与方法 各个网格面的光通量，再带入公式( 2 2 ) 算出总的光通量。因为本实验只是粗 略估算总的光通量因此测试面边缘地区没有测试点的网格区可忽略掉，不全的网 格按整个网格计算。各测点所对应的网格面积如表2 一l 所示。 1 图2 2 网格划分示意图，+ ： f i g u r e2 - - 2c a l c u l a t i n gg r i d 表2 1 各测点对应的网格面积 t a b l e 2 1a r e a so fg r i d sc o r r e s p o n d i n gt om e a s u r e m e n t p o i n t s 面积面积面积面积面积 测点，测点测点测点测点 ( m 2 ) ( m 2 )( m 。)( 2 )( m z ) o0 7 8 5 b 2 1 0 4 7 0 2 1 0 4 7 f 3 1 5 7 l l 0 5 2 3 a t 0 5 2 3 b 3 1 5 7 0 d 3 1 5 7 g l 0 5 2 3 l 2 1 0 4 7 a 2 1 0 4 7 b 4 2 0 9 3 d 4 2 0 9 3 g 2 1 0 4 7 l 3 1 5 7 0 a 3 1 5 7 0 b 5 2 6 1 7 d s 2 6 1 7 h t 0 5 2 3 l 2 0 9 3 2 0 9 3 c l 0 5 2 3 d 6 3 1 4 0 i l 0 5 2 3 l 5 2 6 1 7 a s 2 6 1 7 c 2 1 0 4 7 e l 0 5 2 3 j l 0 5 2 3k3 1 4 0 氏 3 1 4 0 c 3 1 5 7 0 e 2 1 0 4 7 k l 0 5 2 3b3 6 6 3 a 7 3 6 6 3 c 4 2 0 9 3 e 3 1 5 7 0 k 2 1 0 4 7 a s 4 1 8 7 c s 2 6 1 7 f l 0 5 2 3 k 3 1 5 7 0 b l 0 5 2 3 d l 0 5 2 3 f 2 1 0 4 7 k 4 2 0 9 3 2 3 光导管采光性能测试方法 2 3 1 测试条件 ， 本实验是在北京工业大学环境与能源工程学院的热能实验室所在的能源楼 五层的大实验室中进行，房间实际尺寸长为1 1 0 m ，宽6 5 m 。实验用太阳光光导 管安装在实验室屋顶，实验室位于项层，顶部开阔无遮挡，能够保证光导管的充 分采光。本实验采用照度计测量测点照度，所用照度计为杭州新叶光电工程技术 北京t 业大学丁学硕十学何论文 有限公司生产的x y i i i i 全数字照度计它的特点是以数字v ( 入) 传感替代 传统的模拟v ( 入) 传感器，以全数字照度信号检测系统代替现有的模拟信号 检测系统，该仪器不产生零点漂移，并应用计算机软件标定，系统稳定性高。为 了能够比较准确的测量光导管在室内的照度，实验前把实验室的全部门窗用黑窗 帘遮住，照度计测得室内环境照度为0 4 1 u x ，基本消除了由门窗进光带来的干扰。 2 3 2 测试时间 因为测量光源为太阳光，测量结果受太阳高度角和天气的影响很大，为了得 到光导管在不同季节和不同天气下的总光通量变化情况，实验测量分别在冬季最 冷和夏季最热时的以下情况下进行：晴天、多云天、全阴天( 每种情况不少于两 天以保证测量数据的可靠性) 。又由于太阳光在一天内的入射角随时间不断变化， 所以要测量一天内不同时刻的光通量，以得到光导管在一天内的总光通量变化情 况，测量从早上9 时开始每隔l 小时测量一次直到下午4 时。 2 3 3 实验步骤 实验前首先布置测点，按图2 2 布置测点位置，对测点编号写在标签上， 并贴在相应的测点上。在散光板上拴上一根绳子，使绳子自然下垂，分别在散光 板下1 o m ，1 5 m ，2 o m ，2 5 m 处打结以确定垂直方向的测点位置。测点布置完 毕，实验仪器准备好后，应将所有门窗用遮光布封严，关掉室内所有的灯，要保 证光导管是这间屋子的唯一光源。上述工作做完后，才可开始实验。 测量时用照度计从o 点开始由内向外测量水平各个测点处的照度值，由下 向上测量垂直方向上的测点照度值。测量时保证照度计的测光部分保持水平，数 据稳定时读数，小数点后保留一位有效数字。实验中应注意在用照度计测量数据 时，身体和物体的影子不要遮住照度计感光探头。为保证测量数据的同时性，一 次测量所占用的时间不超过5 分钟。 2 4 本章小结。一 ： 本章主要对光导管采光性能实验的原理和方法进行了详细的阐述，结合实际 情况确定了实验的测试时间和实验的操作步骤，为本课题中涉及的光导管采光性 能实验制定了理论方案。 第3 章光导符冬夏季采光性能实验研究 第3 章光导管冬夏季采光性能实验研究 3 1 引言 为了能够了解现有光导管系统的采光性能，发现其存在的实际问题，为后续 提出系统优化设计方案提供参考和对比依据，首先对现有光导管系统进行采光性 能实验，第2 章已经详细阐述了采光性能实验的原理与方法，本章将按照这个实 验方案对现有光导管系统的采光性能进行实际的季节性测量，通过测量结果及冬 夏测量结果对比，分析影响光导管采光性能的主要因素以及现有系统存在的只要 问题。 3 2 实验台 实验用光导管为太阳光光导管，安装于实验室屋顶，如图3 一l 所示，光导 管主要由拱形采光罩，光导管本体和散光板组成。光导管室外部分如图3 - - 2 所 示，室内部分如图3 3 所示，直径0 3 6 m ，长1 3 m ，光导管内表面可见光全反 射率为9 5 ，散光板距地面3 4 m 实验室房间位于实验楼顶层，项部能够保证 充足的阳光照射，实际尺寸长为1 1 0 m ，宽6 5 m ，实验进行时用遮光布把屋内门 窗遮严本实验就是对这一实验台分别在冬夏季进行采光性能测试。 卜一采光罩2 一光导管3 一散光板4 一屋顶 图3 一l 光导管结构示意图 f i g u r e3 一ls c h e m a t i cd i a g r a mo fl i g h tp i p e 图3 2 光导管室外部分 f i g t l r e3 - - 2 t h e o u t s i d e d a r t o f l i e h t t i n e 圈3 - - 3 光导菅审内部分 r g u m 3 3 t h e i n s i d e p a r t o f l i g h t p i p e 33 冬季光导管采光性能测试 3 31 照度的测量 按照第2 章中阐述的实验步骤做好实验的准备，然后开始实验。在我国，一 月份几乎为太阳高度角最低的时候，因此冬季实验选择在北京1 月份的晴天，多 云天，全阴天三种典型天气情况下进行，实验从早晨9 点开始到下午4 点每隔l 小时用照度计各个测点进行一次照度测量。 第3 章光导管冬夏季采光性能实验研究 对散射光进行测量，即在晴天，分别的l l 时、1 2 时、1 3 时三个时刻测量各 个点的照度值，测量时在屋顶上用一块木板遮挡住射向光导管采光罩的直射光， 实际中就是让木板的阴影全部覆盖住采光罩，此时可以认为采光罩采集的光线全 都是散射光，：这样就得到晴天时光导管采集的光通量中散射光所占的比例。 由于实验的重复性较好，所以通过对测量数据的筛选，选择典型天气下的三 组实验数据进行分析，分别为1 月1 8 日晴天，1 月1 9 日多云天和1 月2 5 日全 阴天的测量数据，及1 月3 0 日晴天室内散射光的测量数据，按照第2 章中阐述 的实验数据处理方法，对各组数据进行处理，得出各个时刻的室内光通量值。根 据实验数据以及计算所得数据绘制各种曲线图。 3 3 2 实验结果 实验是在2 0 0 7 年1 月1 8 日( 晴天) 、1 月1 9 日( 多云天) 、1 月2 5 日( 全 阴天) ，从早上9 ：0 0 到下午1 6 - 0 0 每隔l 小时记录一次数据。以及2 0 0 7 年1 月3 0 日在有挡板遮挡太阳直射光情况下从早上1 1 ：0 0 到下午1 3 ：0 0 每隔1 小 时记录一次数据。 根据试验结果计算得到的在冬季晴天，多云天，全阴天三种典型天气状况下 光通量随时间的变化曲线如图3 4 所示，从图上可以看出：在晴天，光导管引 入光通量的变化曲线比较光滑，形状比较规则接近抛物线的形状，有明显的峰值， 最大值为9 0 6 4 1 m ，出现在中午1 3 时左右，最小值为2 1 5 6 1 m ，出现在下午1 6 时左右。这与太阳高度角随时间的变化趋势相同，太阳高度角在一天之中先增大 后减小，在中午时达到最大值。这说明晴天时光导管的采光量受太阳高度角的影 响相当大，在太阳高度角较大的时间段内，光通量的变化率较小，而在太阳高度 角较小的时间段内，光通量的变化率较大。而在全阴天，光导管引入光通量的最 大值为4 0 0 9 1 m