重庆某绿色建筑地下车库导光管技术应用分析

重庆某绿色建筑地下车库导光管技术应用分析

周小伟

重庆市江北区建设工程质量检测有限责任公司 400000

摘要：针对导光管技术在绿色建筑技术中应用越来越多的现象，有必要对采用导光管技术后室内采光效果的改善状况作量化分析。本研究基于现有的技术理论，对重庆市室外照度展开简要分析，并结合重庆地区某一具体的绿色建筑项目，运用ecotect 分析软件对绿色建筑中地下车库采用光导管技术后的采光效果进行量化分析，并简要估算了该系统的节能量及经济效益，为绿色建筑光导管技术应用量化分析提供了方法和借鉴。

关键词：导光管技术；绿色建筑；Ecotect；照度

0、引言

随着国家“绿色建筑行动方案”的发布，绿色建筑已成为建筑发展的必然趋势^{Error: Reference source not found}。资料显示，我国每年建筑照明能耗占建筑能耗比重巨大，建筑照明节能具有重要意义。节能环保的光导管技术在建筑中，特别是绿色建筑中得到了广泛的应用，普遍用于办公空间、教室、等地下车库空间中，一方面，随着技术的进步及产品的大规模生产，光导管技术的应用成本也在逐年降低；另一方面，光导管技术的光更接近于自然光，更适合于人的生理需求，同时也能促进在室人员的高效作业，Bouchet在1996年提出，仅仅50lux的自然光就可显著减轻那些在地下工作人们的孤独感^[1].，且节约建筑运行的照明能耗。

1、光导管技术的原理及组成

导光管技术主要利用室外的自然光，通过集光器汇聚室外自然光，然后通过导光管传输进入室内，再经过漫射装置把自然光均匀高效地照射到室内。导光管系统的主要构件是集光器、导光管和漫射器。

1.1 集光器

集光器是导光管系统的重要部件，其集光质量的好坏决定了整个系统的应用效果，根据集光器工作原理的不同，主要有被动式集光器和主动式集光器两种，多为半球形结构，为提高效率，往往内置棱镜等设备。主动式集光器主要有定日镜，该镜可自动追踪太阳，时刻保持最大的采光效率，目前有菲涅尔透镜等光学系统和定日镜收集阳光。由于集光器多安装在室外，加之城市空气污染较为严重，集光器表面积尘较多，易造成集光器集光效率的降低，随着技术的进步，目前优化结构设计后可利用风力、雨水等对集光器表面进行自清洁，减少积尘，尽可能提高集光效率。

1.2 导光管

导光管是将集光器收集的光在室内进行传输的重要“媒介”，主要有四种类型：金属反射型导光筒、非金属反射型导光筒、透镜组型导光筒、棱镜型导光筒。金属反射型导光筒是在玻璃塑料上镀一层高反射率的金属涂层，通过多次反射将光传送到需要的空间，具有价格低廉的优点，但传输效率非常低，只能在一些对于效率要求不是非常高的场所应用。非金属反射型导光筒将高反射的金属涂层改用薄膜，从而提高了传输效率，但造价却非常昂贵，很难得到大量推广。透镜组型导光筒主要是利用的光线的折射原理，由一系列的光学透镜组成，由于需要很多价格昂贵的透镜，目前主要在一些光学仪器设备上使用，在实际工程中推广应用尚且较少。棱镜型导光筒利用全反射原理进行，制成了内部全反射式的导光筒，这种导光筒多用于为大空间提供照明。

1.3漫射器

漫射器是指将引入室内的光线在室内进行合理的分布，避免形成眩光以及照度分布不均的状况，在实际工程中，漫射器可以根据配光的要求的不同，合理的选择相应的材料制备而成，从而保证室内的照明质量。

2、光导管技术应用实例

本项目为重庆市某办公建筑，总建筑面积约3万平方米，在项目设计阶段，拟在地下车库采用光导管技术以满足国家绿色建筑二星级要求中关于采光照明的部分内容。地下车库面积1万余m²（如图2.1所示），考虑到场地条件的限制，及光导管产品的特点，选定在地下车库的部分区域（防火分区3的部分区域，顶上覆土，如图2.2所示，约5400m²）选用直管式光导管系统，系统数量为45组，光导管长度为2.15m，直径为530mm，集光器位于室外的绿化带中，与周围场地条件形成良好的景观协调。

图2. 1 地下车库示意图

图2. 2 地下车库光导管应用示意图

3、光导管技术模型及分析

3.1 室外照度研究

由于光导管技术采集的是室外光线，因此有必要对重庆地区全年的室外照度进行分析，针对室外照度的分析，一般采用的是实测值，在缺少实测值的状况下，可依据太阳辐射量计算室外照度状况。王爱英等人已经通过实验、回归分析等方法，结合Muneer & Kinghorn模型提出了由室外太阳辐射量计算室外照度的方法，并经验证有较高的准确^[2].。结合中国建筑热环境用气象数据集中提供的重庆典型气象年数据^[3].，利用王爱英可计算出全年8760h的室外照度变化状况（如图3.1所示），根据重庆地区的室外照度变化状况，统计发现在重庆地区室外照度超过4000lx以上的小时数达3460h，这为导光管技术的应用提供了良好的条件。

图3. 1 重庆地区室外照度变化图

3.2 光导管技术应用模型

分析软件采用的是Autodesk Ecotect Analysis 2010，该软件适用于从概念设计到详细设计环节的可持续设计及分析工具，其中包含应用广泛的仿真和分析功能，能够提高现有建筑和新建筑设计的性能。用户可以利用强大的三维表现功能进行交互式分析，模拟日照、阴影、发射和采光等因素对环境的影响^{Error: Reference source not found}。采用该软件对室外照度在4000lx时室内的照度状况进行分析，导光管之间的间距为10000mm，导光管的综合效率为0.6。由于旧版建筑采光设计标准中，重庆位于五类光气候区，室外天然光临界照度值为4000lx^[4].，因此，在分析时考虑室外临界照度为此状况，同时在新版建筑采光设计标准中，规定采光系数标准值是基于室外照度为15000lx的状况^[5].，因此，本研究中分析的室外照度范围为4000lx~20000lx，步长为1000lx，分析结果仅展示室外照度值为4000lx，10000lx，15000lx，20000lx时室内地面照度分布状况（如图3.2~图3.5所示）。由于该车库完全位于地下，没有采光自然采光，照明采取光导管技术采光和人工照明的方式。

3.3 分析结果

通过软件计算分析，得到地下车库导光管采光技术下的室内地面照度分布状况如图3.2~图3.5，从图中可以发现，随着室外照度值的增加，室内照度值也相应增加，在导光管的下方区域，照度值一般都较大，在导光管的边缘，照度值较小。根据建筑照明设计标准GB50034- 2013^[6].中的规定，车库的地面照度应达到75lx，通过对前述室外照度水平下室内地面照度分布分析表明，在室外照度为4000lx，室内室内地面照度不能满足标准要求，随着室外照度水平的提高，在室外照度达到10000lx以上时，仅采用光导管照明系统，即可满足室内的照明要求。完全不需开启人工照明。

表3.1 地下车库不同室外照度下室内照度统计分析

3.4 节能效果分析

为了简单估算光导管照明系统全年节能状况，仅考虑人工照明系统完全不需开启时的节能效果。通过统计分析表明，重庆地区全年室外照度高于10000lx以上的小时数为2446h，该光导管系统管控的地下车库面积为5412.8m²，按照《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015^[7].，车库的照明功率5W/m²，全年仅此一项可节能约电能65243.6kWh，按照商业电价0.8元/计算，全年可节约电费52194.9元，减排CO₂47.0吨，产生了良好的经济和社会效益。

4、结论

基于现有的理论基础，对重庆地区的室外照度状况展开了分析研究，发现全年4000lx以上和10000lx以上的小时数分别为3460h和2733h。通过针对重庆某一绿色建筑项目中的光导管应用系统展开研究，发现在现有的设计系统下，室外照度为10000lx以上时，完全不用开启人工照明系统，全年可节能约电能65243.6kWh，节约电费52194.9元，减排CO₂47.0吨，具有良好的经济和社会效益。

5、参考文献

1. 吴延鹏；马重芳。采集太阳光的光导管照明技术在建筑室内的应用[J]。现代物业，2011,10（10）-82-83.

2. 王爱英，金海，王洪珍，李雯雯。用太阳辐射转化法计算室外照度值。土木建筑与环境工程[J]，2011,33（3）：89-93.

3. 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学。中国建筑热环境分析专用气象数据集[M]。中国建筑工业出版社，北京：2005。

4. 中华人民共和国国家标准。建筑采光设计标准，GB/T 50033--2001 [S]。

5. 中华人民共和国国家标准。建筑采光设计标准，GB50033-2013[S]。

6. 中华人民共和国国家标准。建筑照明设计标准，GB50034- 2013[S]。

7. 中华人民共和国国家标准。公共建筑节能设计标准，GB 50189-2015[S]。

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