水平导光管出光口形式对老旧住宅采光效果的影响研究

水平导光管出光口形式对老旧住宅采光效果的影响研究

史岸冰1 ,凌健2, ,刘新元1, ,李伟3

天津城建大学建筑设计研究院有限公司，2. 天津墨舍建筑设计有限公司，

3. 天津城建大学建筑学院

摘要：导光管是改善老旧住宅采光效果的有效途径之一。本文通过建造足尺模型模拟典型老旧住宅的采光不利空间，验证水平导光管不同出光口形式对采光效果的影响。综合考虑实验数据分析结果和实际应用需求，出光口大小和反射镜在水平面正投影大小相等、出光口反射镜与水平面角度为45°时效果较好。

关键词：水平导光管；出光口形式；老旧住宅；采光；足尺实验房

1. 引言

为解决城市人口剧增问题，我国20世纪晚期建设了大批老旧住宅[1]，其中部分老旧住宅存在核心空间采光严重不足问题。在现阶段“双碳”目标和人民美好生活需要的背景下，在城市绿色更新发展中解决这一问题势在必行，但现阶段缺乏高效、精确改善老旧住宅采光的改造技术。导光管是改善采光的有效途径之一，但常以竖向形式应用于地下空间[2]和大型场馆[3]等空间[4]。本文结合常见的金属导光管、漫射材料和定日镜，设计了一款水平导光管系统，既避免了导光管竖向穿越楼板，又可根据需求精确地将光线水平传输至采光不利空间任意一处。本文通过建立足尺实验模型验证了该水平导光管系统不同出光口形式对采光效果的影响。

2. 实验方案

2.1水平导光管系统

本文设计的导光管主要包括定日镜、导光管和出光口，利用定日镜原理收集光线，利用平面镜的光反射原理将光线传输到采光不利空间，并利用出光口将光线较均匀散布，水平导光管系统原理与构造详见图1。

2.2出光口形式

通过材料性能对比筛选，系统采用乳白色亚克力弧形灯罩漫射器作为漫射材料。影响出光口形式的因素主要为改变光线传输方向的平面镜角度和出光口的尺寸，以400mm*400mm*8000mm方形截面抛光铝材导光管为例，通过计算，出光口沿进深方向的宽度和导光管的高度相等时，平面镜和水平方向夹角为45°，所有光线沿出光口传输到漫射器，当出光口沿进深方向的宽度是导光管的高度的两倍时，平面镜和水平方向夹角为71.2°，所有光线沿出光口传输到漫射器，具体出光口形式如图2所示。

2.3足尺实验房及仪器

首先对天津1980-2000年代老旧住宅进行现场调研和测量，总结出代表性老旧住宅中的采光不利空间，根据其特点，足尺实验房采取进深9.6m、面宽3.3m、高2.8m的尺寸，由铝塑板围合而成，房间一分为二，北部进深4.8m部分模拟暗厅。由于照度值可以累加计算，可以利用暗厅量化导光管系统改善采光的幅度。实验房内均匀布置日本TANDD照度紫外强度温湿度记录仪TR-74Ui，按1m*1m网格均匀布置了20个测点，如图3所示。

2.4实验设计

实验保持集光器、漫射器的形式不变，导光管采用截面为400mm*400mm，长度为8m的抛光铝材导光管，调整导光管出光口形式。分别设置以下条件：

平面镜和水平方向夹角为45°，出光口尺寸分别为400mm*400mm、400mm*600mm、400mm*800mm；平面镜和水平方向夹角为71.2°，出光口尺寸为400mm*400mm、400mm*600mm、400mm*800mm，共计6种出光口形式，依次记为出光口形式1-6。调节集光器至集光效果最佳状态，照度记录仪自动测量、记录室内照度，测量时间为5分钟。

实验现场如图4所示，实验数据测量完毕以后，通过对比各出光口形式下的实验数据来探究最适合老旧住宅采光改造的出光口形式。

3. 实验结果及分析

实验结果如图5所示，出光口反射镜为45°时的出光口形式1、2、3的测点照度平均值分别为73.62Lx，75.50Lx，74.54Lx，出光口反射镜为71.2°时的出光口形式4、5、6的测点照度平均值分别为37.62Lx、41.02Lx、49.63Lx。在出光口开口大小相同的情况下，45°角的出光口反射镜工作效率明显更高。

根据平面镜反射原理可知，水平光线经45°反射镜反射变为垂直光线，光柱的宽度不变，原来的光柱高度经反射变成了光柱沿导光管方向的宽度，因此，45°出光口反射镜条件下，导光管沿管长方向长度等于导光管的高度即可。经过试验测量证实，当出光口反射镜为45°时，出光口的开口大小不同，但是室内测点各点平均照度值极其接近。相对于计算出的合适开口而言，更大的开口一方面需要更大面积的漫射材料以及更多的密封工作，另一方面对导光管的结构完整性带来更大的破坏。因此，综合考虑实验房空间内光线漫射均匀度和照度提升水平，平面镜与水平面角度为45°，大小和平面镜在水平面上正投影大小相等的出光口形式更加适合老旧多层住宅采光改善。

4. 结论

水平导光管系统在老旧住宅采光改造中应用前景广阔，导光管的出光口形式需要根据导光管截面形式进行灵活调节。结合实验结果和实际应用需求，出光口大小和反射镜在水平面正投影大小相等、出光口反射镜与水平面角度为45°时效果较好。

参考文献：

[1] 吕俊华，(德)彼得·罗，张杰，等.中国现代城市住宅1840-2000[M].北京：清华大学出版社,2003.

[2] 段旺,宗复芃,林若慈,张建平,康健.奥运中心区地下车库导光管系统[J].照明工程学报,2008(03):1-7.

[3] 武毅,戴德慈.北京科技大学体育馆导光管照明系统[J].照明工程学报,2008,19(04):25-32.

[4] 张佳岩. 导光管在建筑中的采光应用效果研究[D].北京建筑大学，2016.