Zou Zhihui / Li wei
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Light-pipes Lighting Technology and its Engineering Application
Zou Zhihui / Li wei
AbstractLight-pipe lighting system working principle and its application in architecture engineering are introduced, the advantages of the technology in comfort, economy , energy saving and environmental protection are analyzed with the practical application cases, and point out that it is an application technology of green lighting which worth popularizing.
Keywordslight-pipe, green lighting, economy, energy saving and environmental protection
0引言
據(jù)統(tǒng)計,照明用電量約占社會總用電量的20%,如何實現(xiàn)照明系統(tǒng)節(jié)電無疑成為節(jié)能環(huán)保措施中的重要一步。目前在建筑照明系統(tǒng)中,主要對光源、燈具和控制方式進(jìn)行節(jié)電處理,如采用高效節(jié)能型熒光燈、LED燈、無極燈等;或是采用高反射率的燈具以提升光效;亦或是采用智能照明控制方式來控制燈具的開關(guān)或者對燈具進(jìn)行調(diào)光以滿足不同需求時的照明照度水平,達(dá)到省電節(jié)能的目的。此外,一種更加節(jié)能的措施是直接利用自然光,而光導(dǎo)管的應(yīng)用使得這一技術(shù)手段在工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域得以更好體現(xiàn)。由于采集太陽光的光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本較低、實際照明效果好等優(yōu)點,因此在國外發(fā)展十分迅速,應(yīng)用也比較廣泛。如今這項技術(shù)已在國內(nèi)不少城市建筑中得以應(yīng)用(如圖1~2所示),節(jié)能效果十分顯著,應(yīng)得以充分地展示和推廣。
圖1 某大學(xué)體育館光導(dǎo)管照明實例
圖2 某城市低碳科技館光導(dǎo)管照明實例
1光導(dǎo)管照明系統(tǒng)工作原理
1.1系統(tǒng)組成
系統(tǒng)主要由以下三部分組成。
1.1.1采光區(qū)
利用透射和折射原理在室外利用采光罩高效采集太陽光、自然光,并將其導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部。其中采光罩有半球型、平板型等,采用亞克力材質(zhì),透光率高、抗沖擊性強、耐摩擦、能有效隔離90%以上的紫外線且表面平滑光亮,經(jīng)風(fēng)刮雨淋就可實現(xiàn)自清潔功能。采光罩外形如圖3所示。
圖3 光導(dǎo)管照明采光罩
1.1.2傳輸區(qū)
采用七彩無極限管道專利技術(shù)對導(dǎo)光管內(nèi)部進(jìn)行反光處理,光線反射率達(dá)99.7%、顯色指數(shù)達(dá)97%以上,光線傳輸距離長達(dá)20m,還可進(jìn)行0~90°隨意轉(zhuǎn)彎,可保證光線的傳輸距離更長、更高效。
1.1.3輸出區(qū)
由漫射器將比較集中的自然光均勻、大面積地照到室內(nèi)需要光線的各個地方,無論黎明、黃昏、陰天或雨天,該照明系統(tǒng)導(dǎo)入室內(nèi)的光線可始終保證充足。漫射器采用3D納米漫射鏡片或進(jìn)口PC、亞克力材料加工而成,不易破碎,透射性、擴(kuò)散性高,顯色性好、透光率達(dá)90%以上,漫射器外形如圖4所示。經(jīng)過漫射的光線為全光譜、無眩光、無頻閃,并能通過調(diào)光器進(jìn)行光線控制,調(diào)整室內(nèi)照度。光導(dǎo)管照明裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
圖4 光導(dǎo)管照明漫射器
型號管道尺寸(直徑)/mm采光罩有效日光采集面積/cm2參考照明面積(照度值按地面100lx,光導(dǎo)管長度4m)/m2光線可傳輸距離/m290DS350103223~289+330DS530212930~5015750DS530483830~5015M74-基礎(chǔ)單元740-50~7020M74-擴(kuò)光單元740-60~9020
1.2系統(tǒng)主要特點
光導(dǎo)管采光系統(tǒng)100%利用自然光照明,可有效降低建筑物內(nèi)部80%以上的白天照明,無能耗、一次性投資、無需維護(hù),使用壽命可長達(dá)25年,在節(jié)約能源、創(chuàng)造效益的同時也減少了大量CO2和其他污染物的排放。系統(tǒng)各部件所使用的材料為健康環(huán)保型材料,可全部回收利用,不產(chǎn)生二次污染。另外,為避免人們長期生活和工作在電光源下,光導(dǎo)管采光系統(tǒng)將陽光引入室內(nèi),減少電磁污染,降低疾病發(fā)病率的同時,也減少了因停電引起的安全隱患和用電引起的火災(zāi)隱患,通過直接采集室外自然光、太陽光,能過濾90%以上的有害紫外線,導(dǎo)入室內(nèi)的光線能達(dá)到全光譜、無頻閃、無眩光,使工作環(huán)境更加舒適,減輕人們長期處在燈光下引起的視覺疲勞。
1.3光導(dǎo)管照明的應(yīng)用范圍
主要應(yīng)用于單層建筑、單層地下室及建筑頂層空間等,其中包括大型的體育場館、工業(yè)廠房、物流中心、地下空間、學(xué)校、醫(yī)院、展覽館、火車站、地鐵站、機(jī)場、港口、商場、酒店、超市、別墅、高級會館等建筑,光導(dǎo)管照明系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用如圖5所示。
圖5 光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的應(yīng)用
2光導(dǎo)管照明的應(yīng)用案例
2.1光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的應(yīng)用
光導(dǎo)管照明技術(shù)是一項非常節(jié)能的照明技術(shù),無需消耗電能,通過利用自然光將室外光線引入室內(nèi),實現(xiàn)了真正意義上的綠色健康照明技術(shù)。隨著光導(dǎo)管技術(shù)的不斷進(jìn)步,產(chǎn)品價格也在不斷下降,該照明技術(shù)也得到了越來越多的推廣和應(yīng)用,僅武漢地區(qū)就有諸多項目投入使用,如武漢市民之家、武漢光谷未來科技城等項目。如今在國家大力倡導(dǎo)發(fā)展綠色建筑的政策下,該技術(shù)會有更好的發(fā)展及應(yīng)用前景,下面就該產(chǎn)品技術(shù)在武漢市民之家項目上的應(yīng)用進(jìn)行介紹和分析。
武漢市民之家位于湖北省武漢市江岸區(qū),占地面積99 200m2,建筑規(guī)模123 400m2,是武漢市重要的標(biāo)志性、景觀性建筑。
該項目采用了自然采光、太陽能光伏發(fā)電、透水地面、太陽能熱水、節(jié)能照明、中水回收、地源熱泵等20多項綠色節(jié)能技術(shù),是一座現(xiàn)代化的政務(wù)建筑,既有高新的科技元素,又有濃厚的藝術(shù)、人文氣息,還有時尚的環(huán)保理念,是現(xiàn)代化綠色建筑的典范。
本項目電氣節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用主要包括智能照明控制系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及光導(dǎo)管照明系統(tǒng),其中主要在建筑物地下室車庫及地上六層資料室、洽談及政務(wù)公開區(qū)、走廊等區(qū)域設(shè)置共30多套光導(dǎo)管裝置,下面僅以其在地下室部分的應(yīng)用對光導(dǎo)管照明系統(tǒng)進(jìn)行分析說明。
地下室設(shè)置的10套光導(dǎo)管主要應(yīng)用于車道及車位照明,光導(dǎo)管照明采光罩均安放在對應(yīng)地下車庫區(qū)域的地面綠化帶上,以保證日光充分導(dǎo)入地下車庫,如圖6所示。因光導(dǎo)管需要穿地下室頂板出地面,所以光導(dǎo)管需要預(yù)留孔洞尺寸,同時設(shè)備安裝時要做好防水處理,以免引起地下室漏水。采用290DS 開放式光導(dǎo)裝置,按每個結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)(8.4m×8.4m)中間均勻布置一根管徑350mm、長2m(根據(jù)地下室的土建基礎(chǔ)條件及照度要求)的光導(dǎo)管,采光罩距地面300mm,漫射器距地下室頂板400mm,管間布置間距8.4m,光導(dǎo)管照明裝置剖面圖如圖7所示。
圖6 武漢市民之家地下室光導(dǎo)管照明系統(tǒng)
圖7 光導(dǎo)管照明裝置剖面圖
根據(jù)GB 50033-2013《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中國光氣候分區(qū)圖可知,武漢地區(qū)位于Ⅳ區(qū),屬于光照資源比較富裕的地區(qū),天然光年平均總照度30klx≤Eq<35klx,以全年平均總照度值Eq=32.5klx進(jìn)行計算,通過visual軟件進(jìn)行照度計算分析,可得車庫光導(dǎo)管區(qū)域平均照度為79lx,高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車庫照度50lx,滿足使用要求。實際運營效果表明,該系統(tǒng)能在大多數(shù)天氣條件下滿足白天地下車庫的照度要求,尤其是晴朗天氣,照明效果最佳。同時地下室設(shè)置了智能照明控制系統(tǒng),在陰雨天和夜晚,當(dāng)室內(nèi)采光不足時開啟電光照明以滿足車庫照度需求。
2.2光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析
光導(dǎo)管照明系統(tǒng)提供的是日間照明,考慮陰雨天采光不足等因素,照明用電量以平均9h/天的時間計算。地下室該區(qū)域車道和車位照明均采用28W節(jié)能型單管熒光燈,共安裝100盞,設(shè)備安裝功率共計28×100=2.8kW,可得一天日間照明耗電量為2.8kW×9 h=25.2kW·h,另考慮燈具附件電子鎮(zhèn)流器的附加耗電量,按照明用電量的10%考慮,其用電量為25.2 ×10%=2.52kW·h,所以一天日間照明總耗電量約為27.72kW·h。電費以商業(yè)用電1元/ kW·h計算,一天日間照明總用電費用約為 27.72元。
由此可見,本項目地下室光導(dǎo)管照明系統(tǒng)一年可節(jié)省用電27.72×365=10 118kW·h,節(jié)約電費10 118×1=10 118元,另外考慮電力照明設(shè)備的維護(hù)費和更換費,分別按300元/年、200元/年考慮,一年可省500元,一年共省運營管理費用10 118+500=10 618元,本工程光導(dǎo)管照明設(shè)備費為7 500元/套,另考慮設(shè)備安裝費350元/套,地下室光導(dǎo)管總投入費用=10× 7 850=78 500元,靜態(tài)回收期=光導(dǎo)管照明設(shè)備總投入費用/年度總節(jié)省能源費用=78 500 /10 618=7.4年。
光導(dǎo)管的尺寸和長度對光線的引入有較大的影響,管徑越大,光導(dǎo)管越短,所引入的自然光越充分,光線傳輸損耗越小,照度越高。由于武漢市民之家地下室應(yīng)用的光導(dǎo)管管徑偏小,安裝數(shù)量較少,所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性還不算高,而根據(jù)已經(jīng)竣工投入使用的光谷未來科技城地下室的應(yīng)用情況,其優(yōu)越性就得到了充分的體現(xiàn),該項目地下室共采用了30多套大管徑的光導(dǎo)管裝置,建成后實際照明效果非常好,而且整個項目的靜態(tài)回收期大約為4年。
2.3光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的節(jié)能與減排分析
在節(jié)能環(huán)保方面,火力發(fā)電的生產(chǎn)過程中會耗費大量的非可再生資源,同時會釋放CO2等有害氣體,并伴隨著熱污染。
我國現(xiàn)在還是主要以火力發(fā)電為主的國家,且火力發(fā)電廠所使用的燃料基本上全是煤炭,據(jù)統(tǒng)計,全國煤炭消費總量的49%都用于發(fā)電。所以,在節(jié)能分析中主要計算煤的消耗量,其中每節(jié)約1度電,就相應(yīng)節(jié)約了0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤和4L凈水。因此,在武漢市民之家項目中地下室采用光導(dǎo)管照明系統(tǒng)后,一年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.4×10 118=4 047kg,折合原煤4 047k/0.714 3=5 665.7 kg;節(jié)約凈水4×10 118kW·h=40 472 L。
火力發(fā)電過程中每產(chǎn)生1度電會釋放出不同量的有害氣體:CO2為0.997kg/ kW·h,SO2為0.03kg/ kW·h,NOx為0.015kg/ kW·h,碳粉塵為0.272kg/ kW·h。由此該項目地下室采用光導(dǎo)管照明系統(tǒng)后,一年可減少CO2排放量10 118×0.997=10 087.6kg,SO2排放量10 118 ×0.03=303.5kg,NOx排放量 10 118×0.015=151.8kg,碳粉塵排放量 10 118×0.272=2 752.1kg。
綜上所述,煤炭屬不可再生資源,省電即可減少煤炭的消耗和因煤炭燃燒而引起的大氣污染,同時光導(dǎo)管照明系統(tǒng)完全利用自然光的物理特性,基于反射和折射的原理充分利用自然光,不需要消耗其它能源,而且光導(dǎo)照明系統(tǒng)大部分設(shè)施可進(jìn)行回收利用,真正做到了綠色、環(huán)保、節(jié)能減排。
3結(jié)束語
光導(dǎo)管照明是一項非常節(jié)能的照明應(yīng)用技術(shù),在建筑照明領(lǐng)域其應(yīng)用雖然有一定的局限性,易受日照條件及天氣的影響,適用于日照時間較長的地區(qū),且導(dǎo)光距離不宜過長,主要適用于工業(yè)廠房、大型室內(nèi)體育建筑、單層地下空間或頂層空間等,但是因為該應(yīng)用中自然光能達(dá)到舒適的照明效果、具有良好的經(jīng)濟(jì)性、又無需消耗能源并具有很好的節(jié)能減排作用,所以光導(dǎo)管照明仍是一項值得推廣的綠色照明應(yīng)用技術(shù)。
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光導(dǎo)管照明技術(shù)及其工程應(yīng)用
鄒智慧 / 李蔚
(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司,武漢 430014)
摘要介紹了光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的工作原理及其在建筑工程中的應(yīng)用,以實際工程應(yīng)用為例分析了該項技術(shù)在舒適性、經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能環(huán)保等方面的優(yōu)越性,指出它是一項值得推廣的綠色照明應(yīng)用技術(shù)。
關(guān)鍵詞光導(dǎo)管綠色照明經(jīng)濟(jì)性節(jié)能與減排