光导纤维照明系统在清华低能耗示范楼中的应用

硕士研究生非笔试课程考核报告（以论文或调研报告等形式考核用）2011 至2012 学年第一学期考核课程：新型建筑材料提交日期：2011 年11 月29 日报告题目：光导纤维照明系统在清华低能耗示范楼中得应用考核成绩考核人姓名隋倩学号2011050205年级研一专业建筑技术科学所在学院建筑成规学院山东建筑大学研究生处制光导纤维照明系统在清华低能耗示范楼中得应用隋倩（山东建筑大学建筑成规学院建筑技术科学专业研究生，山东省济南市邮编250101）摘要: 光导纤维采光照明系统是一种利用太阳能的新型绿色照明装置, 它采用光导纤维将太阳光直接导入室内进行照明,营造出了有益健康的照明环境。

本文主要介绍了该系统的原理、构成以及目前在建筑中的应用。

最后以清华大学低能耗示范楼为实例，对该系统采光照明效果作出相应分析。

关键词: 太阳光光导纤维自然光照明Day light system in tsinghua universityLow energy consumption of building model applicationSuiQian(ShanDong Jianzhu university , ShanDong Jinan 250101)Abstract: The day light system is a kind of using solar energy ,it uses optical fiber to transfer sunlight directly into indoor , it creating healthy lighting environment .This paper mainly introduces the composition and principle of the system ,and the application in building at present .The last part shows the effect of the day light system in Tsinghua university low energy consumption model building .Key words: The sunlight, optical fiber , natural light lighting引言20 世纪70 年代的能源危机后，节约能源成为全球共同关注的焦点，照明用电随着社会的发展已占能源消耗的相当比例。

据国际照明委员会统计，全世界照明用电约占总发电量的9％~20％，而照明用电中，由于灯具的发光效率低于百分之百，其中用于发光的电量仅不过25％，其余则以热能方式散发，不但造成大量的能源浪费，而且加大了对环境的污染。

而太阳光恰恰是大自然赐予人类的宝贵资源，取之不尽、用之不竭，并且太阳能与其它能源相比具有清洁、安全的特点, 是真正的健康、绿色能源。

充分利用自然光照明既节约大量人工照明用电, 又保护环境, 已经成为现在绿色照明的一项重要措施。

然而建设用地的日益紧张和建筑功能的趋于复杂，城市建筑渐渐向高层化和密集化发展，仅依靠传统的采光方式已经不能满足建筑物内部的采光要求。

尤其是低层建筑和进深较大的建筑，即便是晴朗天气，室内光线也不满足人们工作生活需求，一定程度上增加了人工照明的电能损耗，而且长期在这种环境中，人体健康也会受到影响。

甚至一些黑房间和地下室，太阳光根本无法到达，只能依靠人工照明。

一、太阳光的利用为了节能和改善室内光照环境，充分利用太阳光资源，国内外许多照明工作者进行了大量的研究，提出不少利用太阳光的采光方法和设想。

其中光导纤维是20 世纪70 年代开始应用的高新技术，最初应用于通讯，80 年代开始应用于照明领域。

光导纤维导光是利用全反射原理将太阳光经传送至室内，它与其它的用镜子反射、管道传送阳光等产品的形式相比，在设计和安装施工上更为自由，由于光导纤维较为柔软，且在光线的传输中无损耗，可以把阳光送达室内的任何地方。

二、国内外研究现状近年来，光导纤维导光技术一直是许多发达国家研究的热点，日本、美国、欧洲等一些国家纷纷开发研制相应的产品，尤其是土地资源极为匮乏的日本。

1979 年8 月La Foret 工程公司推出了第一台用于采集太阳光的照明系统——“Himawari”（中文意译为“向日葵”）。

目前Himawari 是业内最具市场性的产品，在国内外已有大量的应用实例。

我国于20 世纪90 年代初开始进行光纤采光系统的研究，虽然起步较晚，但发展较快。

2001年自行研制开发出全自动跟踪太阳光的采光装置。

三、光纤采光照明系统的原理、优点及构成光导照明系统( Day lighting system ), 是继光热、光电系统后诞生的利用太阳能的新方式。

它由太阳跟踪系统控制, 令阳光经聚光元件汇聚后耦合到光纤,光纤滤波后传输到日间采光效果不好的房间进行照明。

由于光纤本身较为柔软，光导纤维采光照明系统便于铺设，易于安装且光照分布均匀。

光导照明系统还可以通过光学滤波来消除太阳光中的紫外、红外、宇宙高能辐射粒子等有害射线,减少长期采用该照明系统对人体健康的损害。

由于滤除了红外线，在采光之余没有光热，可以大幅度降低室内空调制冷的功耗,。

另外光导纤维照明系统具有光电隔离的特性, 可运用于水下、油库、弹药库、博物馆、浴室等对照明安全性要求较高的场所。

图1 系统的光线传输示意图图1为光导纤维照明系统光线传输的示意图，其中太阳光1 发出的光线，经过聚光组件2 的汇聚，通过光纤3 传至弥散灯头4 后输出。

系统主要分为以下几部分：聚光装置———太阳光集光机、导光装置———光导纤维光缆、散射装置———光线投射器。

图2 聚光组件“向日葵”图3 光导纤维采光照明系统中的光缆光导纤维采光照明系统由以下主要设备构成：1、太阳光集光机，其作用为跟踪收集光线；2、光导纤维光缆，用于传送阳光；3、光线照射器，作为照明设备，散射收集的光线，为室内照明。

由于光纤采光照明系统采用太阳光，在太阳光照较弱的阴天、夜晚无法发挥照明功能效，因此系统需与其它照明方式结合使用。

四、空芯光纤的结构设计光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。

光导纤维由前香港中文大学校长高锟发明。

微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。

通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。

随著光纤的价格日渐降低，光纤也被用于照明、医疗和娱乐的用途。

光纤呈园柱形，它由纤芯、包层与涂敷层三大部分组成1、纤芯纤芯位于光纤的中心部位（直径d1约9～50 微米），其成份是高纯度的二氧化硅，此外还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗，五氧化二磷等，掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率 (n1) 。

2、包层包层位于纤芯的周围（其直径d2约125 微米），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。

而掺杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的光折射率 (n2) ，使之略低于纤芯的折射率。

3、涂敷层光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。

一般涂敷后的光纤外径约1.5 厘米。

在以往的研究中，采光传输通常采用的传光材料为光学玻璃纤维, 但光学玻璃纤维的传光效率比较低, 没有很好的发展前景。

空芯光导纤维是在高透明有机或无机材料上蒸镀金属高反射膜而制成新型传光材料。

它具有优良的弯曲性能, 同时因采用了空芯结构,基本不存在空气对光的吸收, 从而大大降低了损耗, 是一种比较理想的传光材料。

空芯光纤分为泄漏型波导( n > 1)和全反射型波导( n < 1)。

太阳光中主要能量波长介于550~ 1500nm 之间, 因此在地球上能利用的太阳光辐射的波长范围在380~ 2500nm即可。

在此波长范围内, 根据波导和色散理论, 需选择泄漏型波导传输太阳能和太阳光。

故在研制出了以石英毛细管作为光纤的基体材料，以金属银和聚甲基丙烯酸甲酯高分子材料( Polymethacry-lates, 简称PMMA )作为薄膜制备材料，复合金属薄膜结构的太阳能传输光纤——Ag/泄漏型空芯光纤。

根据菲涅尔反射公式,高电导率的金属膜，随着电导率的增加,电磁波的穿透深度趋近于零, 即反射率接近100% ——发生近似全反射。

根据这一理论可知, 金属型空芯波导光纤可以传输电磁波。

但对其进行进一步的理论分析便发现, 金属型空芯波导的最低传输损耗发生在横模TE上, 而不是发生在与太阳光波导分部相近的基模HE上。

因此, 要有效地传输太阳光, 则必须使空芯波导能进行HE模的低损耗传输。

通过电磁场理论分析, 我们可以通过在金属膜上涂覆一层或多层透过性好的电介质层实现这一要求。

这种电介质/金属型空芯波导的断面结构大致如图4所示。

1图4 空芯光导纤维断面构造示意图五、光纤采光照明系统在清华低能耗示范楼中的应用2008年奥运建筑的“前期示范工程”——我国首座超低能耗示范楼22日在清华大学校园东区落成。

这座“绿色”建筑集中使用了近百项国内外最先进的建筑节能技术。

该楼总建1陈红萍, 韩建军, 赵修建《传输太阳能用Ag /PMMA空芯光纤的制备》武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室筑面积约3000平方米，地下一层，地上四层，由办公室、实验室和辅助用房组成，每图5 清华低能耗示范楼节能技术平方米约8000元安装成本。

图6 清华低能耗示范楼太阳光集光器其中，地下室的日间采光就运用了光纤采光照明系统。

示范楼南侧有3个彩色立柱,其上将被安装自动跟踪太阳光的透射式采光机。

这种采光机能自动跟踪太阳,进行阳光采集,再通过光纤传导,就能把太阳光引进地下室,最远阳光传导距离可达200米。

此外,示范楼屋顶还将设置碟式太阳光收集器,利用抛面反射镜将平行的太阳光汇聚, 通过传输,也能为地下室提供照明。

图7 清华大学低能耗示范楼室内外光照对比图8 清华大学低能耗示范楼地下停车场照明情况参考文献:[1]游璧菁，光纤导光设备在建筑上之应用可行性初探，第三届中国城市住宅研讨会论文集可持续环境: 城市住居素质,2003. 7。

[2]郑振译，利用光纤的建筑照明，中国照明电器, 2000. 3。

[3]陈红萍、韩建军、赵修建，传输太阳能用Ag /PMMA空芯光纤的制备，武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室，2007.3。

[4]刘柯、鲍家声，光纤照明系统在建筑中的应用，南京大学建筑研究所，2006.4。