光纤采光照明系统在建筑中的应用

摘要：光纤采光照明系统是一种新型绿色照明装置，它利用光导纤维将太阳光直接导入室内进行照明，为室内提供长达九个小时的日照，并营造出有益健康的照明环境。

本文主要介绍了系统的原理、构成以及目前在建筑中的应用。

关键词：太阳光光导纤维照明
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：ＤａｙｌｉｇｈｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｂｙＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃｓｉｓａｎｅｗｇｒｅｅｎｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ，ｗｈｉｃｈｔｒａｎｓｍｉｔｓｓｕｎｌｉｇｈｔｉｎｔｏｂｕｉｌｄｉｎｇｓｂｙｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓ，ｐｒｏｖｉｄｅｓｓｕｎｌｉｇｈｔａｂｏｖｅｎｉｎｅｈｏｕｒｓａｄａｙａｎｄｃｒｅａｔｅｓａｈｅａｌｔｈｙｌｉｇｈｔｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｂｕｉｌｄｉｎｇｓ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｓｕｎｌｉｇｈｔ，ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃｓ，ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ
引言
２０世纪７０年代的能源危机后，能源和环境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!，照明方面所消耗的能源约占初级能耗的４!。

目前，我国照明用电大体占总发电量的１０￣１２!，而照明用电中真正用于发光的仅不过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。

众所周知，太阳光是大自然赐予人类的宝贵财富，可以说是取之不尽、用之不竭，与其它能源相比具有清洁、安全的特点。

充分利用太阳光不但可节省大量照明用电，而且能够提供更健康、舒适的光环境，符合人的生物特性，对人们的身心健康产生有利影响。

近年来，随着建设用地的紧张和建筑功能的日趋复杂，城市建筑趋向高层化和密集化，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。

尤其是那些较低层建筑和进深很大的大型建筑，即使是晴朗天气，室内也昏暗阴沉，这在无形之中增加了人工照明的电能损耗，而且对长期在此环境中生活与工作的人们身心健康带来不良影响。

最为严重的是那些无窗房间和地下室，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。

例如：利用反射镜的反射、棱镜组的全反射、导光管或光导纤维导光，将太阳光直接引到室内需要照明的地方；也可以间接的利用太阳光的红外辐射，产生热发电供照明使用；或是利用光电效应，将太阳光直接变成电能用于照明等等。

其中光导纤维是２０世纪７０年代开始应用的高新技术，最初应用于光纤通讯，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由光纤传送至室内，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有明显和较高的自由度优势，能方便地把阳光送达室内的任何地方。

二、国内外研究现状
近二十多年来，光导纤维导光技术一直是西方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出相应的产品，其中日本是世界上最早开展采集太阳光用于室内照明研发活动的国家之一。

１９７９年８月ＬａＦｏｒｅｔ工程公司推出了第一台采集太阳光的照明系统“一眼Ｈｉｍａｗａｒｉ”，中文意译为“向日葵”。

【１】８０、９０年代日本在集光机和信号控制方面做了大量研究，此后又陆续研制出各种型号。

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，但发展比较快。

在２００１年自行研制开发出全自动跟踪太阳光的采光装置，经过测试，主要性能指标居国外同类产品先进水平，并且在性能价格比方面处于国际领先水平。

三、光纤采光照明系统的原理及构成
光纤采光照明系统是将太阳光利用技术与纤维光学技术结合起来，通过聚光组件收集汇聚太阳光，利用传光光纤将太阳光直接引入照明，不需要光热、光电、光化学等中间转换过程，极大程度的提高了太阳光的利用率。

图１是系统的光线传输示意图。

太阳光１发出的
光纤采光照明系统在建筑中的应用
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＤａｙｌｉｇｈｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＩｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｂｙＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃｓｉｎＢｕｉｌｄｉｎｇｓ
刘柯Ｌｉｕｋｅ鲍家声Ｂａｏｊｉａｓｈｅｎｇ
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。

下面以日本研制的Ｈｉｍａｗａｒｉ为例将各部分的作用和原理作一简单介绍。

１、太阳光集光机——
—跟踪收集光线
安装在室外的太阳光集光机，由两部分组成：一个是由聚光组件和太阳光跟踪传感器组成，它由电动机组驱动并由丙烯树脂制成的圆顶覆盖；另一个是由一个包含了筒座的控制器构
成。

太阳光跟踪传
感器探测太阳位置并传递信号至跟踪控制电路，控制电路输出驱动信号驱动相应电机，通过机械传动机构带动太阳光集光器转动，从而实现跟踪并对正太阳的功能（图２）。

２、光导纤维光缆——
—传送阳光
光导纤维光缆的作用是把太阳光集光机汇聚的浓缩太阳光传送到预定地方。

光导纤维通常由纤芯及内外保护层三部分构成。

光线在芯中传送，利用纤芯（光穿过的物质）与覆盖材料（包裹纤芯的物质）折射率的不同使得某一个射角以下的光不会漏到外面，在纤芯中以全反射的方式进行传递。

对纤芯的材料而论，必须保证是在可见光范围内，对光能量应损耗最小，以保证照明质量。

目前使用的纤芯材料有石英、玻璃和塑料三种，传输效果最好的属石英光纤，以１５ｍ长的高纯度的石英光纤构成的光缆为例，实际由输出端照射出来的光大约是直射太阳光的５０％。

现国外使用最长的光缆达１６０多米。

３、光线照射器——
—散射光线
光线照射器相当于光源的灯具。

一般导入的太阳光从光缆出射端以５８度角向外铺张，出光端附近亮度惊人，出射端的光线可以直接照射到被照物体，但光线所照到的范围有局限，所以通常为光缆终端装上多种类型的光线照射器，一可以起到固定和保护光纤终端的作用，二可以把光线散开。

从安装形式上可分为：固定式、转动式、移动式和电子遥控式等多种（如图５所示）。

在更多的实际应用中，光缆终端还可安装专用的反射器、透镜、滤色片或散射体而获得不同
图７系统运作示意图
图６光纤定位与安全阳光采集原理
图１系统光线传输示意图
图２太阳光集光机结构示意图图３光导纤维结构示意图
图４光缆外形图固定式转动式移动式图５光线照射器的几种形式
的照明效果。

由于光纤采光照明系统利用的是太阳光，而太阳光在不同时间有不同的强度，例如阴天、夜晚等，系统就不能正常发挥功效，因此系统需与其它照明方式结合使用。

四、光纤采光照明系统的特性
１、滤除阳光中有害成分，提供安全阳光
系统利用光学原理，分离阳光中的有害成分，如图６所示，凸透镜聚焦太阳光时，聚焦折射作用使太阳光中不同波长的各类光线在光轴线上形成不同距离的聚焦焦点，各种光在聚焦后其焦点前后位置出现较大差异。

波长较短的紫外线焦点靠近透镜，波长较长的红外线焦点远离透镜。

光导纤维的入射端精确定位在紫红外线之间的可见光焦点上，通过物理距离差异定位将紫外线大幅度的拦截下来，达到大幅排除对人体伤害的紫外线的目的。

同时对太阳中的Ｘ、Ｙ、Φ、β、γ、α等等具有放射性的射线也全部进行了排除。

少量的紫外线、红外线和大量的可见光进入光缆，使室内阳光中保
持一定安全量的
紫外线杀菌和一
定量红外线辅射
增热，给人以高品
质安全阳光的感
受。

２、利用光纤，
可自由传送阳光
从理论上讲，
光线是直线传播
的，以往通常用镜
子反射、透镜折
射、管道传送等方
式来改变光线的
方向，但这些方法
都存在传送距离
短，损耗多等缺
点。

利用光纤这种
新型的材料，使光
线沿着光纤的路
径在内部以全反
射的方式进行传
送，实现了柔性传
播，并且设计和施
工的自由度较高，
可以轻松的把太
阳光传送到建筑
物内部、北侧、地
下室等空间，实现
“北屋变南屋，地
下变地上”。

３、节约能源，运行费用低
首先系统充分利用太阳光进行照明，节约了照明电力消耗。

其次整套系统的运行，只有太阳光集光机在追踪太阳时需要少许电力，系统在日落后，会自动调整到第二天日出附近的位置上待机，第二天日出时再开始运作，节省电力。

当使用太阳能电池驱动时，则完全不耗电，实现彻底节约能源。

除此以外，太阳能电池还可以将多余的电能加以储存，留做阴雨天或晚上释放使用。

４、光与电分离，提供安全照明
光纤与光纤终端只传输光，本身不带电，不发热。

排除了很多隐患，确保了照明的安全性。

图１３水中照明
图１１宾馆大堂
图１２展厅效果
室外地下室
图８清华大学节能示范楼
图９居室使用前后对比
图１０健身房
五、光纤采光照明系统在建筑中的应用
整套系统结构简单、安装方便，适用于已建、新建建筑。

图７是系统的运作示意图，将太阳光集光机安装在室外屋顶、阳台、地面、墙壁等能一年四季均照得到太阳光的地方，通过光导纤维光缆接入室内，这样每天从太阳升起到落下，室内都有固定（可移动）阳光的直射，能够九个多小时享受太阳光无微不至的呵护。

由于光纤采光照明系统实现了白天完全或部分利用太阳光，提高了室内环境品质，并大大节省电能，目前在地下室、商场、写字楼、住宅、医院、博物馆等建筑中应用，并在不断地推广中。

现将国内外应用的情况简述如下：
１、为建筑物内部、北侧、地下空间、中庭等太阳光无法到达的场所提供太阳光
近年来，随着建筑物逐渐向地下延伸以及无窗化格局的增多，人们不仅要追求高效率的技术方案，也越来越注重创造更加人性化的空间。

光纤采光照明系统可以完全改变这些空间以往必须依赖人工照明的方式。

系统传送的光与外界自然的太阳光有同样的变化规律，使人能真实感受到早、中、傍晚的光色变化，有助于创造不改变人类本来的生活节奏的环境。

图８是清华大学超低能耗示范楼，这幢四层建筑是我国２００８年奥运建筑前期示范工程楼。

示范楼南侧地面的彩色立柱上安装了两台日本１２眼的Ｈｉ－ｍａｗａｒｉ，为地下室提供自然采光。

２、改善办公室、居室的光环境
目前城市人群每天平均约２０小时在室内活动，大量的活动空间缺乏日光照射，时刻需要电灯照明，而人工光源无论是光色还是频率都很难达到人眼的舒适程度。

长期下去眼睛就非常容易疲倦，进而引起种种不适。

利用光纤采光照明系统能很好的解决这个问题，系统导入的太阳光，对人体健康及视力最为有益，不仅能够提升空间的光环境质量，而且还能够提高工作和学习的效率。

由于系统排除了大部分紫外线，所以无须担心家具、装饰品等的褪色、受损。

大部分红外线（含热的光线）也已被拦截掉，因此夏季空调的效果也不会下降。

图９是在晴天的白天，同一间房间在开启设备前后的室内光环境对比。

可以看出，光环境质量有显著的改变，导入的太阳光能够完全满足人们日常活动的照明和采光要求。

３、进行室内日光浴
系统为室内提供了安全健康的太阳光，使人们不出门即可轻松享受日光浴，不用担心皮肤被晒黑和灼伤，尤其适合老年人和病人。

目前已在居室、健身房、美容室、老年人公寓、医院病房等应用（图１０）。

４、室内种植植物，创造出绿色的建筑空间
通过把太阳光导入室内，使在建筑内部种植植物成为可能，植物的引入，对生活和工作在其中的人身心健康都有很大的益处。

图１１是某宾馆大堂安装的光纤采光系统为室内植物提供太阳光照的实例。

可以看出阳光、植物的引入使得整个中庭显得生气勃勃。

５、特殊的环境与场所的照明
光纤采光照明系统所具有的特性可以适合于以下特殊环境与场所：
１）通过光纤定位滤过了大量的紫外线、红外线及有害射线，适合于博物馆、美术馆等对红外、紫外线成分有严格限制的场所的珍贵文物、艺术收藏品的照明（图１２）。

２）系统的光是太阳的可视光，适合作为自然而美观地表现物体色彩的摄影光源。

３）系统本身只传输光，不带电，适合于潮湿环境、水下和易燃易爆等危险场合的照明（图１３）。

结语
光纤采光照明系统是一种新型的照明装置，符合绿色照明工程节约能源、保护环境、提高照明品质的要求。

随着产品的成熟及新应用领域的开发，系统的应用将更加广泛，这对于我国政府倡导的建筑节能，发展可持续再生能源技术和推动绿色照明工程有着积极的意义。

感谢南京玻璃纤维厂春辉实业有限公司和浙江五矿公司太阳光事业部提供的图片
（第一作者为南京大学建筑研究所研究生；２００６．４）
注释：
【１】张耀明．采集太阳光的照明系统研究．中国工程科学，２００２，４（９）
参考文献：
１．ＧｅｒｓｉｌＮ．Ｋａｙ．ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃｓｉｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＬｉｇｈｔｉｎｇＭｅｔｈｏｄｓ，Ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ＭｃＧｒａｗ－Ｈｉｌｌ，１９９９．
２．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。

３．郑振译．利用光纤的建筑照明．中国照明电器，２０００．３）
４．网站：ｗｗｗ．ｈｉｍａｗａｒｉ．ｃｏｍ．ｃｎ。