自然光光导照明在建筑采光中的应用

１ 引言
图１ 圆形光导照明系统结构 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｔｕｂｕｌａｒ
ｓｋｙｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ
图２ 方形光导照明系统结构 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｓｋｙｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ
自 然 光 光 导 照 明 是 上 世 纪８０年 代 末 在 国 外 普 遍流行的一种新型照明装置， 该照明装置无需常 规能源就能提供白天室内照明， 减小了由常规能
①反射光线； ②透射光线。光导管的材料必须满足全 反射率比较高， 且相对稳定的要求， 如图６所示。自然 光线的波长范围在４００￣８００ｎｍ之间， ＭＩＲＯ－ ＳＩＬＶＥＲ材 料的光导管全反射率高且相对稳定， 所以适合作为传 输自然光的光导管。光导管与弯管连接能自由弯曲和 转动， 可以将室外自然光线导向室内需要光线的地方， 且重量轻， 固定和安装方便。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｆｉｎｅ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｄａｙｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ， ｅｘｔｅｒｉｏｒ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ， ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｅｒｆｏｒ－ ｍａｎｃｅ， ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｄａｙｌｉｇｈｔ ｅｑｕｉｐ－ ｍｅｎｔ， ｔｕｂｕｌａｒ ｓｋｙｌｉｇｈｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｎ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ． Ａｔ ｌａｓｔ， ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｄａｙｌｉｇｈｔ ｔｕｂｕｌａｒ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｄｅ－ｗｉｎｄｏｗｓ， ａｂｏｖｅ－ｗｉｎｄｏｗｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｔ， ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｄａｙｌｉｇｈｔ ｔｕｂｕｌａｒ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｉｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
图３ 采光装置 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｄａｙｌｉｇｈｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
２．２．２ 导光装置 主要由光导管与弯管组成 （ 见图４） 。光导管是由
特殊材质制作的， 具有超强反射和汇聚日光的作用。 随着科技的进步， 光导管材料制作工艺不断提高， 材 料的反射率也不断增大， 现在国内外普遍使用的光导 管材料反射率在０．９２ ￣ ０．９９之间。但是光在不同反射率 材料的光导管内传输时， 其传输效果是不一样的 （ 如 图５） ， 经过ｎ次反射后， 反射率高的光强剩余量大。所 以选择高反射率的材料制作光导管与弯管， 其传输效 率相对比较高。
图５ 光在不同反射率材料的光导管中传输衰减曲线 Ｆｉｇ．５ Ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｉｍｉｓｓｉｏｎ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｍａｔｅｒｔｉａｌｓ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ 另外， 光导管对材料的全反射率稳定性也有一定 的要求。光在光导管中传输时， 光线主要分成两部分： １６
Ａｐｒ． ２００７ Ｖｏｌ． ２６ Ｎｏ． ４ １９２
图７ 漫射装置 Ｆｉｇ．７ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
由ＰＣ工 程 塑 料 特 殊 加 工 制 成 ， 具 有 良 好 的 透 光 性、漫射均匀性、不易自燃且离火自熄， 并具有极好 的隔热和隔音功效； 外形美观， 规格多样， 可分为： 磨砂型、颗粒型、钻石型、半圆型、方型等多种； 漫 射器透过率可以根据用户不同的需求制定， 可以在 ０．８￣０．９５范围内变动。
自然光光导照明在建筑采光中的应用
马新慧 （ 中机十院国际工程有限公司， 北京市 １０００８３） Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｒ ｃｈｉｔｅｃｔｕｒ ａｌ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｏｆ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｓｋｙｌｉｇｈｔ Ｍａ Ｘｉｎｈｕｉ （Ｃｈｉｎａ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ＴＤＩ Ｉｎｔｅｒｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｇｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ）
３ 自然光光导照明在建筑采光中的应用
目前， 自然光光导照明在国内外很受欢迎， 应用 于建筑采光中的白天照明产品更是倍受关注。在国外 许多跨国公司生产这种产品， 如英国的蒙诺加特 （ Ｍｏｎｏｄｒａｕｇｈｔ） 公司、加拿大的索乐图 （ Ｓｏｌａｔｕｂｅ） 公 司、美国的欧德（ ＯＤＬ） 公司等， 产品广泛应用于体育
然光线并导入系统内部， 再经过特殊制作的导光装置 强化与高效传输后， 由系统底部的漫射装置把自然光 线均匀导入到室内任何需要光线的地方。从黎明到黄 昏， 甚至是雨天或阴天， 该照明系统导入室内的光线 都十分充足。 ２．２ 系统结构
自然光光导照明系统主要由三部分组成： 采光装 置、导光装置、漫射装置， 其结构原理如图１ （ 圆形光 导照明系统） 、图２ （ 方形光导照明系统） 所示。
由图１０可知， 采光天窗受光线入射角的影响很大， 随着光线入射角的变化， 照射面大小及位置相应改变，
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自然光光导照明在建筑采光中的应用 （马新慧） １９３
建筑电气 !
ＢＵＩＬＤＩＮＧ
２ ０ ０ ７ 年第４ 期 ＥＬＥＣ ＴＲ ＩＣ ＩＴＹ
且易产生局部聚光现象； 而自然光光导照明不会因光 线入射角的变化而改变， 且照射面积大， 出射光线均 匀， 无眩光， 不会产生局部聚光现象。采光天窗受室 内吊顶结构及传输距离的限制， 采光面积相对比较大， 导致安装和防水不易处理； 而自然光光导照明根据不 同的屋面有不同的安装方法及防水措施， 不受室内吊 顶结构等的影响。在光线传输方面， 小孔径自然光光 导照明传输距离可达１０ｍ左右， 大孔径的自然光光导 照明传输距离可达２０ｍ以上。
ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ
从上面的曲线图可知： 从黎明到黄昏， 甚至是雨 天或阴天， 自然光光导照明系统导入室内的光线仍然 十分充足， 可以提供８小时以上的白天室内照明， 从而 可以减少白天室内电耗， 有效缓解电力照明用电的紧 张局面。而电力照明却会给室内带来一定的热负荷效 应， 提高能源消耗。另外， 自然光光导照明出射光为 全色光， 光线柔和， 照度分布均匀， 显色性好且属于 低频率的频闪光， 光谱连续分布在人眼可见范围内， 所以不仅视觉效果好， 而且长时间观察不易疲劳。大 量的实验证明： 自然光照明条件下的视觉对比灵敏度
参考文献
１ 王爱英， 时刚． 天然采光技术新发展． 建筑学报， ２００５ （ ５） ： ６４．
２ 沈天行， 李伟． 一种无缝棱镜导光管及其光线传输原 理和应用研究． 照明工程学报， ２００５ （ ６） ： ７．
３ 周萌， 李宝骏等． 太阳能光导采光的设计方法． 新能 源， １９ （ ８） ： １７－ ２１．
图９ 侧窗采光采光量随进深度的变化曲线 Ｆｉｇ．９ Ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｄａｙｌｉｇｈｔ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ
ｓｉｄｅ－ｗｉｎｄｏｗｓ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｒｏｏｍ ｄｅｅｐｔｈ
３．３ 采光天窗与自然光光导照wk.baidu.com比较
图８ 自然光光导照明与电力照明效果对比曲线 Ｆｉｇ．８ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｄａｙｌｉｇｈｔ ｔｕｂｕｌａｒ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ａｎｄ
高于电力照明５％￣２０％以上。 ３．２ 自然光光导照明与侧窗采光
侧窗采光随着与窗距离的增加室内照度显著降 低， 如图９所示， 窗口处的照度值与房间最深处的照度 值之比大于５：１， 视野内过大的照度对比容易引起不舒 适感。侧窗采光受周围建筑的影响很大， 且过大的采 光面积会对室内温度造成一定的影响， 还不易调光。 而自然光光导照明就不会出现上述情况， 采光装置大 量采集自然光线， 导光装置强化并高效传输光线， 漫 射装置均匀漫射光线， 使照明系统出射光线均匀无眩 光且亮度大。另外光导照明系统配调光装置， 可根据 用户需求很方便地进行调节。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ Ｎａｔｕｒａｌ ｄａｙｌｉｇｈｔ Ｔｕｂｕｌａｒ ｓｋｙｌｉｇｈｔ Ｄａｙｌｉｇｈｔ ｔｕｂｕｌａｒ ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ｌｉｇｈｔｉｎｇ
摘 要 介绍了自然光光导照明系统的原理 与结构， 包括采光装置、导光装置、漫射装置的 工作原理、外观样式、材料性能要求、特性曲线 等， 阐述了国内外自然光光导照明在建筑采光中 的应用场所和生产企业。通过分析比较自然光光 导照明相对于侧窗采光、天窗以及电力照明的照 明效果， 说明自然光光导照明在建筑采光中的应 用与前景。
关键词 自然光照明 光导管 光导照明 建筑采光
源带来的环境污染， 光源取自室外自然光线， 通过特 殊的传输与分配后， 导入到室内需要光线的地方， 得 到由自然光带来的特殊照明效果， 是一种绿色健康、 节能环保的新型照明产品。
２ 自然光光导照明系统的原理结构
２．１ 系统工作原理 自然光光导照明系统通过采光装置聚集室外的自
自然光光导照明相对于侧窗采光、天窗以及电力 照明， 都有很大优势。下面主要从与电力照明、侧窗 采光和采光天窗的照明效果对比上， 来说明自然光光 导照明在建筑采光中的应用与前景。 ３．１ 自然光光导照明与电力照明
图８表示的是直 径 为３３０ｍｍ的 自 然 光 光 导 照 明 系 统在夏季某一阴天下， 输出的照明效果与白炽灯照明 的对比。
４ 结论
自然光光导照明应用于建筑采光中可以取得良好 的经济效益和社会效益， 可以有效地减少白天的照明 电耗， 充分利用太阳能。自然光光导管技术是太阳光 利用的一种方式， 为太阳能的高效传输和利用提供了 可能的途径。自然光光导管技术与自然通风相结合， 可以使自然光光导照明系统的功能更加完善， 在采光
的同时使室内保持良好的自然通风。作为一项可持续 能源技术， 光导管技术必将在建筑采光中得到广泛应 用。
（ ａ） 采光天窗 （ ａ） Ａｂｏｖｅ－ｗｉｎｄｏｗｓ ｆｏｒ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ
（ ｂ） 自然光光导照明 （ ｂ） Ｎａｔｕｒａｌ ｄａｙｌｉｇｈｔ ｔｕｂｕｌａｒ ｌｉｇｈｔｉｎｇ 图１０ 采光天窗与自然光光导照明效果比较 Ｆｉｇ．１０ Ｅｆｆｅｃｔ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａｂｏｖｅ－ｗｉｎｄｏｗｓ ｆｏｒ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｎａｔｕｒａｌ ｄａｙｌｉｇｈｔ ｔｕｂｕｌａｒ ｌｉｇｈｔｉｎｇ
场馆、学校、国防军事、地下空间、医院、疗养中心、 商场超市、工业厂房、展览馆、动物园、海洋馆、办 公场所、监狱、物流中心、港口、机场、火车站、地 铁、轻轨、移动房、酒店、住宅、别墅、高级会馆等 场所。在国内， 从２１世纪初， 一些科研院所和企业就 从事类似的自然光光导管照明的研究。其中， 以北京 东方风光新能源技术有限公司发展较快， 在国外的技术 经验基础上， 经过几年的努力， 开发研制出自主品 牌— ——亿特威系列自然光导照明系统， 开创了我国自然 光导照明系统的新局面。
图６ 不同材料对应于不同波长的全反射率曲线 Ｆｉｇ．６ Ｆｕｌｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｔｏ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ
２．２．３ 漫射装置 （ 见图７）
图４ 导光装置 Ｆｉｇ．４ Ｔｕｂｕｌａｒ ｓｋｙｌｉｇｈｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
２．２．１ 采光装置 采光装置外形美观， 规格多样， 由ＰＣ工程塑料特
殊加工制成， 外表面用ＵＶ涂料紫外线上光工艺处理，
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２ ０ ０ ７ 年第４ 期 ＥＬＥＣ ＴＲ ＩＣ ＩＴＹ
装置耐磨， 有良好的隔热、隔音性能， 耐紫外线照射， 透光性强， 采光效率高， 不易破碎， 重量轻， 燃烧时 不释放有毒物质， 离火自熄， 是一种既安全又不污染 环境的绿色产品。外观样式主要有： 半球形， 钻石形 和方形 （ 见图３） 。