2010年注册建筑师经验交流-采集太阳光的光导管绿色照明技术在建筑中的应用

摘要：光导管技术是太阳能光利用的一种方式，属于绿色照明技术，该技术为光能的高效传输提供了可能的途径。本文对建筑用光导管技术的发展历史和研究现状做了总结，并指出该技术的未来发展趋势。光导管技术与自然通风相结合，可以使光导管的功能更加完善，在采光的同时使室内保持良好的自然通风，对于建筑节能和改善室内空气品质具有积极意义。
　　关键词：光导管  绿色照明  自然采光  自然通风
　　1 引言
　　能源和环境是当前全球共同关注的焦点。照明用电随着社会的发展已占总发电量的10～20%。目前，我国照明耗电大体占全国总发电量的10～12%。2001年我国总发电量为14332.5亿千瓦小时，年照明耗电达1433.25～1719.9亿度，为在建设中的三峡水利发电工程投产后年发电能力（840亿）的两倍左右。照明用电的迅速增加，不但要增加大量的电力投资，牵制国民经济的发展，而且还要产生大量污染。
　　天然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，相比其他能源具有清洁、安全的特点，充分利用天然光可节省大量照明用电，节约照明用电又可间接减少自然资源的消耗及有害气体的排放。目前我国的电能主要由燃烧化石燃料生产，在获得电能的同时向大气排放了大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害气体，这些气体是造成全球各种环境问题的重要原因。1991年1月美国环保局（EPA）首先提出实施“绿色照明（Green Lights）”和推进“绿色照明工程（Green Lights Program）”的概念。1993年11月我国国家经贸委开始启动中国绿色照明工程，1995年11月16日召集八家单位研讨“中国绿色照明实施规划”，其中的一条就是倡导自然采光。因此，天然采光是绿色照明的重要方面。
　　长期以来，人们一直对天然光存在一种误解，认为天然光进入室内的同时带来的热量要多于人工光源的发热量。事实上，如果提供相同的照度，天然光带来的热量比绝大多数人工光源的发热量都少。也就是说，如果用天然光代替人工光源照明，可以大大减少空调负荷，有利于降低建筑物能耗。
　　采集太阳光的光导管绿色照明系统能够把白天的太阳光有效地传递到室内阴暗的房间或者易燃易爆不适宜采用电光源的房间，改变目前很多建筑“室外阳光灿烂，室内灯火辉煌”的局面，可以有效地减少电能消耗。光导管还可以用于办公楼、住宅、商店、旅馆等建筑的地下室或走廊的自然采光或辅助照明，并能取得良好的采光照明效果，是太阳能光利用的一种有效方式。
　　2 建筑用光导管系统的基本结构和类型
　　建筑用光导管系统主要分三部分，一是采光部分；二是导光部分，一般由三段导光管组合而成，光导管内壁为高反射材料，反射率一般在95%以上，光导管可以旋转弯曲重叠来改变导光角度和长度；三是散光部分，为了使室内光线分布均匀，系统底部装有散光部件，可避免眩光现象的发生。
　　从采光的方式上分，光导管有主动式和被动式两种。主动式是通过一个能够跟踪太阳的聚光器来采集太阳光，这种类型的光导管采集太阳光的效果很好，但是聚光器的造价相当昂贵，目前很少在建筑中采用。目前用得最多的是被动式采光光导管，聚光罩和光导管本身连接在一起固定不动，聚光罩多由PC或有机玻璃注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱。这种类型的光导管主要由聚光罩、防雨板、可调光导管、延伸光导管、密封环、支撑环和散光板等组成。
　　光导管从传输光的方式上分主要有两种类型：有缝光导管和棱镜光导管。有缝光导管的外形是长圆柱形，内表面涂有镜面反射涂层，并留有一条长的出光缝，使光线射到工作面上，这种光导管加工工艺复杂，光在传播的过程中损失较大，造成整个光导管装置效率不高，因此这种类型的光导管在采集太阳光的光导管系统中很少采用。棱镜薄膜空心光导管是美国3M公司研制的，这种光导管是根据光辐射在光密介质中的全反射原理制造的，棱镜薄膜厚0.5mm，3M公司的产品采用PMMD塑料制造，一次反射率可以达到99.99%，为目前世界上反射率最高、性能最好的光导管材料。薄膜的一个面是平的，另一个面具有均匀分布的纵向波纹。这些波纹的截面是顶角为90°的三角形棱镜，这种薄膜的特点是入射到其平的一面上的光线如果不被反射，就会射进材料内部，把棱镜薄膜卷成圆柱形管子，沿管长方向射来的一束光线就可以通过光导管端面进入，经过多次反射，到达管子的另一端。棱镜薄膜空心光导管薄膜材料的选择和制作工艺是个关键的问题，不标准的光学表面和不纯的光学材料会导致光在传播过程中的损失增加，甚至部分光线从光导管中散射出去，而且传播路径越长损失越大。这些问题都有待进一步研究解决。

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