光导照明系统的基本原理及使用概况

文｜北京东方风光新能源技术有限公司 徐登辉 刘志东

1 引言

光导照明出现于20世纪80年代。1981年，加拿大的Whitehead公司与美国3M公司合作，利用全反射原理开发出了棱镜导光管。1999年，英国诺丁汉大学的G·Oakley等考察了已经商业化的光导管的采光性能。美国、瑞典等公司也开展了相应的研究工作。该照明系统以室外自然光线为光源，通过特殊的传输装置将光线导入到室内需要照明的场所，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。该系统无需使用电能等常规能源，因此不存在因火力发电带来的环境污染，同时也没有因用电带来的安全隐患。由于采集太阳光的光导管绿色照明系统结构简单，安装方便，成本较低，实际照明效果很好，因此在国外发展十分迅速，应用也比较广泛，有许多公司生产光导管和基于光导管的照明产品。目前，光导照明系统已是国外普遍流行的一种新型照明系统。

2 光导照明系统的优势

2.1 节能

光导照明带来的能源节约被证明是极其显著的。美国能源部联邦能源管理计划报道，光导照明可以显著降低建筑内部照明能源消耗，甚至可以达到75%～80%。能源部设在科罗拉多州戈登市的美国国家可再生能源实验室的热实验大楼采用了日光照明，使得该大楼的照明系统比同类型没有采用光导照明的大楼节约了75%的能源。整栋大楼除中心服务区外，全部使用日光照明，也使得大楼人工冷却系统的能源负荷得到降低。能源部的报告称，许多商业建筑可以通过优化使用日光照明战略降低三分之一的能源成本。

2.2 健康

研究表明，长期缺乏光导（日光）照明会造成人体生物钟的紊乱，轻微的生物钟紊乱会导致“时差综合症”，更严重的紊乱将导致短期或长期的健康问题，而这些都已在生产线工人身上得以证实。光导照明使人们沐浴在阳光下，能以健康愉快的心情去工作，这会大大提高人们的工作效率。

3 光导照明系统的工作原理及结构

3.1 系统工作原理

自然光光导照明系统通过室外采光装置收集室外的自然光线并将其导入系统内部，再经由特殊制作的光导管传输后，由安装于系统另一端的漫射装置把自然光线均匀发散到室内任何需要照明的地方。利用该系统得到的室内照明亮度从黎明到黄昏，甚至是在阴天都十分充足。而为了实现这一目标，提高系统的采光及传导效率，使采光装置采集的光量尽可能多，而在光导管内的损失尽可能少，系统在结构和材料两个方面进行了精心的设计。

3.2 系统结构

光导照明系统主要由采光装置、光导管、漫射装置三部分组成，其系统结构如图1所示。采光装置、光导管和漫射装置三部分的性能将决定系统的总体性能。

图1 光导照明系统结构示意图

（1）采光装置

采光装置用来收集室外的太阳光，根据不同环境的要求可有不同的外形和结构。采光装置通常包括采光罩和防雨板，这种结构的优点是既照顾了外形美观的需要，又可以根据不同的房顶结构改变防雨板的形状。

采光罩一般由PC材料注塑而成，外表面经过抛光处理，透光率高。采光罩外表面可以覆一层防紫外线的涂层，这样一方面可使进入装置内的紫外线大大减少，另一方面也能延缓采光罩的老化过程，使装置经久耐用。采光罩表面覆有耐磨擦涂层，即使长期处在恶劣的风沙环境中，如风沙较频繁的西北、华北等地区，也不会因长期摩擦而影响其透光性；采光罩的适应温度范围为－40℃～125℃，即使在昼夜温差较大的地区也可以安全使用。采光罩有良好的隔热、隔音性能，采光效率高，不易破碎；燃烧时不释放有毒物质，离火自熄，是一种既安全又环保的产品；可以有多种形状，比如半球形、钻石形和方形等。

为了提高采光效率，采光装置的结构还可以进行各种改进。以北京东方风光新能源技术有限公司开发的尚拓（Suntube）系列产品为例，该产品在采光装置中增设了一个增光装置（如图2所示），这个装置可以有效地提高系统利用早晚太阳光的能力。增光装置的悬挑安装对采光器采集其背面的自然光基本无影响。此外，我们还在研究能够提高光导系统工作效率的主动寻光系统（如图3所示）。该系统能够通过控制盒旋转悬臂，使悬臂上的反射镜始终迎向太阳的方向，从而通过镜片的反射提高光导管内的光通量。其核心是一个定位系统，该定位系统能够感应太阳的位置，并对镜片进行精确控制。

图2 尚拓光导照明系统的增光装置

图3 尚拓光导照明系统主动寻光系统示意图

（2）光导管

光导管是把采光装置收集的太阳光导入室内的管道，一般为铝制结构，质量较轻。光导管可以按形状分为直光导管和弯管两种，弯管可以有不同的弯曲角度，如尚拓光导照明系统的光导管，弯曲角度变化范围为0～90°（如图4所示）。为了使管道内传播的光线经多次反射后的损失降到最小，光导管的内壁镀有一层高反射率的薄膜。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提高，现在普遍使用的光导管内壁材料的反射率都在98%以上。由于光在光导管内传输时要经过多次反射，光导管的反射率越高，其光强剩余量也就越大，所以选用高反射率的材料制成的光导管，其传输效率也比较高。

图4 尚拓光导照明系统的光导管

（3）漫射装置

漫射装置由PC材料或PMMA材料制成，具有良好的透光性、漫射性和非常好的隔热、隔音效果，不易着火且离火自熄。从光导管传至室内的光线不是完全均匀，因此要使室内的光线均匀分散，就要借助于漫射装置的光散射特性（如图5所示）。透镜具有汇聚或发散光的特性，把透镜做得很薄，就能够用于漫射器的制备。例如菲涅尔透镜，即可被用于漫射装置的制备。它具有改变光传播方向的作用，而且本身可以做得非常薄，无论是在透光性还是在散射光特性方面都有很好的性能。此外，晶体颗粒及棱镜等也都可以起到发散光的效果。

图5 漫射装置光散射特性示意图

漫射装置外形美观，规格多样，可制成各种类型，如磨砂型、颗粒型、钻石型、圆型、方型等。

（4）其他附属装置

一个完整的光导照明系统还包括其他附属装置，比如防雨板、调光阀、电控装置等，其作用是使光导系统的功能更完善，外表更美观。图6展示出了尚拓光导照明系统的一些附属装置。

图6 尚拓光导照明系统的附属装置

4 光导照明的使用现状及应用前景

在光导照明出现前，天窗采光的方式被广泛用于大型厂房，但天窗采光有容易产生局部聚光现象等缺陷；而自然光光导照明的照明效果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，采光面积相对较大，导致安装难度较大、防水不易处理，而自然光光导照明针对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，大孔径自然光光导照明传输距离可达20m以上，并且还可以使用弯管，这使得系统的安装更加灵活，适应性更强。

近年来，由于能源供应日趋紧张、环境问题日益为人们所重视，光导照明系统越来越多地受到国内外相关人士的关注，并且在国外得到广泛的应用。目前，国外有很多生产此类产品的公司，如蒙诺加特公司、欧德公司、Fox Lite公司等，其产品广泛应用于各种场合，如大型体育场馆和公共建筑以及办公楼、住宅、商店、旅馆、白天阴暗的房间或地下室、地下车库等建筑的采光照明中。

光导照明系统在国内起步比较晚，但发展很快。国内从事光导照明的企业勇于创新，积极吸收国外的先进技术和理念，开发适合于国内建筑实际情况的产品。其中部分产品具有自主知识产权，北京东方风光公司开发的尚拓光导照明产品就是典型的代表之一，该产品已经在国内得到了广泛的应用（如图7、图8所示）。

图7 尚拓产品在奥林匹克森林公园项目中的应用

图8 尚拓产品在某企业生产车间项目中的应用

近几年，国务院连续出台了一系列关于建筑节能的标准和法规，如2005年的《公共建筑节能设计标准》和《中华人民共和国可再生能源法》，以及2006年国务院印发国家发改委等部门制定的《节能减排综合性工作方案》，提出政府将强化新建建筑执行能耗限额标准全过程监督管理，实施建筑能效专项测评，对达不到标准的建筑不予办理开工和竣工验收备案手续，不准销售使用。这同时也给光导照明行业的发展提供了新的契机。

光导照明系统不但可以把光线传输到其他照明方式不能达到的地方，而且还可提高室内环境品质。目前，我国照明耗电量占总发电量的15%左右。2009年我国的总发电量为3.6506×1012kWh，年照明耗电达5.4759×1011kWh。据专家统计，白天照明用电占照明用电总量的50%以上，主要集中在商业和工业领域。而普及使用自然光照明系统（光导照明技术）可使白天用电量下降50%以上，相当于每年节电约1.09518×1011kWh。按每度电0.8元人民币计算，每年可节省电费约876.14亿元人民币。此外，每节电1kWh，就相当于节省了0.4kg煤和4L净水，同时还减少了1kg二氧化碳和0.03kg二氧化硫的排放。

大量的实验检测和数据对比证明，光导照明技术应用于大型体育场馆和公共建筑以及地下室、地下车库等建筑的采光照明中可以取得良好的视觉照明效果和经济效益。应用此技术可以充分利用太阳能，有效地减少白天的照明电耗。

另外，值得一提的是，自然通风和自然光照明的结合应用正越来越多地出现在现代建筑之中。与自然通风相结合的光导管系统可以同时满足建筑物对自然采光和自然通风的需求，使自然光照明效果更加完善，在给室内照明的同时使室内保持良好的自然通风，既利于建筑节能又改善室内空气质量，必将得到更好的发展。未来，光导照明的发展方向将更加倾向于同其他建筑环境技术相结合，为建筑节能和改善室内环境品质作出更大的贡献。开发与自然通风相结合的光导管系统将进一步拓宽光导管的应用范围，对于建筑节能具有积极意义。

5 结束语

光导照明系统既能充分利用太阳能，有效地减少白天的照明电耗，缓解能源供应紧张的局面，在节约能源方面发挥巨大的作用，又能够提供良好的采光效果，因此可以在建筑采光领域中取得良好的经济效益和社会效益。光导照明系统还可以与自然通风系统相结合，在满足采光的同时使室内保持良好的自然通风。