自然光导入照明综述

自然光导入照明综述

黄杭昌1 刘玉芳2

（1.福建鑫叶投资管理集团有限公司 福建 厦门 361022；2.厦门市和奕华光电科技有限公司 福建 厦门 361100）

【摘 要】面对现在能源和环境的问题，人们开始意识到能源的节约和可再生能源的开发与利用。自然光的开发与利用成为研究的热点之一，本文介绍了日光导入照明中光导管和光纤照明的发展概况、工作原理与技术特点，与对 其现存的问题与发展前景的简要分析。【关键词】自然光；光导管；光纤

Summary of Natural Light into the Light

Huang Hang-chang Liu Yu-fang

【Abstract】in the face of energy and environment problems now，people began to realize the energy saving and renewable energy development and utilization. The development and utilization of natural light to become one of the hot spot of research，this paper introduces the import the sun illumination light pipe and the development of fi ber optic lighting，working principle and technical characteristics，and the existing problems and development prospects of the brief analysis.【Keywords】 natural light；Light pipe；Optical fi ber【中图分类号】O439 　　　　　【文献标识码】A　　　　　【文章编号】1002-8544（2016）09-0196-021 自然光照明基础介绍

1.1 分类与工作原理

随着社会的发展，用电量越来越大，其中照明用电占总发电量的10%~20%，我国照明用电占总发电量的10%~12%[1]。目前我国电能主要是燃烧化石燃料产生，产生电能的同时也会产生大量的有害气体和粉尘污染环境并且对人们的正常生活构成威胁。1991年1月美国环保局（EPA）首先提出实施“绿色照明”和推进“绿色照明工程”的概念。1993年11月我国开始启动中国绿色照明工程，其中一条就是提倡自然采光。

太阳光是大自然赐予人类的宝贵财富，可说是取之不尽，用之不竭的，相较于其他能源来说是节能、经济、健康、提高工作效率的。针对太阳光的开发利用，人们开发出各种利用自然光的照明方式，建筑采光的发展史大致可以分成三个阶段。

a、传统的建筑采光阶段。房屋或公共建筑都有采光的——门和窗。对于向阳的建筑来说，开阔的门窗可以提升建筑的采光质量。但这种采光模式对于地理位置本来就不好的建筑的采光并没有太大的提高作用。

b、近代的采光阶段。采光窗、采光带、采光屋顶等对建筑的室内光线进行比较好的改善，但是仍有不少缺点：眩光、光线容易过强或过弱、占地面积巨大、安全隐患高等等。

c、现代的采光阶段。如光纤照明、光导照明等等。因为其占地面积少、易与建筑结合、采光效果卓越、100%不用电、使用寿命长、可以打破建筑本身进行采光等等无法代替的显著优点，开始活跃在各种市政项目、大型厂房项目、大型商业项目中。

在很多的古典建筑中也可以看到直接采光的方式，如万神庙、哥特式的教堂等。但是随着现代建筑的使用功能越来越复杂，建筑物的进深也随之越来越大，仅仅依靠传统的侧窗采光等采光方式已不能满足人们对照度的要求，如图一所示。

而采光带、采光天窗以及采光罩因其会产生眩光，并且受光线入射角影响较大如图二所示，会对使用者工作或生活中造成不便，使用时会感到不舒服。

图二 入射角的影响

目前新的自然光照明技术主要是利用光的折射、反射等特性，使太阳光进入室内，或到达需要的地方。

光导管的工作原理是通过采光罩将室外的自然光导入系统装置内，在通过导光管利用全反射原理将光传递到装置的底部，最后通过漫射器将收集到的光散射出去。

光纤照明的工作原理是通过室外的集光器采集光线，然后由光导纤维传送到室内，最后有室内的发光体将光线均匀的照射在室内各个角落。

1.2 典型应用领域

光导管因其节能、环保、健康、顶罩自清洁、防水易处理、保温隔热、减少制冷消耗、安装简便、无需维护、使用寿命长等特点被应用于隧道工程、商场、展览馆、体育馆、工厂、动物园、办公室、图书馆、停车场、景观照明应用等。

光纤照明在办公室、学校、超市、医院、健康机构、家庭照明、工业照明等照明领域均有典型应用，例如博物馆、美术馆等高显色性要求的场合应用。

2 自然光照明的发展史、现状与未来趋势

2.1 自然光的发展史

图一 侧窗采光效果

在1880年由的契卡洛夫最初提出并制造了第一个光导管照明装置，他是将大功率的弧光灯作为光源，经过集光系统，将产生的平行光通过管内的反光镜传递到室内，并用于导线车间的照明。

1881年美国的william Wheeler申请了第一个有关自然光照明装置中光导管的专利。但由于其效果并没有达到理想的要求，因而在随后的一段时间内发展停滞不前。

到了1963年，前苏联工程师布赫曼创造出了有缝光导管。这种光导管的内壁部分涂有镜面反射层，而未涂的部分就称作“光学缝”，光导管在传输光时，光会从光学缝中均匀的传

・196・节能环保Architectural Knowledge

建筑知识

播出来，所以称该装置为有缝光导管。

1975年，在CIE（COMMISSIONINTERNATIONALEDELECLAIRAGE）年会上，前苏联学者J.B.Aijenberg等[9]研制出新的光导管，被称作“有光学缝的光导管”。

1975年，Gennady Bukhman和Julian Aizenberg共同申请了有关塑料薄膜镀铝材料的有缝光导管专利。

1978年加拿大的物理学教授Lornewhitehead提出了基于内部全反射的棱镜光导管。并在1979年申请了棱镜光导管的第一个专利。在1982年投入生产使用，截面为方形的具有粗糙棱镜结构外层的棱镜光导管。

19年3M公司将反射率达到98%的光学薄膜成功推向市场。目前棱镜光导管在很多发达国家都有在使用。

国内光导管的研究较晚，中国建筑科学研究院建筑物理研究所、河南省电力勘测设计院、平顶山姚孟电厂和江苏武进崔桥玻璃钢照明器材厂共同研制了我国第一个有缝光导管照明系统，光导管直径为0.5m、长30m，并在姚孟电厂三四号机组的燃油汞房内进行了安装测试。其后上海灯具研究所研制了0.16m、长6m的有缝光导管，实验证明其有良好的照明效果。1995年重庆建筑大学研制出了直径为0.55m、长为78m的有缝光导管，其内壁涂有一层高纯度的铝膜，反射比0.85，在某发动机装配车间进行了安装。

随着70年代光纤通信的发展，玻璃光纤被应用与照明行业，随后日本引用了美国研制的小直径的塑料光学玻璃制成了第一种大芯塑料光纤，并在80年代开始进入实用性阶段，发展成一种新型的照明方式，并被广泛应用。

1979年8月由日本的LaForet工程公司推出的第一台光纤自然光照明装置“向日葵”。

1995年美国能源部橡树岭国际实验室研制出电力补充的组合型自然光照明系统，该装置白天主要以采集太阳光进行照明为主，而在无太阳的夜晚或阴雨天时则以电源照明为辅。

1997年，俄罗斯的Aizenberg教授和瑞士的Heliobus教授研发出了采集自然光，再通过光纤传输到室内用以照明的系统。

我国于20世纪90年代初开始进行光纤采光系统的研究，虽起步较晚，但发展比较快，并在2001年自行研制开发出全自动跟踪太阳光的采光装置。

2.2 自然光照明的现状

国外光导管技术的研究相对比较成熟。光导管在国外发展十分迅速，应用也比较广泛，许多公司生产这种产品，目前英国Monodraught公司、日本共荣株式会社、美国ODL、索乐图公司等多家公司都具有一定的光导管生产能力。

目前由索乐图进口的光导管占据了我国大部分市场份额，国内相关厂家规模还尚小，并且关键光导管管道材料技术均由国外引进。

目前市场上销售的光纤照明产品：日本LaForet工程股份有限公司的“向日葵”；瑞士的Parans光纤照明系统；南京帅瑞光导纤维式阳光导入器，导光光纤采用进口的塑料光纤；南京杰特光纤式阳光导入系统。“向日葵”的关键组成部分有集光装置菲涅尔透镜、太阳追踪定位装置、传输光纤、光输出装置，该系统还可以过滤紫外线等有害射线，其光纤材料为石英光纤，但石英光纤的传输长度被在20米的范围内。

光纤作为局部空间高品质照明：在建筑的屋顶或侧面进行安装，以高倍聚光比高效汇聚太阳直射光，通过光纤传导至室内各个角落，再由灯具均匀散射至室内。设备集成度高，安装方便。但是目前市场上导光系统中的导光光纤价格不菲，而一套系统至少要用15m长。因此光纤照明系统价格比较昂贵。

2.3 未来趋势

在“十三五”绿色建筑与建筑节能要求的背景，有利于自然光照明的发展。光导管行业乐观估计市场规模增长

在25%以上，到2020年市场规模达到139亿元，如图三所示。

图三

现市场上整套光纤照明装置属于奢侈品，不适合普通民用普及。如能开发出低成本的光纤照明装置，使之用于民用，光纤照明的市场将非常巨大。

现自然光照明大多应用在大型的建筑上，以后将会逐渐的向室内照明推广。

2.4 自然光照明系统对绿色建筑的影响及加分项

1）“十三五”规划中第五条这样写道：坚持绿色发展，着力改善生态环境。在提出的六大要求中谈到了如下几点：

推动低碳循环发展。推进能源，加快能源技术创新，建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系。提高非化石能源比重，推动煤炭等化石能源清洁高效利用。加快发展风能、太阳能、生物质能、水能、地热能，安全高效发展核电。加强储能和智能电网建设，发展分布式能源，推行节能低碳电力调度。有序开放开采权，积极开发天然气、煤层气、页岩气。改革能源，形成有效竞争的市场机制。3 自然光照明现存的突出问题及期望

3.1 现存的突出问题

（1）由于各地区、各季节和各时段的照度的不稳定性和不均匀性，造成光导管系统采光的差异性，人们在使用时会感到室内光线的时强时弱。因此，还需要加设调节光通量的装置。

（2）光导管传输距离一般控制在直径的20倍，只能安装在相对封闭建筑物的顶层或次顶层，抑或是地下空间负一层或负二层。

（3）现有光导管漫射出来的光，主要集中在光导管的整下方的附近。光照度分布不均匀，单个光导管的实际照度并不低，令其仅直射下方有点浪费，也不符合国家关于照度均匀性的相关要求。

（4）光纤照明是由太阳直射光作为光源，因此受天气和气候的影响较大。

（5）光纤照明系统太阳追踪的精确度。目前广泛采用的是光电传感器根据阳光的强度变化进行追踪以及利用软件编写计时时钟模块进行追踪的两种方式。对于第一种方式，太阳光容易受到天气及周围环境的变化而对光强产生影响，导致了追踪装置对太阳方位的追踪精度低。第二种方式随着时间的积累，因其无反馈环节，追踪装置的追踪误差等不到自动校准，并且越积越大。

（6）光纤照明，聚光装置的光学效率低、有效聚光比低。

3.2 期望

自然光导入照明系统产品，目前在整个建筑业态中的总体渗透率偏低。但是，相信随着我国节能减排的深入推广，以及绿色建筑逐步普及，加之自然光导入照明本身的技术创新与进步，我们坚信以光导管和光纤为代表的自然光导入照明必将迎来有着良好的市场前景。

参考文献

[1]吴延鹏.马重芳采集太阳光的光导管照明技术在建筑在建筑室内的应用.

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