采集太陽光的光導管綠色照明技術在建筑中的應用
2007-11-09 16:27:25 瀏覽:5469次 來源: 作者:

能源和環境是當前全球共同關注的焦點。照明用電隨著社會的發展已占總發電量的1020%。目前,我國照明耗電大體占全國總發電量的1012%。2001年我國總發電量為14332.5億千瓦小時,年照明耗電達1433.251719.9億度,為在建設中的三峽水利發電工程投產后年發電能力(840億)的兩倍左右。照明用電的迅速增加,不但要增加大量的電力投資,牽制國民經濟的發展,而且還要產生大量污染。

天然光是大自然賜予人類的寶貴財富,可以說是取之不盡、用之不竭,相比其他能源具有清潔、安全的特點,充分利用天然光可節省大量照明用電,節約照明用電又可間接減少自然資源的消耗及有害氣體的排放。目前我國的電能主要由燃燒化石燃料生產,在獲得電能的同時向大氣排放了大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害氣體,這些氣體是造成全球各種環境問題的重要原因。19911月美國環保局(EPA)首先提出實施“綠色照明(Green Lights)”和推進“綠色照明工程(Green Lights Program)”的概念。199311月我國國家經貿委開始啟動中國綠色照明工程,19951116召集八家單位研討“中國綠色照明實施規劃”,其中的一條就是倡導自然采光。因此,天然采光是綠色照明的重要方面。

長期以來,人們一直對天然光存在一種誤解,認為天然光進入室內的同時帶來的熱量要多于人工光源的發熱量。事實上,如果提供相同的照度,天然光帶來的熱量比絕大多數人工光源的發熱量都少。也就是說,如果用天然光代替人工光源照明,可以大大減少空調負荷,有利于降低建筑物能耗。

采集太陽光的光導管綠色照明系統能夠把白天的太陽光有效地傳遞到室內陰暗的房間或者易燃易爆不適宜采用電光源的房間,改變目前很多建筑“室外陽光燦爛,室內燈火輝煌”的局面,可以有效地減少電能消耗。光導管還可以用于辦公樓、住宅、商店、旅館等建筑的地下室或走廊的自然采光或輔助照明,并能取得良好的采光照明效果,是太陽光利用的一種有效方式。

2 建筑用光導管系統的基本結構和類型

建筑用光導管系統主要分三部分,一是采光部分;二是導光部分,一般由三段導光管組合而成,光導管內壁為高反射材料,反射率一般在95%以上,光導管可以旋轉彎曲重疊來改變導光角度和長度;三是散光部分,為了使室內光線分布均勻,系統底部裝有散光部件,可避免眩光現象的發生。

從采光的方式上分,光導管有主動式和被動式兩種。主動式是通過一個能夠跟蹤太陽的聚光器來采集太陽光,這種類型的光導管采集太陽光的效果很好,但是聚光器的造價相當昂貴,目前很少在建筑中采用。目前用得最多的是被動式采光光導管,聚光罩和光導管本身連接在一起固定不動,聚光罩多由PC或有機玻璃注塑而成,表面有三角形全反射聚光棱。這種類型的光導管主要由聚光罩、防雨板、可調光導管、延伸光導管、密封環、支撐環和散光板等組成,如圖1所示。

1 采集太陽光的光導管綠色照明系統結構簡圖

光導管從傳輸光的方式上分主要有兩種類型:有縫光導管和棱鏡光導管。有縫光導管的外形是長圓柱形,內表面涂有鏡面反射涂層,并留有一條長的出光縫,使光線射到工作面上,這種光導管加工工藝復雜,光在傳播的過程中損失較大,造成整個光導管裝置效率不高,因此這種類型的光導管在采集太陽光的光導管系統中很少采用。棱鏡薄膜空心光導管是美國3M公司研制的,這種光導管是根據光輻射在光密介質中的全反射原理制造的,棱鏡薄膜厚0.5mm,3M公司的產品采用PMMD塑料制造,一次反射率可以達到99.99%,為目前世界上反射率最高、性能最好的光導管材料。薄膜的一個面是平的,另一個面具有均勻分布的縱向波紋。這些波紋的截面是頂角為90°的三角形棱鏡,這種薄膜的特點是入射到其平的一面上的光線如果不被反射,就會射進材料內部,把棱鏡薄膜卷成圓柱形管子,沿管長方向射來的一束光線就可以通過光導管端面進入,經過多次反射,到達管子的另一端。棱鏡薄膜空心光導管薄膜材料的選擇和制作工藝是個關鍵的問題,不標準的光學表面和不純的光學材料會導致光在傳播過程中的損失增加,甚至部分光線從光導管中散射出去,而且傳播路徑越長損失越大。這些問題都有待進一步研究解決。

從光導管的安裝方式上來分,又分為頂部采光和側面采光兩種。目前國外應用的采集太陽光的光導管系統幾乎全部采用頂部采光,側面采光還未見有文獻報道。

3 光導管技術的國內外研究現狀

光導管自出現以來,人們一直沒有停止對它的研究和改進,最初人們研究光導管主要是為了傳輸燈光,到了上個世紀80年代以后才開始研究采集太陽光的光導管系統。

國外光導管技術的研究相對比較成熟。俄羅斯和美國在這個領域里都取得了可喜的成績。1880年,俄國的Chikoleve、Wheeler、Molera和美國的Cebrian分別公開了他們有關光導管的發明。1881Wheeler 在美國申請了第一個光導管專利。由于材料和工藝水平的限制,早期的光導管效果并不理想,因而導致其發展在一段時間內處于停頓狀態。隨著光學纖維技術的發展,很多研究者開始意識到光纖可以輸送光能并在醫學方面得到了應用,但它的缺點是尺寸太小,用于輸送大的光通量用于建筑照明是不經濟的。1963年前蘇聯工程師Gennady Bukhman提出用空心圓柱形管道輸送光,并沿著光導管連續輸出光通量的新思想,并于1965年制成第一個大尺寸的光導管。1981年加拿大的Whitehead公司與美國3M公司合作,利用完全內反射原理開發出棱鏡導光管。1999年,英國諾丁漢大學的G..Oakley等考察了已經商業化的光導管的采光性能。美國、瑞典也開展了相應的研究工作。由于采集太陽光的光導管綠色照明系統結構簡單,安裝方便,成本較低,實際照明效果很好,因此在國外發展十分迅速,應用也比較廣泛,許多跨國公司生產這種產品,目前英國Monodraught公司、日本共榮株式會社、美國ODL公司等多家公司都具有一定的光導管生產能力。     

我國目前在光導管的研制和應用領域仍然十分落后,還不具備大規模生產光導管的能力。主要原因在于光導管用的高反射率薄膜我國還沒有掌握其生產工藝,光導管的傳輸效率有待于進一步提高,在基礎理論研究和產品設計、實踐操作等方面的工作還很不夠,因此在我國光導管技術還沒有大規模進入市場。

4建筑用光導管技術的應用實例

建筑用光導管結構簡單、安裝拆卸靈活、造價低廉,能夠造成舒適的建筑光環境,在歐美等國家得到廣泛應用。圖2和圖3是國外的一所住宅在同一個房間安裝光導管前后室內光環境對比。國外的經驗證明,安裝光導管后的住宅室內的光環境質量顯著改善,在晴天的白天完全可以不再使用電光源照明,光導管導入的自然光完全可以滿足人們的日;顒拥恼彰骱筒晒庑枨,而且對人們的身體健康有利,安裝采集太陽光的光導管的住宅大大地減少了“季節綜合癥”的發病率。

 

2 沒有安裝光導管的住宅    3 同一房間安裝光導管后的效果

4為北京工業大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室舊址安裝的側面采光光導管。圖5為新建的北京工業大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室(北京工業大學高科技能源樓)安裝的頂部采光光導管系統。在晴天的情況下,側面采光和頂部采光都能滿足室內的照度要求。

4 側面采光光導管室外部分             5 頂部采光光導管

5建筑用光導管技術的未來發展

開發應用采集太陽光的光導管綠色照明技術的目的就是要把光導管變成一種節約能源、保護環境的綠色產品。這就需要從綠色照明的角度來研究整個光導管采光照明系統,即從光導管的制造、使用前后和使用中這個全過程去考慮如何節約能源和保護環境,不但要考慮照明時不產生光污染,而且在系統壽命終結后便于分解和回收利用。導光裝置是整個照明系統的核心部分,光導管的性能是直接關系到裝置本身是否屬于綠色產品的關鍵問題。因此光導管的采光性能還需要進一步的提高。

采集太陽光的光導管綠色照明技術是綠色能源科技的一部分,屬于可持續發展能源技術。由于國外光導管技術相對比較成熟,借鑒國外的先進技術和經驗,形成我國自主知識產權的光導管技術和產品是有可能的。光導管技術為高效的光能傳輸提供了一種有效的途徑,目前國內外的研究還大多集中于光導管本身的性能研究,未來的發展趨勢將更偏重于光導管和其他建筑環境技術的結合,從而為建筑節能和改善室內環境品質發揮更大的作用。隨著人們對可再生能源的興趣不斷增加,自然通風和自然采光技術越來越多地運用到現代建筑中,然而直到今天自然光照明和自然通風技術一直是各自發展自成體系。開發與自然通風相結合的光導管系統將進一步拓寬光導管的應用范圍,滿足建筑物對自然采光和自然通風的要求,可以使光導管的功能更加完善,在采光的同時使室內保持良好的自然通風,對于建筑節能和改善室內空氣品質具有積極意義,必將得到更大的發展。

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