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基于光导传输技术的主动式管式天然光导入系统(图)

2009-07-29 作者：袁宗南，张昕，詹庆旋来源：中国照明网浏览量：网友评论： 0 条

摘要： 基于实体核心式、空腔棱镜式和空腔镜面式三种光导传输方式，论文归纳总结了目前已经成熟的主动式管式天然光导入系统的系统性能和应用分析。

　　[摘要]基于实体核心式、空腔棱镜式和空腔镜面式三种光导传输方式，论文归纳总结了目前已经成熟的主动式管式天然光导入系统的系统性能和应用分析。

　　[关键词] 主动式天然光导入系统;实体核心式;空腔棱镜式;空腔镜面反射式

　　Application Research Overview on Active Tubular Daylight Guidance System Based on Light Transmission Technology

　　YUAN ZONGNAN ZHANGXIN ZHAN QINGXUAN

　　ABSTRACT：Based on three kinds of light transmission technology, they are solid core systems, hollow prismatic light guides and hollow mirrored guides respectively. Dissertation summarizes systems performances and application analyses of active tubular daylight guidance system that is now a fully-fledged technology.

　　KEYWORDS：Active Daylight Guidance System; Solid Core Systems; Hollow Prismatic Light Guides; Hollow Mirrored Guides

　　按照集光方式将管式天然光导入系统分为主动式与被动式两种。目前国内外的应用和研究中，主动式集光是主要方向，本文主要探讨主动式集光类型的应用情况。

　　典型的管式天然光导入系统由三部分技术组成，包括外部集光器、光导传输装置、内部照明器，其中的关键技术组成部分是连接内外的光导传输装置，即所谓的光导管。根据现有的技术研究和实践积累，可将光导传输方法和技术分为四类，即光线透镜式(beam/lens systems)、空腔镜面反射式(hollow mirrored guides)、空腔棱镜式(hollow prismatic light guides)、实体核心式(solid core systems)[1]。在实际应用中，主动式集光结合实体核心式、空腔棱镜式和空腔镜面式传输方式形成了几种较为成熟的综合系统，包括以光纤方式传输的日本采光向日葵(Himawari)系统、美国的HSL(Hybrid Solar Lighting)系统、德国的Solux系统;以空腔棱镜式传输的欧洲Arthelio系统;以空腔镜面式传输的瑞士Heliobus系统，柏林和马来西亚的定日镜(Heliostats)系统。

　　1　实体核心式传输的主动式系统

　　1.1 采光向日葵(Himawari)系统

　　该系统在70年代由Kei Mori教授研究并发展，其第一代产品在1979年出现。整个系统的集光部分采用GPS定位、凸镜组聚焦提升阳光照度、光纤导入、阳光自动跟踪系统[2]。集光器是由一组六角形的菲涅尔透镜排列组成蜂窝状(图1)。感光装置设置在集光器的中心位置，具有内部时钟和一组微型处理器用来跟踪太阳。当在天气较好的情况下，太阳感应装置能够准确的确定太阳的位置;当太阳被云层遮挡时，集光器会依靠内部时钟和微型处理器的计算调整方向，使得云层运动离开，不再遮挡太阳光时，集光器能够准确的定位太阳位置;当日落的时候，系统会根据时钟和处理器的计算自动转向日出的方向并关闭系统至第二天日出。[2]

图1 Himawari系统中最大的集光器。[2]

　　该系统集光器上每个菲涅尔透镜通过聚焦太阳光线导入连接的一根直径1毫米的光纤。几根光纤捆绑形成整个系统的导光传输部分。最小的组成是由6个菲涅尔透镜联合6根光纤，在此基础上形成12根、18根等组合方式。此外，光导纤维的入射端精确定位在紫红外线之间的可见光焦点上，通过物理距离差异定位将紫外线大幅度的拦截下来，经测试只有1/2160的紫外线进入室内。同时对太阳中的X、Y、Φ、β、γ、α等具有放射性的射线也全部进行了排除[2]，最终进入少量的紫外线、红外线和大量的可见光。

　　该系统应用数据记录中显示，当集光器接收98000lx的太阳光线时，每根大约15米的光纤在透镜的集光下能够输出1920lm的光通量。向日葵导入的阳光其照射覆盖范围的直径与距离的比例关系是1.1:1[2]。

　　Himawari系统对于强调光谱和热量控制的空间有较强的适用性，例如水族馆、光合细胞培养室。系统的标准机型为6镜、12镜、36镜三种，定单产品有90镜、198镜两种。对于运行和维护，Himawari系统相对维护简单且运行费用较低。例如，12眼向日葵一年用电约11度，集光部的透明圆罩用水清洗即可[2]。

　　1.2 HSL系统

　　该系统的开发旨在完成美国的一项节能计划(该计划预计截止2020年，节约超过5亿美元和30亿度电力)。由此开发的HSL系统包括主动式太阳光收集器、光纤传输、太阳能电池和常规电力。整个系统的研发和应用在美国3M公司、Sandia国家实验室和Oak Ridge国家实验室等机构中进行。

　　与Himawari系统类似，HSL系统的太阳光集光器是一组双轴日定位跟踪装置，它的主镜面设计为碗碟状用以反射汇聚太阳光进入该碗碟状焦距处的二级光学系统(SOE)。二级光学系统选择了一种冷光镜，可以分离入射光的可见光和近红外光。冷光镜通过分离反射可见光部分至一系列核心半径较大的光纤，光纤组设置于集光器的中央部位(图2)。红外光则通过冷光镜透射进入光电池组件，由于光电池对于红外波段的光线最为敏感，这种方式可以更大程度上为光电系统提供电力[3]。

图2 HSL系统的集光器。资料来源：www.hsllighting.com

　　基本的光线传送部分是由8根光纤组成，每根光纤的直径为18mm。如图3所示8根光纤端口形成直径54mm的圆形组件位于集光器中央。光纤的具体应用数量与尺寸取决于所使用的碗碟状主镜面尺寸。

　　内部照明器采用复合式，即人工光源和天然光组合，人工光源与光纤出光端共同设置于散光器内。当太阳低于地平线或者阴天情况下，启动人工照明。人工光源与天然光的良好混合主要取决于人工光源的光色和散光器的设置。HSL系统开发了两种不同的光散射技术使得光纤终端的发光形式与普通的圆柱荧光灯管类似：(1)采用圆柱形的散光条(直径2.54厘米)设置于传统灯具内，另一端连接光纤终端，不足之处在于散光条的效率仅为50%;(2)采用丙烯酸棱镜散光装置，这个光线散出组件有微光学棱镜结构形成的直径15厘米的散光器，其效率理论上可以达到90%。[4]为了确保照明水平的稳定，该系统配以一套准确的控制器，即使在云层暂时性的遮挡阳光时，控制器也可自动根据天然光条件调节人工光源的强度，控制器同时也可以直接手动开闭调节控制。

　　结合整体系统集光、传光和散光中各个元件(主要为主镜面、二级光学系统、光纤入口、光纤传输和照明器)的效率考虑，HSL系统对于单层建筑应用的综合系统效率约为50%，对于二层建筑应用的综合系统效率约为30%~35%(受光线分配、光纤长度的影响)。当2平米面积的集光器接收到100000lx的天然光时能够分别为一层建筑和二层建筑传送100000lm和60000lm的光通量，假设90平米的房间平面能够均匀的光线分配，系统能够分别提供给一层建筑和二层建筑1000lx和650lx[5]。

　　目前该系统已有效应用于美国加州的Sacramento办公建筑、德州的沃尔玛超市商业建筑等项目中，其节能效果明显。例如，德州McKinney的沃尔玛超市应用了HSL系统，主要安装于电器专卖的空间内，并采用点投光的方式，解决了该空间无法增设天窗而改进节能和照明的问题;荧光灯作为整个空间的辅助光源，根据天然光的条件进行自动控制。从2007年3月至今，该超市在HSL系统运行下进行了能耗监测和性能分析，其中2007年9月HSL系统带来了超过50%的节能效果[6]。

　　1.3 Solux系统

　　该系统是由德国Bomin Solar Research(BSR)公司基于菲涅尔透镜技术研发的主动式天然光导入系统，传输部分采用的是液芯光导管。集光器同样采用了两轴模式，1米直径的菲涅尔透镜能够集中10000倍的太阳光线，通过设置一层滤光器保证进入液芯光导管之前能够过滤掉多余的热量[7]。太阳定位跟踪装置是由一个日光定位的感应装置和一个计算太阳位置的微型处理器组成。光线被集中并过滤以后进入液芯光导管传输部分，其直径为2厘米并充满了由几种特殊物质构成的洁净液体。光线通过传输部分后进入散光的管体装置，用以发散照明于室内。由于液芯光导管的传输，发光端的光线呈微弱的偏绿色。其光线的传输损失随着长度而增加，每十米会产生10~15%的光线传输损失[8]。

　　该系统最早安装于柏林的德国技术博物馆(图4)，液芯光导管的长度为5~7米，直径约为20厘米，固定于屋顶并悬挂至室内。天然光从液芯光导管一端进入，而另一端则相连人工光源作为天然光条件不足时的备用。应用中偶尔出现过液体从液芯光导管中泄露的问题，是由于过低的室外温度令石蜡凝固造成的。

　　2　空腔棱镜式传输的主动式系统

　　最为典型的结合棱镜传输的主动式系统为阿斯里奥(Arthelio)系统，其研发旨在解决人工照明与天然光的有效结合。在目前欧洲的该系统应用案例中，大部分阿斯里奥系统采用了主动式的集光器。集光器一般为尺度较大的室外独立装置，内部为双轴或单轴跟踪定日系统用以反射天然光进入菲涅尔透镜组。集光器也可加设可独立移动的二级集光装置，以满足最优化的集光。

　　在柏林技术大学和柏林Semperlux照明公司的应用案例中，经过主动式集光后光线均进入由3M公司开发的空腔棱镜技术的传输部分进行传送。柏林技术大学的阿斯里奥系统采用4平米定日镜和二级集光器，照明空间为建筑顶层的一个较小空间，定日镜被设置在屋顶接近房间的位置。Semperlux公司的系统则采用了更大的6平米定日镜，不含有二级集光装置，光线经过定日镜水平的导入四组1.41米的菲涅尔透镜，透镜焦距为1.2米[9]，设置了四个凹面镜将光线导入空腔棱镜光导管。整个集光设备被放置于一个称为混合箱体的装置，便于清洁的状态和维护(图5)。其中设置了1000瓦的可调硫灯作为后备光源。连接这一混合箱体的装置为两根12米长、30厘米直径的空腔棱镜式传输组件。整体混合式的导光系统可以满足不同时段、不同季节的照明需求[10]。

　　奥地利的阿斯里奥系统同样采用主动式的集光组件。集光组件采用了日光跟踪系统与被动镜面反射的结合方式(图6)。采用两组可调的配有菲涅尔棱镜的300毫米空腔棱镜传输部分。天然光被导入一个7.8米长、4.5米宽、2.4米高的无窗地下空间。散光装置是通过棱镜墙体实现，使用者可以调节室内装置的镜面去反射导入的太阳光，满足工作空间的需求。同时设计了后备补充的荧光灯系统。整个管式天然光导入系统能够提供100~1200lx的光线，相比于室外太阳光条件，该系统的整体效率约为30%。类似这种的管式天然光导入系统在欧洲其他地域也有使用，通过连续的能源消耗监控，对该类型导入系统的相关照明能源的统计显示相比传统的电力照明系统能够节约40~60%的能源消耗。其综合造价为225欧元每平米，十倍于提供相同照明水平的传统电力照明系统[11]。

　　米兰的阿斯里奥导入系统应用案例为单层的仓库建筑(图7)。集光组件只采用了单轴线的光线捕捉头，主要建立在一个菲涅尔透镜的元件上。为提高集光性能，特殊的机械元件被设计并加入到该集光系统中，使其能够根据太阳光线自动运动并获得高水平的天然光。整个系统能够为工作面提供200~250lx的照度。统计显示，该系统在感应和可调装置的辅助下能够替代整个建筑约67%的荧光灯设备[10]。

　　3　空腔镜面式传输的主动式系统

　　该类主动式定日系统由瑞士开发并被称为Heliobus，它采用了一个匙状的定日镜固定在建筑屋顶上并与下连接光导管。整个系统各个部分结合紧密，光线由匙状的定日镜(图8)根据太阳位置进行旋转接收天然光，匙状的形式同时能够集中发散的光线并导入下部较大的一个方形空间，光线在此空间内通过反射进入空腔镜面式导光管。导光管中部设有连接口，可以按照对照明的需求进行光线转移，转移的方式为设置水平散光条构件。整个系统除匙状定日镜外均为固定装置[13]。

　　尽管Heliostats统称为定日镜系统，但是上文提到的例如阿斯里奥定日镜系统或向日葵系统均采用平面透镜或碗碟状的镜面进行集光。而在德国和马来西亚，管式的Heliostats系统与瑞士开发的Heliobus系统类似，均采用管状的形式，因此更适宜结合固定的、半径较大的空腔导光管。

　　在柏林的波斯坦广场中，连接地下车站的空间外部周边均为高层建筑，而该空间的设计中希望结合外部景观引入自然光，因此三个管状的定日系统联合空腔镜面导光管被引入该空间(图9)。定日装置采用平面圆形透镜而不是匙状定日镜。这些光导管事实上由两层管体形成，外层为玻璃而内层为金属，两层之间的夹层为特殊的高反射透明膜，金属层内部又覆盖了较高反射率的薄膜[13]，在该案例中天然光导入系统尽管采用了主动式集光方式，但整体效率较低，更大意义上表现的是系统的景观效益。

　　马来西亚的Masjid Wilayah清真寺采用了12组定日镜系统，为一个面积3600平米的空间提供天然光照明，该空间的主要功能为祷告、布道[14]。清真寺的屋顶由一个主要的穹顶和三个相邻较小的穹顶构成(图10)。直径1米的定日镜被安装在中央穹顶的顶部，通过反射太阳光线进入一个类似金字塔形状的玻璃空间内，进而在空间内反射传输光线进入祈祷堂。

　　4　光导传输、集光组件的比较

　　实际应用中，系统各部分组件协调组成，其性能受到各部分的效率影响以及结合部分的效率影响，本文对各相关元件类型进行对比分析如下：

　　参考文献

　　[1]Carter, D. J. Developments in tubular daylight guidance systems, Building Research & Information. 2004 (3): 220~234.

　　[2]http://www.himawari.com.cn/news/ 2009.2

　　[3]John Morris. Oak Ridge National Laboratory. USA. 2009 (3). http://www.ornl.gov/sci/solarsummit/hsl_workshop.shtml

　　[4]Muhs, Jeff. Hybrid solar lighting doubles the efficiency and affordability of solar energy in commercial buildings. CADDET Energy Efficiency. 2002b.

　　[5]Muhs, Jeff. Design and analysis of hybrid solar lighting and full-spectrum solar energy systems. SOLAR2000 Conference. Madison, Wisconsin, USA. 2002.

　　[6]L. Curt Maxey, Melissa V. Lapsa. et al. Hybrid Solar Lighting: Final Technical Report and Results of Field Trial Program. OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY, U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, Oak Ridge, Tennessee, USA. 2008(9): A-11~A-14.

　　[7]Jakobiak, Roman. Architect. IBUS (Institut fr Bau-, Umwelt-, und Solarforschung), Berlin. 2001(11).

　　[8]Claus Colsman-Freyberger. BSR Solar Technologies GmbH. Lrrach, Germany. 2002(02).

　　[9]Kaase H. et al. Arthelio, ein　Grossforschungsprojekt der Technischen Universitt Berlin, German. 2000(3): 326~331

　　[10]Mingozzi, A., Bottiglioni, S. and Casalone, R. An innovative system for daylight collecting and transport for long distances and mixing with artificial light coming from hollow light guides, in Proceedings of the 9th Lux Europa Congress, Reykjavik, 2001(1): 12~21.

　　[11]Pohl, W. and Anselm, C. Report of EC-funded Joule-Craft Research Project: Development of an Economic and Energy saving Heliostat Technology for Room Illumination. Publishable Final Report, Bartenbach LichtLabor GmbH, Aldrans: 2001

　　[12]Franta, G., Anstead, K. Daylighting Offers Great Opportunities. American Institute of Architects, Washington, DC: 1993.

　　[13]Heliobus AG. We bring daylight into the darkness. http://www.heliobus.com/E/index.htm. 2002(3).

　　[14]Erik Andre Jutta Schade. Daylighting by Optical Fiber. Lileal University of Technology: 2002.

　　第一作者：袁宗南(YUANZONGNAN)

　　性别：男

　　出生年月：1965年3月3日

　　工作单位：(台湾)袁宗南照明设计事务所

　　通讯地址：北京市海淀区清华大学建筑馆南113室(邮编100084)

　　联系电话：62782206(办)13701086866(移动)

　　电子信箱：jamesyuan@pchome.com.tw

　　第二作者：张昕(ZHANGXIN)

　　性别：男