中国建筑设计研究院 李炳华

摘要：天然光是纯天然的照明，有利于人们身心健康。本文详细讲解《全国民用建筑工程设计技术措施——电气节能专篇》“天然光的利用”一节的相关规定，包括天然光的利用要求、导光系统的设置、照度估算等。

　　关键词：天然光 导光系统 导光管 照度 布置 效率 体育场馆 场馆照明

　　《全国民用建筑工程设计技术措施——电气节能专篇》近日与读者见面，它对规范、指导民用建筑电气节能设计起到重要的作用。本文着重介绍“天然光的利用”一节的具体要求，供读者参考。

　　一 要点

　　1 为了在建筑照明设计中，贯彻国家的节能法规和技术经济政策，实施绿色照明，宜利用各种技术措施将天然光引入室内进行照明。

　　说明：利用天然光有多种技术手段和措施，如房间开侧窗和天窗，天然光反光、导光系统等。本规定与《建筑照明设计标准》GB50034-2004相一致。房间开窗设计由建筑师完成，不在本范围，但有两个参数应理解：采光系数、采光窗地面积比。

　　(1)采光系数

　　《建筑采光设计标准》GB/T 50033-2001给出了采光系数的定义，即在室内给定平面上的一点，由直接或间接地接收来自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。

　　采光系数实际上是对天然光的利用率。一般来说，采光系数越大，对天然光利用就越好。

　　(2)窗地面积比

　　窗洞口面积与地面面积之比叫做窗地面积比，该定义同样来自于GB/T 50022-2001。

　　窗地面积比越大，对天然光利用就越好。

　　开窗面积大可以得到较好的天然采光，但不利于保温。因此，设计师应在两者之间寻找一个平衡点，同时结合建筑立面、保温材料等因素统一考虑。房间的采光系数和采光窗地面积比主要由建筑专业进行设计，详见建筑部分节能技术措施。

　　2 应根据工程的地理位置、日照情况并进行经济、技术比较，合理的选择导光或反光装置。对日光有较高要求的场所宜采用主动式导光系统;一般场所可采用被动式导光系统。

　　说明：本条主要强调因地制宜、根据实际情况并经过经济、技术比较后合理的选择导光或反光装置。

　　主动式导光系统：系统的采光部分实时跟踪太阳，以获得更好的采光效果。该系统效率较高，但机械、控制较复杂，造价较高。

　　被动式导光系统：系统的采光部分固定不动，不需跟踪太阳。其特点系统效率不如主动式系统高，但结构、控制较简单，造价低廉。

　　3 采用天然光导光或反光系统时，必须同时采用人工照明措施，人工照明的设计和安装应遵循国家及行业相关标准和规范。天然光导光、反光系统只能用于一般照明，不可用于应急照明。

　　说明：天然光导光系统只有白天才能使用，晚间或阴天时需要人工照明。

　　应急照明关系到人身安全问题，火灾时可能大量的烟尘遮挡天然光导光系统，同时由于天气的原因，采用天然光导光系统会影响人员正常疏散。

　　4 当采用天然光导光或反光系统时，宜采用照明控制系统对人工照明进行自动控制，有条件可采用智能照明控制系统对人工照明进行调光控制。当天然光对室内照明达不到照度要求时，控制系统自动开启人工照明，直到满足照度要求。

　　说明：利用照明控制系统对人工照明进行控制，当工作面上的照度不满足要求时，自动开启相关区域的人工照明。由此构成的系统可谓“绿色、环保、节能”。要注意!照明控制系统不局限于总线控制，诸如i-BUS、C-BUS等总线控制系统是照明控制系统的一部分，还有非总线的控制系统。

　　二 天然光导光系统

　　1 天然光导光系统主要由采光部分、导光部分、照明器及其附件、配件等组成。

[NT:PAGE]

　　说明：天然光导光系统主要由三部分组成，第一部分是采光部分，图1的上部，采光部分主要用于收集天然光，分为主动式和被动式两种。采光罩多由透明塑料注塑而成，表面形状可以为圆形平面、半球形、锥形等。

　　第二部分为导光部分，通常采用导光管或光纤等材料。光纤传导光通量较小，效率不高，实用价值不大，使用不多。而导光管应用相对较多。

　　导光管内壁为高反射材料，反射材料有金属、非金属、透镜、棱镜等，它们的特点见表1。

　　目前，导光管反射材料的一次反射率可达92～95%，最高的棱镜反射薄膜高达99%以上。

　　第三部分为照明器。对于照明而言，不是简单的将光线引入室内，而是需要将光线合理的在室内进行分布，因此照明器就需要根据配光的要求，而合理的选择相应的材料。

　　2 当采用天然光导光系统时，应避免将采光部分布置于阴影区内。

　　说明：避免影响采光效果，提高导光效率。

　　3 天然光导光系统导光管内径应按250、350、450、550、800、1100、1500、2000、2500mm分级。不宜采用矩形、梯形、多边形断面的导光管。

　　说明：圆形断面的导光管有利于导光，效率相对较高。导光管内径与我国现有吊顶的规格相配合，故做出导光管内径分级的规定。此规定也有利于产品的标准化工作，便于在全国推广、普及。

　　4 天然光导光系统的反射材料反射率不宜低于95%。

　　说明：反射材料的反射率对导光管系统效率会产生很大的影响。例如，镜面氧化铝的反射率约82%;纯度为2个9(99.85%)的氧化铝，其反射率约为86%;纯度为4个9的氧化铝，其反射率高达95～98%;3M公司棱镜薄膜，其反射率达99%以上。

　　上述反射率为一次反射率，光线往往会在导光管内经过多次反射后才到达被照面，因此，材料的反射率非常重要，系统的效率与反射材料一次反射率的n次方成正比。图2表示材料的一次反射率经10次反射后，系统总反射率的曲线。

　　从图中可知，要尽量采用高反射材料的导光管，反射材料的反射率不宜低于95%。否则利用导光管导光价值不大。

　　5 照明设计时可按下列条件选择天然光导光系统：

　　① 高度较低房间，如办公室、教室、会议室及地下停车场宜采用中小管径的导光系统;

　　② 高度较高的房间，如体育馆比赛厅、展览馆展厅等宜采用大中管径的导光系统;

　　③ 高度较高的工业厂房，应按照生产使用要求，采用大管径导光系统。

　　说明：天然光导光系统的管径大小对系统效率有很大影响。

　　很明显，如果导光管长度一定，管径越大，系统效率就越高。图3所示，导光管长度为3米，采光罩透射比为90%，照明器灯罩透射比为80%，导光管内反射材料的反射率为95%时，系统总效率与导光管管径的关系曲线。

[NT:PAGE]

　　6 宜减少天然光导光系统的长度和转弯次数，并符合下列规定：

　　① 小管径的导光系统长度不宜大于3米;

　　② 高照度场所宜采用大管径导光系统;

　　③ 导光系统弯头不宜超过2个。

　　说明：导光系统的长度对其效率产生较大的影响。

　　当导光管管径一定时，导光管越长，系统总的效率越低，两者关系曲线见图4。

　　另据试验和分析，导光系统每转一次弯，系统效率将降低6～10%。弯曲的角度越大，系统效率越低。

　　7 天然光光导系统照度可按图7各图进行估算。

[NT:PAGE]　　

说明：准确计算天然光照度值是很可困难的事，因为天气是在不断的变化，每时每刻室外照度也在不停的改变。既使阴天，早晨和中午室外照度也是有很大差别。本图表以阴天为计算依据，供读者估算。其它气候条件得出的照度值要优于本计算。

　　8 导光系统的布置宜根据建筑物特点、照明要求等因素综合考虑，当照度要求均匀、且层高较高时，宜采用水平布置;一般情况下应采用垂直布置。

　　① 当导光系统采用水平布置时，宜采用吸顶安装或吊装，并尽量均匀布置，相邻两导光管之间的距离应根据导光管的管径、长度、安装高度等因素确定，但不宜大于安装高度的1.5倍，以获得均匀照明。

　　即，S ≤ 1.5 H (1)

　　式中，

　　S：导光管的间距，单位m;

　　H：导光管的距地高度，单位m。

　　② 当导光管采用垂直布置时，其端部发光用于照明，此时相当于点光源。导光管垂直布置宜遵循如下原则：

　　a 符合本条第2、6款的规定;

　　b 尽可能以最近的路径到达室内;

　　c 可以与吊顶结合进行布置;

　　d 照明器宜均匀布置，当由特殊需要时，也可进行非均匀布置;

　　e 相邻照明器的间距应根据配光曲线确定，按表2布置照明器。

[NT:PAGE]

　　说明：导光系统可以采用水平布置或垂直布置方式。从发光体来说，导光管可以线形发光，类似于线光源，整个导光管就是一个长长的发光体(图8);导光管也可以是端部发光，相当于点光源。

　　由于线光源导光管的配光有广照型照明器，式1反映的是对距高比S/H的要求。

　　水平布置的导光管，每根导光管尽量照明均匀，因此，要对光线进行计算。

　　[例1] 图10所示，由5个导光管组成光的传输系统，为了保证在被照区域内均匀照明，天然光在导光管内的反射和透射要有适当的比例，即每个导光管应有20%的光透射向下照射，这样被照区域获得均匀照明。各导光管入射、反射、透射光通量的比例见表3。

　　水平布置时，光源可以采用天然光，也可以采用人工光源。

　　三 其它

　　1 除特殊需要，导光部件不宜采用光导纤维。

　　说明：光导纤维作为导光部件，其系统的效率较低，与其昂贵的价钱相比，性价比较低。

　　2 天然光导光或反光系统应通过国家权威部门检测。

　　说明：该要求是对产品的要求。