張萍,房韶澤,魏曄
(1.山東建筑大學(xué)基建處,山東濟南250101;2.山東建筑大學(xué)管理工程學(xué)院,山東濟南250101)
光導(dǎo)管照明技術(shù)在大開間教學(xué)樓中應(yīng)用研究
——以山東建筑大學(xué)藝術(shù)教學(xué)樓為例
張萍1,房韶澤2,魏曄1
(1.山東建筑大學(xué)基建處,山東濟南250101;2.山東建筑大學(xué)管理工程學(xué)院,山東濟南250101)
光導(dǎo)管照明技術(shù)是建筑節(jié)能領(lǐng)域的一種新興技術(shù),具有安全、高效、節(jié)約建筑用電成本等優(yōu)勢,在大開間教學(xué)樓項目中具有提高照明效果,節(jié)約照明耗電的應(yīng)用價值。針對大開間教學(xué)樓進行光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計,文章設(shè)計了光導(dǎo)管的結(jié)構(gòu),闡述了光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)原理,計算了光導(dǎo)管的傳導(dǎo)效率,根據(jù)光導(dǎo)管的傳導(dǎo)效率并結(jié)合濟南市當?shù)氐墓庹諚l件,通過文獻閱讀、實地調(diào)查和技術(shù)研究等方法,按照山東建筑大學(xué)藝術(shù)教學(xué)樓照度設(shè)計的要求,對項目進行了光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)應(yīng)用設(shè)計;對光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)在教學(xué)樓使用過程中的照明效果和增量效益進行了評估分析。結(jié)果表明:光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)實現(xiàn)了教學(xué)樓一層展廳、二層門廳冬季7∶20-17∶00時間段的日間零能耗照明零能耗照明,照明亮度平均值分別達到了329.9和312.7 Lux,教學(xué)樓年節(jié)約電能189000 kW·h,節(jié)能減排效益明顯。
光導(dǎo)管;綠色照明;增量經(jīng)濟效益;增量環(huán)境效益
2015年我國年照明用電量占到了社會總用電量的10%左右[1],隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展,照明用電量還將會進一步增加。節(jié)約能源,保護環(huán)境是人類發(fā)展的永恒主題,光導(dǎo)管綠色照明是一種利用太陽光進行室內(nèi)照明的新興技術(shù),可以將建筑用電降低20%~30%,具有安全、高效、節(jié)約用電成本等優(yōu)勢[2-5]。作為綠色能源應(yīng)用方面的代表,它的興起與普及在減少照明用電量、緩解“電力危機”方面扮演了積極、重要的角色。
20世紀90年代初,美國環(huán)保局首先提出了“綠色照明”的理念,并推進美國“綠色照明工程”的進程。我國的綠色照明的相關(guān)工作于1993年底正式啟動。1995年11月,我國相關(guān)單位討論研究了我國的綠色照明實施規(guī)劃,倡導(dǎo)將太陽光作為室內(nèi)照明光源,因此,利用太陽光是綠色照明的重要領(lǐng)域[6]。王凡對光導(dǎo)管技術(shù)的應(yīng)用狀況及前景做了系統(tǒng)闡述和分析[7],王偉針對光導(dǎo)管在冬季的采光性能開展了相關(guān)研究工作[8];而Malet等通過實驗?zāi)P蛯鈱?dǎo)管系統(tǒng)能效進行了分析研究[9];在工程應(yīng)用方面,杭州卷煙廠、山東美術(shù)新館,龍奧金座大廈等項目,以及沙特工業(yè)項目公司的百事可樂倉庫項目均使用了光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)并取得了良好的節(jié)能效果[10]。
目前對光導(dǎo)管綠色照明應(yīng)用的研究多局限于工業(yè)廠房、商業(yè)建筑,在教學(xué)樓項目中的工程實踐相關(guān)應(yīng)用研究還缺少分析。教學(xué)樓門廳的照明滿足一般照明要求即可,而展廳為使展品每個細節(jié)恰到好處地展現(xiàn),實現(xiàn)良好的色彩效果,且不會產(chǎn)生視覺不舒適和炫光,設(shè)計要求統(tǒng)一的眩光值UGR達到20,顯色指數(shù)Ra達到80。山東建筑大學(xué)藝術(shù)教學(xué)樓二層藝術(shù)教學(xué)展廳和門廳面積為805 m2,由于開間較大,僅靠開窗不能滿足日間采光照度要求,為保證設(shè)計要求的照明效果,且考慮到展廳需常年對學(xué)生和來訪者開放,采用傳統(tǒng)電力照明耗電巨大。經(jīng)綜合論證,通過布置光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)來滿足大開間教學(xué)樓的照明及節(jié)能要求。文章針對光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)在項目中的應(yīng)用效果和其所達成的增量效益進行分析。
1.1 光導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)
光導(dǎo)管由采光裝置、導(dǎo)光裝置和散光裝置3個部分組成[11-12]。采光裝置的主要構(gòu)件是采光罩、安全網(wǎng)和墩型防水帽。采光罩采用了具有高抗沖擊性能的碳酸聚酯材料,能有效過濾紫外線,安全網(wǎng)和墩型防水帽負責(zé)防止異物掉落與雨水滲透[13];導(dǎo)光裝置的主要構(gòu)件是導(dǎo)光管,其主要作用是將太陽光經(jīng)過折射聚焦傳導(dǎo)至輸出區(qū);散光裝置的主要構(gòu)件是漫射器,即室內(nèi)發(fā)光裝置,其由多個透鏡組成,將頂部采光轉(zhuǎn)化成室內(nèi)光源,提供照明。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示:
圖1 光導(dǎo)管的基本結(jié)構(gòu)圖
1.2 光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)的工作原理
光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)的運行不借助于電力,其基本原理是通過采光罩高效采集室外自然光線并導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)重新分配,再經(jīng)過特殊制作的光導(dǎo)管傳輸和強化后由系統(tǒng)底部的漫射裝置把自然光均勻高效的照射到室內(nèi)。在日間,無論天氣狀況的好壞,都能高效的收集陽光供室內(nèi)照明使用。導(dǎo)光管采光區(qū)通過室外采光罩收集自然光并濾除接近97%的紫外線,經(jīng)過紫外線過濾的陽光進入導(dǎo)光區(qū),并通過導(dǎo)光區(qū)的反射再過濾,濾除陽光中的紅外線,到達輸出區(qū)的漫射裝置,然后經(jīng)由漫射裝置傳導(dǎo)至室內(nèi),達到照明的目的。同時,通過對采光裝置和漫射裝置的材料優(yōu)化配置,進一步加強陽光收集能力與傳導(dǎo)效率,減少陽光的傳導(dǎo)損耗,且把熱量和紫外線拒之室外。
1.3 光導(dǎo)管的傳導(dǎo)效率
影響光導(dǎo)管傳導(dǎo)效率的因素有很多,包括天氣狀況、季節(jié)變化、光線的強度和照射角度、導(dǎo)光管部分所用材質(zhì)和尺寸等因素,此外,人為造成的霧霾也會不同程度上削弱光導(dǎo)管的傳導(dǎo)效率。在日間,光導(dǎo)管的光傳導(dǎo)效率受不同時刻的陽光亮度的變化影響。假設(shè)在天氣狀況為晴天的條件下,選取全年的偶數(shù)月作為研究樣本,通過王書曉的研究及國際照明委員會制定一般天空亮度模型[14],對光導(dǎo)管傳導(dǎo)效率進行計算,結(jié)果如圖2所示。從圖2中可知,光導(dǎo)管的傳輸效率變化趨勢呈現(xiàn)拋物線狀,與全天中陽光亮度同趨勢變化。
圖2 光導(dǎo)管效率變化曲線圖
2.1 應(yīng)用案例
山東建筑大學(xué)為積極響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召與政策,倡導(dǎo)綠色、節(jié)能環(huán)保,推廣各種創(chuàng)新節(jié)能技術(shù),在教學(xué)樓的展示室和二層門廳安裝索樂圖公司陽光大師系列光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng),現(xiàn)已投入使用。教學(xué)樓工程于2016年12月榮獲由山東省照明學(xué)會、山東省照明電器協(xié)會、山東省信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會和山東省節(jié)能環(huán)保低碳協(xié)會聯(lián)合頒發(fā)的山東省綠色照明獎建筑照明施工二等獎。
2.2 濟南市光照條件
由于我國幅員遼闊,各地陽光照射條件不盡相同。20世紀80年代,中國科學(xué)家根據(jù)全國設(shè)置在北京、上海、西安、廣州等城市的14個監(jiān)測站收集的輻射光當量值數(shù)據(jù),對全國進行了光氣候的分區(qū)[15],濟南市屬于Ⅲ類氣侯區(qū),如圖3所示。濟南市的氣候?qū)儆诘湫偷臏貛Ъ撅L(fēng)氣候,陽光照射充沛,具備良好的天然采光條件,但由于霧霾的影響,會對光導(dǎo)管采光效率造成一定的影響。根據(jù)收集到的濟南市的氣候數(shù)據(jù),選取偶數(shù)月份作為樣本,繪制了濟南市的散射光照度和直射光照度在全年的變化趨勢圖,如圖4、5所示。并統(tǒng)計了偶數(shù)月份散射光照度和直射光照度,見表1。通過對濟南光照條件的分析可得出,12月濟南市的散射光照度和直射光照度均為樣本月份最低值。根據(jù)光導(dǎo)管的傳導(dǎo)效率隨光照條件的變化而變化,在全晴天空的條件下,12月份的光導(dǎo)管傳輸效率亦達到最低,因此以12月份光照條件為基礎(chǔ),對增量效益評價進行分析,得出光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)所能實現(xiàn)最低增量效益。
圖3 中國光氣候分區(qū)圖
圖4 濟南市散射光照度分布圖
圖5 濟南市直射光照度分步圖
表1 濟南偶數(shù)月份總照度分析表/kLux
2.3 采用的光導(dǎo)管技術(shù)
2.3.1 光線彎折技術(shù)
項目中采用的光導(dǎo)管采光罩使用了光線彎折技術(shù),較普通采光罩有更強的光線收集能力。整個采光罩具有紫外線過濾涂層,其內(nèi)部使用羅盤將反射面朝向太陽,可以最大限度的收集太陽光,考慮到正午強烈的陽光直射,在采光罩頂部涂抹了陽光反射涂層,有效降低正午時的熱效應(yīng)。在非頂部區(qū)域,可以將照射在采光罩各個位置的太陽光折射至于水平面夾角90°的方向,垂直向下,將太陽光的收集效率最大化,并且將太陽光造成的熱效應(yīng)大幅降低。
綜上,項目所采用的技術(shù)主要有以下3個優(yōu)點:
(1)反射正午直射太陽光,降低自然光照明的熱效應(yīng);
(2)低角度陽光垂直轉(zhuǎn)向,使陽光收集效率最大化;
(3)抵擋紫外線,過濾對人體有害射線。
2.3.2 極限導(dǎo)光管技術(shù)
導(dǎo)光管是光導(dǎo)管綠色照明裝置中間部分的導(dǎo)光元件,在山東建筑大學(xué)藝術(shù)教學(xué)樓工程項目中采用的導(dǎo)光管使用了極限導(dǎo)光管技術(shù),該技術(shù)較普通光導(dǎo)管的優(yōu)勢主要有:(1)具有出色的光譜反射率,經(jīng)實驗測算,光譜反射率最高可以達到99.7%;(2)經(jīng)過導(dǎo)光管進入室內(nèi)的光顯色指數(shù)CRI值接近100(太陽光的顯色指數(shù)定義為100),CRI是衡量人工光源顏色特性的重要參數(shù),被廣泛應(yīng)用于評價人工照明光源。,它的數(shù)值體現(xiàn)了太陽光的色彩真實度;(3)該技術(shù)的日光傳輸距離超過18 m,具有更強的照明能力,可以為大面積場館提供良好的照明效果;(4)管內(nèi)涂有一層碳涂層,可以吸收太陽光中的大部分紅外線,保護使用者免受紅外線傷害。
2.3.3 日光漫射器
日光漫射器是根據(jù)燈盤的尺寸,由許多透鏡組合而成,可將頂部聚集的太陽光均勻地分散釋放,避免了炫目的光源,使照明效果更加柔和、自然。日光漫射器部分還添加了一層紫外線過濾網(wǎng),進一步對紫外線進行過濾,使光源更加健康舒適。
2.4 使用區(qū)域信息及設(shè)計要求
項目位于山東建筑大學(xué)藝術(shù)教學(xué)樓展廳、二層門廳,用于白天照明。按照照度設(shè)計要求,藝術(shù)教學(xué)展廳設(shè)計共使用照明設(shè)備30套,二層門廳設(shè)計共使用該照明設(shè)備24套,直徑均為530 mm,設(shè)計照度均為300 Lux,充分滿足使用要求,為室內(nèi)提供了均勻舒適的自然光照明,具體分布如圖6、7所示。
2.5 實際照明效果
按照設(shè)計圖紙進行施工,藝術(shù)教學(xué)樓二層展廳和門廳的光導(dǎo)管綠色照明設(shè)備已全部安裝到位,實現(xiàn)了冬季7:20~17:00時間段的日間零能耗照明。藝術(shù)教學(xué)樓二層展廳和門廳的實測亮度如圖6、7所示。
圖6 藝術(shù)教學(xué)展廳布置情況圖/mm
圖7 二層門廳布置情況圖/mm
表2 藝術(shù)教學(xué)展廳照明亮度數(shù)據(jù)
表3 二層門廳照明亮度數(shù)據(jù)
從表2和3數(shù)據(jù)可以得出光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)的照明效果良好,藝術(shù)教學(xué)展廳和二層門廳的亮度平均值分別達到了329.91和312.71 Lux,充分滿足了場館日常運營的照明需要。
房屋建筑在日常運營中,光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)的增量效益主要體現(xiàn)在經(jīng)濟和環(huán)境兩個方面[16],經(jīng)濟方面的效益是照明技術(shù)在運營過程中帶來的直接效益,環(huán)境方面的效益是照明技術(shù)在節(jié)約能源保、保護環(huán)境方面帶來的間接效益,因此綠色建筑全生命周期的增量效益計算可采用式(1)表示為
3.1 增量經(jīng)濟效益分析
根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù),一套該型號的光導(dǎo)管燈具的流明輸出約為15000 Lm,相當于一盞功率為1200 W的大型照明燈,按全年每天使用8 h計算,相當于節(jié)電3500 kW·h,由于光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)的最突出的特點是降低建筑物的能耗,即節(jié)約電能的使用,所以可以將光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)在用電方面的增量經(jīng)濟效益表示為年節(jié)電效益,年節(jié)約經(jīng)濟效益是指光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)相比傳統(tǒng)照明技術(shù)和設(shè)備所節(jié)省用電能,按照式(2)計算為
式中:S節(jié)電為光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)一年內(nèi)節(jié)省的總用電量,kW·h;Q節(jié)電為每套光導(dǎo)管燈具每年節(jié)省的電量,kW·h;N為光導(dǎo)管綠色照明燈具的數(shù)量。
項目共使用光導(dǎo)管綠色照明燈具54套,則每年節(jié)約電能計算為
由于光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)的零能耗,由此看出在電能節(jié)約方面其所帶來的經(jīng)濟效益用節(jié)約電能表示是189000 kW·h,相比于傳統(tǒng)的電力照明技術(shù),每年能夠有效的降低教學(xué)樓的電能消耗。
3.2 增量環(huán)境效益的分析
光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)的增量環(huán)境效益,直接表現(xiàn)為降低CO2的排放量,間接表現(xiàn)為減少燃煤使用量。根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù),每套光導(dǎo)管綠色照明設(shè)備的年節(jié)電量轉(zhuǎn)換成標準煤為1400 kg,可分析計算光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)的增量環(huán)境效益如下:
(1)降低CO2排放量
由于采取了節(jié)能環(huán)保的措施而降低了CO2排放量,對這部分減排的CO2的處理成本被稱為CO2的減排效益。CO2的減排效益根據(jù)式(3)計算為
式中:SCO2為藝術(shù)教學(xué)樓項目CO2年減排效益;PCO2為每t的CO2處理成本;N為光導(dǎo)管綠色照明燈具的數(shù)量;E煤為每套光導(dǎo)管綠色照明設(shè)備的年節(jié)電量所減少消耗的為標準煤的量;TCO2為每t標準煤經(jīng)過充分燃燒產(chǎn)生的CO2量;其值為2.66~2.72 t,根據(jù)CO2處理工藝不同,其處理所需的成本為205~486元/t[9]。每t煤燃燒后CO2取最大值,假設(shè)取中間價格CO2處理技術(shù),按照350元/t計算,則經(jīng)過計算每年產(chǎn)生的CO2減排效益計算為:
由式(3)可以看出,山東建筑大學(xué)藝術(shù)教學(xué)樓項目的光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)每年CO2減排效益達到71971元,大幅節(jié)省社會所需要環(huán)境處理成本,同時減少了CO2的排放,對保護大氣環(huán)境做出有益貢獻。
(2)減少燃煤使用量
由于采取了節(jié)能環(huán)保的措施而減少了燃煤的使用量,對這部分燃煤減少量所節(jié)約的成本稱為燃煤節(jié)約效益。燃煤節(jié)約效益根據(jù)以下式(4)來計算為
式中:S煤為藝術(shù)教學(xué)樓項目燃煤節(jié)約效益;P煤為每t標準煤的價格;N為光導(dǎo)管綠色照明燈具的數(shù)量;E煤為每套光導(dǎo)管綠色照明設(shè)備的年節(jié)電量所消耗標準煤的量。
根據(jù)從山東省煤炭工業(yè)局取得的調(diào)研數(shù)據(jù)得知,2016年市場上每t標準煤價格在400~600元之間[17],這里取中間價格500元/t。則經(jīng)過計算每年產(chǎn)生的燃煤節(jié)約效益計算為
S煤=500×1.4×54=37800(元)
(1)藝術(shù)教學(xué)樓展廳和二層門廳冬季7:20~17:00時間段的日間零能耗照明,照明效果良好,藝術(shù)教學(xué)展廳和二層門廳的亮度平均值分別達到了329.91和312.71 Lux,充分滿足了場館日常運營的照明需要。
(2)光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)的增量經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著,按全年每天使用8 h計算,相當于節(jié)電3500 kW·h,年節(jié)約電能189000 kW·h;年燃煤節(jié)約效益37800元;年CO2減排效益71971元,減少了CO2的排放。
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Study on the application of light pipe illum ination technology in the teaching building of large bay:A case study of the art teaching building of Shandong Jianzhu University
Zhang Ping1,F(xiàn)ang Shaoze2,Wei Ye1
(1.Department of Infrastructure,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China;2.School of Management Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China)
Light pipe illumination is a new technology in the field of building energy conservation with the advantages of safety,high efficiency and saving construction cost.It has application value that improves lighting effects and saves lighting power consumption in large teaching building project. Aimed at the design of green lighting technology for light tunnel in large teaching building,the structure of the light pipe is designed,the principle of the green illumination of the light pipe is expounded,the conduction efficiency of the light pipe is calculated.According to the transmission efficiency of the light guide and local illumination conditions in Jinan City,with the methods of field investigation,literature analysis and empirical research,the papermakes the design of green lighting technology of application in the art teaching building project.According to the design requirements of the illumination,the technology of solatube was used in the project.The incremental benefit evaluation and lighting effect of green lighting technology was analyzed in the process of using in the teaching building.The results show that the green light guide lighting technology achieves the zero energy consumption during the time of 7:20-17:00 in winter in the exhibition hall on the first floor and the lobby on the second floor.The average brightness reaches 329.91Lux and 312.71 Lux,theannual electricity savings of teaching building ismore than 189000 kw·h,so the effects in energysaving and emission-reduction is siguificant.
light pipes;green lighting;incremental economic benefits;incremental environmental benefits
F282
:A
1673-7644(2017)02-0177-06
2017-02-15
張萍(1967-),女,高級工程師,碩士,主要從事工程項目管理等方面的研究.E-mail:zp1967@sdjzu.edu.cn