
地球上的能源,除了核能之外,都源于太阳能,太阳能是地球的核心能源,利用太阳能是最有潜力的。大约4000年前,埃及人就将光束传输和镜面结合将光线反射至金字塔的中心区域。
人们在一天的工作学习之中,至少有60的时间是在日光灯的照射下渡过的。而普通日光灯的供电频率为50赫兹,表示发光时每秒亮暗100次,属于低频率的频闪光,会使人眼的调节器官,如睫状肌、瞳孔括约肌等处于紧张的调节状态,导致视觉疲劳,从而加速人眼疲劳,降低工作、学习效率,容易近视。光导照明将自然光导入室内,光是万物生长之源泉!太阳光系全光谱辐射,显色性100,自然光下学习,视觉效果好。试验证明:自然光条件下的视觉对比灵敏度高于人工光5%~20%以上。同时,可使人的机体内产生维生素等多种营养物质,在心理上和生理上感到舒适愉悦,还能消除室内的霉气、抑制微生物的生长、改善室内环境。美国科学家Bouchet在1996年提出,仅仅50lux的自然光就可显著减轻那些在地下工作的人们的孤独感。
光导照明技术是古今中外各有志之士不断研究与创新的一项自然采光技术,该照明装置无需常规能源就能提供白天室内照明,减小了由常规能源带来的环境污染。光源取自室外自然光线,通过特殊的传输与分配后,导入到室内需要光线的地方,得到由自然光带来的特殊照明效果,是一种绿色健康、节能环保的新型照明产品,百分百的绿色照明。
20世纪70年代末期,欧美由于注重节能、健康生活方式,开始将光导照明成熟应用于民用、商用及工业等建筑。
光导照明系统是近十几年国外发展起来的一种新型照明装置,这种装置不同于以往任何灯具,它无需消耗任何能源,可以把日光源所发出的光线进行重新分配,从室外传输到室内的任何需要光线的地方,以得到由自然光带来的特殊照明效果,是利用太阳能和风能的有效的方法。在国际能源紧张的今天,力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急,有效地利用太阳能显就得尤其重要。
学校运用光导照明技术,将自然光引入室内,有独特的意义。在国外众多的研究工作中,由加利福尼亚州首府萨克拉曼多的海斯冲马洪工作室领导进行的两项研究意义特别重大。该工作室于1998年和2002年,分别对两万名来自加利福尼亚州、科罗拉多州和麻萨诸塞州的学生进行了调查。通过一年的调查发现,在标准的统一考试中,在自然光照明教室上课的学生相对于在电力照明教室上课的学生成绩提高率增长了20%~26%。科学家解释说,电力照明可以满足人类的采光需要,但满足不了人们的心理需求。还有,电力照明主要发出位于红色光区域的长波光线。但控制着人们日出而作,日落而息的作息规律的人体生物钟,更喜欢位于蓝色光区域的短波光线,因为它们能够抑制天然荷尔蒙褪黑激素并刺激荷尔蒙,这种双重功效能够提高人的机敏度。
头痛、眼干和脖子酸等不适,还可以稳定心跳速度、调整人体对氧气、钙质、维生素D等的吸收、甚至能够改善肌肉的能量分配。最终,这将有利于避免人们特别是学生的身心伤害,从而保证较高的学习生产效率。自然光照明在保护学生健康和提高学习效率的同时,也可为学校节约电能的消耗。
从黎明到黄昏,甚至是雨天或阴天,光导照明系统导入室内的光线仍然十分充足,可以提供8小时以上的白天室内照明,从而可以减少白天室内电耗,有效缓解电力照明用电的紧张局面;从而打破了“照明完全依靠电力”的观念,光导照明系统与传统的电力照明系统相比,有在着独特的优点,有着良好的发展前景和广阔的应用领域,是一种绿色、健康、环保、无能耗、国内外推崇的照明产品。另外,自然光光导照明出射光为全色光,光线柔和,照度分布均匀,显色性好且属于低频率的频闪光,光谱连续分布在人眼可见范围内,所以不仅视觉效果好,而且长时间观察不易疲劳。大量的实验证明:自然光照明条件下的视觉对比灵敏度高于电力照明的5~20以上。
光导照明技术在国外已经是比较成熟的技术,光导照明在国内外很受欢迎,广泛应用于体育场馆、学校、国防军事、地下空间、医院、疗养中心、商场超市、工业厂房、展览馆、动物园、海洋馆、办公场所、监狱、物流中心、港口、机场、火车站、地铁站、轻轨站、活动房、酒店、住宅、别墅和高级会馆等建筑的白天阴暗房间、地下室或地下车库,获得自然采光或辅助照明,可以减少白天的照明电耗。光导技术在我国的发展起步比较晚,从八、九十年代开始,就有一些科研院所和企业从事类似的自然光导光管照明系统的研究,经过多年的努力,北京东方风光新能源技术有限公司2006年时研究出了自己的第一代产品,到2008年已经研发出了自己的第二代产品,与第一代产品比较第二代产品更加精细。
在2008年11月召开的北京国际节能展上,北京东方风光新能源技术有限公司的光导照明系统吸引了不少观众的眼球。光导照明系统(也称为管道式日光照明系统)是一种新型照明装置,这是一种不用电的日光灯,其系统原理是通过采光罩高效采集自然光线导入系统内重新分配,再经过特殊制作的导光管传输和强化后由系统底部的漫射装置把自然光均匀高效的照射到任何需要光线的地方,得到由自然光带来的特殊照明效果。光导照明系统与传统的照明系统相比,存在着独特的优点,有着良好的发展前景和广阔的应用领域,是真正节能、环保、绿色的照明方式。
光导照明系统适用于各种建筑,可穿屋面层或楼地面层设计,无论是新建建筑还是既有建筑,均不会影响建筑结构的稳定与安全,同时还会增强建筑外表的装饰效果。但现在国内主要应用于大跨度的厂房、场馆、办公、地下空间等采光不好及白天需要照明的场所,都用于单层及顶层建筑。据刘志东介绍,目前他们的这种产品在奥林匹克国家森林公园、北京动物园、北京植物园等多处都有应用。但是,据了解,目前,这种产品还主要是在房子的顶层、平房或地下室应用,因此,照明的范围还比较有限,相关的产业配套也处在较为初期阶段。
刘志东:公司的主要产品是把自然光引入室内照明—乐鱼股份有限公司—把自然光高效地传输到室内,再由漫射器在房间里均匀扩散,室内的人可以获得舒适且可以调节的
在奥林匹克森林公园里,就采用了东方风光的照明系统,自然光系统不仅有好的照明效果,采光面积仅需传统采光方式的1/8左右即可满足照明,而且核心部件——光导管含有紫外光抑制成分,可以把阳光里对身体有害的光线过滤掉,对人和室内的动植物来说都更有益于健康。不过最重要的一点,光导照明系统用自然光照明,节省能源也更环保。
另外,当室外光线亮度不够时,光导照明系统可以自动亮灯,系统里有一个自动补偿光的系统,这个产品的一般使用寿命在25年左右。我们现在的定位主要是工业、商业用途,卖给工厂、超市、学校——这些地方都是白天需要照明的;另外我们也会卖给一些别墅的开发商,增加房子的附加值,提高品位。
建筑采光的发展,大概分为三个历史过程:(1)传统建筑采光,如门、窗;不能解决大进深房间采光;无法控制光强和光线角度;采光面积大,热损大。(2)近代建筑采光,如采光天窗、采光的带、采光罩等;解决大进深建筑采光问题;受建筑层数限制,仅能解决单层或顶层建筑采光;受室内吊顶限制;仍无法控制光强和光线角度;增加建筑热损。(3)现代建筑采光,如光导照明、光纤照明等。光纤照明可解决大进深建筑和地下建筑采光问题;打破建筑层数的限制;打破吊顶的限制;可控制光强和光线方向;热损大幅度降低。
传统的采光天窗或采光板的缺点:一是传统的采光结构采光面积大,破坏建筑结构;二是采光效果不理想,存在光效差、眩光等问题;三是自身维护性差,需要定时清洁和维护;四是没有光量调节装置,无法在光线变化时提供稳定的照明输出效果;五是热传导系数高,增加额外的采暖和制冷能耗;此外在防水、防火、隔音等方面也存在明显的缺陷。
与传统的照明系统相比,光导照明系统完全利用自然光,不需要配电装置和传导路线,能够有效地节约能源,并具有环保健康的效果。北京东方风光新能源技术有限公司总经理刘志东算了一笔节能的经济账,一间1000㎡的生产车间
用普通的荧光灯照明,年照明费用约为5.556万元,而光导照明的总体投入17.5万元,其产品的使用寿命为25年,因此,光导照明的回收期差不多为3年时间,在国家大力加强能源节约和环保的角度来讲,光导照明是非常划算的事情。
光导照明技术是一种非常好的利用太阳能的照明技术,是室外的自然光线透过采光罩,经由特殊制作的光导管传输至室内漫射装置,把自然光均匀高效地照射到室内任何需要光线的地方。与采光天窗相比,采光天窗受光线入射角的影响很大,随着光线入射角的变化,照射面积大小及位置相应得改变,且易产生局部聚光现象;光导照明效果不会因光线入射角的变化而改变,且照射面积大,出射光线均匀、无眩光,不会产生局部聚光现象。一般通过侧窗采光照度分布不均匀,靠近侧窗的照度太大,刺激眼球,对建筑能效损耗也较大.而光导照明系统照度分布比较均匀,而且不产生眩光,特别适合大型公建节能、学校或者家庭使用。光导照明可以将太阳能输送到太阳所不能到达的地方,即使在晚上,没有太阳光的时候,通过一个光伏仍然可以实现光导照明。
无论任何建筑都有适合的安装方式,智能照明控制装置可以根据不同场合,不同的人流量,进行时间段,工作模式的细分,实现不同工作场合的多种照明工作模式,智能照明控制系统充分利用自然光,自动调节室内照度,把不必要的电力照明关掉,在需要时自动开启,最大限度的节约了能源,实现了能源的高效利用。
建筑用光导管系统主要分三部分,一是采光部分;二是导光部分,一般由三段导光管组合而成,光导管内壁为高反射材料,反射率一般在95以上,光导管可以旋转弯曲重叠来改变导光角度和长度;三是散光部分,为了使室内光线分布均匀,系统底部装有散光部件,可避免眩光现象的发生。从材料节约、加工方便、便于运输等方面考虑,光导管长度主要有610mm和1200mm,标准管每米的传输衰减是6%~8%,弯管的传输衰减约在10%左右。
光导管易于固定和连接,接口处完全密封,使整个系统拥有良好的密闭性,避免了因灰尘和飞虫的进入对采光效果的影响。针对不同的安装屋面和防水等级,系统可以采用特制的防雨装置来满足建筑对防水的要求。
系统安装了独特的光量调节装置,可以保证在光线过强时或不良气候条件下也拥有稳定的输出效果。夜间照明可以选择光导——光伏或是光导——电力一体化系统。
⑥漫射器;⑦密封圈;⑧电力辅助照明。光导照明系统各部件所使用的材料为健康环保型材料,可充分回收利用,不会产生二次污染。室外的自然光线透过采光罩导入系统内进行重新分配,再经特殊制作的光导管传输和强化后由系统底部的漫射装置把自然光均匀高效地照射到室内任何需要光线的地方,得到由自然光带
来的特殊照明效果。产品的采光罩表面可覆有防紫外线涂层,滤除绝大部分的紫外线,同时漫射器也可以对紫外线起到屏蔽作用。采光罩的流线性外观和表面处理工艺可以避免其使用期间的维护和清洁。
采光罩由PC聚炭酸脂及一定量的UV材料注塑而成。经UV材料处理过的采光罩表面平整光亮、硬度高、耐摩擦、抗冲击性好(局部抗冲击达三百公斤压力)、抗老化、不易出现划痕、离火自熄,且具有防水性能好、无异味、采光效率高、降低紫外线等优点。材料不存在溶剂挥发因素,是既安全又不污染环境的绿色产品。
采光罩的性能特点:①、透光性:透光性能好,在阳光下暴晒不易产生黄变、雾化等;②、耐候性:表面有防紫外线的共挤层,可防止太阳光紫外线照射引起的变黄,表面共挤层具有化学键吸收紫外线并转化为可见光,对植物的生长有一定的好处(极适合保护贵重艺术品及展品,使其不受紫外线破坏);③、抗冲击性:抗风压强度:正负均为一级《GB—7108》;落锤冲击性能:3000g/㎡不击穿、不破裂;④、阻燃性:据国家GB8624-97测试属阻燃B1级,无火滴,无毒气;⑤、耐温性:在-40℃—120℃温度范围内不会引起变形等品质劣化;⑥、隔音性:隔音效果好,对于建筑采光有很好的用途。
导光管。光在不同反射率材料制成的光导管内传输时,其传输效果是不一样的(如图5),经过多次反射后,反射率高的光导管其光强剩余量大。所以选择高反射率的材料制作光导管与弯管,其传输效率相对比较高。另外,对于材料的全反射率稳定性也有一定的要求,光在光导管中传输时,光线主要分成两部分:反射光线和透射光线。所以光导管的材料必须满足全反射率比较高,且相对稳定。自然光线之间,自然光线在光导管中传输时,全反射率高且相对稳定,从而达到自然光的全光谱反射,将真正的自然光传输到室内。
光导照明系统的光线传输原理是光线的反射与漫射,其光线的反射(传输)介质是系统内部的光导管(高反射材料),所以对光导管的反射率要求很高。
系统的效率与反射材料反射率的n次方成正比。所以光导管的反射率不宜低于95。否则利用光导管导光价值不大。
光导照明系统的发光效率还与光导管的直径大小和管道的长短有关。导光管长度为3米,采光罩透光率为88,室内漫射器透光率为86,光导管反射率为95。导光管直径为0.53米,采光罩透光率为88,室内漫射器透光率为86,光导管反射率为95。光导管直径越大,管道长度越短,系统发光效率越高。
光导管的放置方式和弯转次数也对系统的发光效率有影响,光导管最好为竖直放置。
光线在水平光导管内反射次数增加,光损加大,系统发光效率降低,所以水平管道传输不宜超过3.0m。
漫射器。漫射器采用高透光率高扩散性的材料制作而成,外型美观、透光性强,光线柔和不产生眩光。封闭性结构可防止灰尘和飞虫进入,并具有极好的隔热和隔音功能。
光导照明系统特点:节能、环保、健康、安全、防火、防盗、隔音、隔热,光线均匀、柔和、色彩富于变化,改善室内的视觉环境。夏季阴天时,一套标准管φ300mm的系统照明面积约为15㎡。
节能:光导照明系统可完全取代白天的电力照明,至少可提供8小时的自然光照明,无能耗,一次性投资,无需维护,节约能源,创造效益!
环保:光导照明光源取自自然光线,采光柔和、均匀,光强可以根据需要进行实时调节,全频谱、无闪烁、无眩光、无污染,并通过采光罩表面的防紫外线涂层,滤除有害辐射,能最大限度的保护人的身心健康。
安全:采光系统无需配带电器设备和传导线路,消除了因线路老化引起的火灾隐患,且整个系统设计先进、工艺考究、具有防水、防火、防盗、防尘、隔热、隔音、自洁以及防紫外线等性能和特点。
健康:光导照明系统秉承自然理念,全力打造健康和谐的娱乐、办公、居住环境。科学研究证明,自然光线照明具有更好的视觉效果和心理作用,并且可以清除室内霉气,抑制微生物生长,促进体内营养物质的合成和吸收,改善居住环境等。
时尚:光导照明系统外型美观,是自然光与人工建筑的完美结合,创造了低耗能、高舒适度的健康娱乐、办公、居住环境,有利于建筑装饰艺术创作;加上阳光丰富的色彩,材质感更加明显,显示出自然光的无穷魅力!
隔热:光导照明系统具有优越的隔热性能,因整个系统是密封的空气管,所以在冬天能够保证室内达到最小的热量损失,在夏天可防止室外的热量传入。
产品寿命:据材料特性和抗老化实验,光导照明系统使用寿命至少为25年以上。在进行可靠的固定和良好的密封之后,系统免于定期维护。且整个系统隔热性能良好,不会额外的增加制冷和采暖的费用。系统整体结构出厂前已做了部分固定,安装简便。在工程人员指导下,安装一套系统大约需要两个小时的时间,寿命长达25~30年。
光导照明技术能节省大量的白天照明用电,并能提供健康舒适的工作生活环境,相信在国家政策的带动下,在各方专家及设计人员的支持下,在人们的节能与健康意识不断的增强下,借鉴城市建筑中采用光导技术的实际应用经验,必将可以成功地应用到社会主义新农村的各类建筑中。
“让人们能享受到更健康、节能环保的照明是我们的追求,期待更多人投身这个行业,将这个产业做大做强。”刘志东对这项事业充满期待。
本文以上内容,详见2011年1月27日星期四中央电视台CCTV-10科教频道《创新无限2011年第23期阳光计划》节目。