初探导光管建筑的采光计算-建标库

初探导光管建筑的采光计算

2018-02-26 作者：梦来梦往

关键词：导光管采光系数采光计算

摘要：笔者先对导光管系统做了初步介绍，然后结合位于第Ⅳ光气候区的湖北武汉相关参数，通过一个理想模型的采光计算过程向读者展示了导光管建筑的采光计算方法，为同仁在项目中进行导光管设计提供参考。

引言

建筑节能从1986年之前的理论探索阶段，到1986年出台了《民用建筑节能设计标准》，2005年出台《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005，2015年出台新版《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015,前后经历了30年多年，各类节能标准层出不穷，各地也结合当地的相关气象资料出台了相应的节能标准，可见国家和地方对节能的重视。但是目前主要是对建筑保温设计，设备上主要是选用节能器具，可再生能源提到了太阳能和地源热泵系统，节能标准通篇没有提到导光管采光。在行业标准《导光管采光系统技术规程》JGJ／T 374-2015第1.0.1条“规范导光管采光系统的设计、施工安装、验收、运行和维护，达到节能和保证工程质量的目的” ，在这里提到了“节能”，也就是说导光管采光也是节能的一部分，下次节能标准修订时是否该增加导光管采光的章节能呢？

导光管系统

导光管系统为采集天然光，并经管道传输到室内，进行天然光照明的采光系统。通俗点说即为室外的自然光线透过采光器，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。通常由集光器、导光管和漫射器组成（见图1）。

导光管安装方式

导光管应用的范围非常广泛，不管是大型场馆还是矮小别墅均可适用，安装方式大概有屋顶安装、侧墙安装、路面安装及绿化安装（见图2）。

图1 导光管系统（图片选自正能量官网）

图2 导光管安装方式（笔者自绘）

通过对导光管系统的介绍，大家有了一定的了解，介绍导光管系统不是本文的重点，重点是如何进行导光管建筑的采光计算。

采光计算

为了便于说明问题，且受篇幅限制，笔者仅以湖北武汉（第Ⅳ光气候区）进行阐述，其他气候区的同仁应结合当地气候区进行调整。

一）模型建立

在导光管建筑理想模型建立时考虑住宅这一功能在我国占有的比例比较大，故此选取了3300㎜（开间）×3300㎜（进深）×3000㎜（层高）的住宅（卧室或起居厅）这一理想模型（见图3），具体项目需结合项目自身的具体尺寸进行计算。本文对采光照度等相关参数依据相关规范中住宅这一功能进行选取。

图2 导光管系统理想模型（笔者自绘）

二）参数选取

1、光气候分区：根据光气候分区表（如表1）可以看出，湖北武汉属于第Ⅳ光气候区。（节选）

光气候分区表（节选）-表1

光气候区	省/直辖市	城市	光气候区	省/直辖市	城市
Ⅳ类	江苏	南京	Ⅳ类	海南	海口
	江苏	徐州		湖北	武汉
	河北	石家庄		湖北	麻城
	河南	驻马店		湖南	长沙
		信阳			郴州
		南阳			常德
	陕西	汉中		黑龙江	牡丹江
		安康			佳木斯
		西安			哈尔滨
	浙江	杭州		福建	厦门
		温州			福州
		衢州			崇武

注：节选自《建筑采光设计标准》A.0.2

2、采光标准值：依据《建筑采光设计标准》4.0.2（强条），“住宅建筑的卧室、起居室（厅）的采光不应低于采光等级Ⅳ级的采光标准值”（如表2），采光等级Ⅳ级时，室内天然光照度标准值为300。

各采光等级参考平面上的采光标准值-表2

采光等级	侧面采光		顶部采光
采光等级	采光系数标准值（%）	室内天然采光照度标准值（lx）	采光系数标准值（%）	室内天然采光照度标准值（lx）
Ⅰ	5	750	5	750
Ⅱ	4	600	3	450
Ⅲ	3	450	2	300
Ⅳ	2	300	1	150
Ⅴ	1	150	0.5	75

注：摘自《建筑采光设计标准》表3.0.3

3、光气候系数：武汉对应的光气候系数K值（如表3）为1.10，对应的室外天然光设计照度值E_s为13500lx。

光气候系数K值-表3

光气候区	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ
K值	0.85	0.90	1.00	1.10	1.20
室外天然光设计照度值E_s（lx）	18000	16500	15000	13500	12000

注：摘自《建筑采光设计标准》表3.0.4

4、集光器的光热参数：集光器的材料不同，对应的参数也不同，具体项目设计室需根据不同厂家提供的对应集光器材料进行选择计算，本文选用的为聚碳酸酯（PC）透明PC板，该材料对应的参数见表4。

集光器材料的光热参数值-表4

材料类型	材料名称	规格	颜色	可见光		太阳光		遮阳系数
材料类型	材料名称	规格	颜色	透射比	反射比	透射比	总透射比	遮阳系数
聚碳酸酯（PC）	颗粒PC板	3㎜	无色	0.86	0.09	0.76	0.80	0.92
	透明PC板	3㎜	无色	0.89	0.09	0.82	0.84	0.97
	透明PC板	4㎜	无色	0.89	0.09	0.81	0.84	0.96
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）	透明PMMA	3㎜	无色	0.92	0.08	0.85	0.87	1.00
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）	透明PMMA	4㎜	无色	0.92	0.08	0.85	0.87	1.00
玻璃	夹胶玻璃	4C/1.5PVB/4C	无色	0.86	0.08	0.68	0.74	0.86
玻璃	中空玻璃	4㎜+24A+4㎜	无色	0.81	0.15	0.71	0.77	0.88

注：摘自《导光管采光系统技术规程》表A.0.1

5、导光管内壁反射比：导光管的内壁材料不同对应的参数也不同，具体项目设计室需根据不同厂家提供的对应导光管内壁的材料进行选择计算，本文选用的导光管内壁为增强银反射膜，该材料对应的参数见表5。

导光管内壁反射膜材的反射比-表5

材料名称	总反射比	漫反射比
聚合物反射膜	0.99	＜0.05
增强银反射膜	0.98
增强银反射膜	0.97
增强银反射膜	0.96
增强铝反射膜	0.95

注：摘自《导光管采光系统技术规程》表A.0.2

6、漫射器的可见光透射比：漫射器的材料不同，对应的参数也不同，具体项目设计室需根据不同厂家提供的对应漫射器材料进行选择计算，本文选用的为透明聚碳酸酯，该材料对应的参数见表6。

漫射器材料的可见光透射比-表6

材料类型	型号规格（㎜）	可见光透射比
透明PMMA	2.5	0.90
磨砂PMMA	2.5	0.86
透明聚碳酸酯	3	0.88
磨砂聚碳酸酯	3	0.85

注：摘自《导光管采光系统技术规程》表A.0.3

7、饰面材料反射比（如表7）：饰面材料主要包括顶棚、墙面、地面的饰面材料，结合住宅常用的饰面材料，计算所采用的顶棚和墙面为白色乳胶漆，地面为浅色木地板，玻璃为普通玻璃。

常用材料的反射比ρ值-表7

材料名称	ρ值	材料名称		ρ值
大白粉刷	0.75	瓷釉面砖	白色	0.80
水泥砂浆抹面	0.32	瓷釉面砖	天蓝色	0.55
白色乳胶漆	0.84	无釉陶土地砖	土黄色	0.53
浅色木地板	0.58	无釉陶土地砖	朱砂	0.19
深色木地板	0.10	塑料墙纸	黄白色	0.72
棕色木地板	0.15	塑料墙纸	蓝白色	0.61
混凝土面	0.20	镀膜玻璃	金色	0.23
普通玻璃	0.08	镀膜玻璃	银色	0.30

注：节选自《建筑采光设计标准》D.0.5

8、顶部安装的导光管利用系数：首先根据表7确定顶棚、墙面和地面的饰面材料反射比，本文为特例，具体项目选择对应的材料；其次要根据公式4确定室空间比RCR；然后根据表8选取对应的采光利用系数。

顶部安装的导光管采光系统的采光利用系数-表8

顶棚反射比	室空间比RCR	墙面反射比
顶棚反射比	室空间比RCR	50%	30%	10%
80%	0	1.19	1.19	1.19
	1	1.05	1.00	0.97
	2	0.93	0.86	0.81
	3	0.83	0.76	0.70
	4	0.76	0.67	0.60
	5	0.67	0.59	0.53
	6	0.62	0.53	0.47
	7	0.57	0.49	0.43
	8	0.54	0.47	0.41
	9	0.53	0.46	0.41
	10	0.52	0.45	0.40
50%	0	1.11	1.11	1.11
	1	0.98	0.95	0.92
	2	0.87	0.83	0.78
	3	0.79	0.73	0.68
	4	0.71	0.64	0.59
	5	0.64	0.57	0.52
	6	0.59	0.52	0.47
	7	0.55	0.48	0.43
	8	0.52	0.46	0.41
	9	0.51	0.45	0.40
	10	0.50	0.44	0.40
20%	0	1.04	1.04	1.04
	1	0.92	0.90	0.88
	2	0.83	0.79	0.75
	3	0.75	0.70	0.66
	4	0.68	0.62	0.58
	5	0.61	0.56	0.51
	6	0.57	0.51	0.46
	7	0.53	0.47	0.43
	8	0.51	0.45	0.41
	9	0.50	0.44	0.40
	10	0.49	0.44	0.40
地面反射比为20%

注：摘自《导光管采光系统技术规程》表B.0.1

9、导光管的维护系数：由于是理想化的，本文取值暂按“清洁”考虑，具体在设计过程中考虑实际情况，更接近真实，应结合当地的环境污染情况，确定对应的房间污染程度。

导光管采光系统的维护系数-表9

房间污染程度	安装角度
房间污染程度	垂直	倾斜	水平
清洁	0.90	0.80	0.70
一般	0.80	0.70	0.60
污染严重	0.70	0.60	0.50

注：摘自《导光管采光系统技术规程》表B.0.3

10、导光管的等效长度：当导光管有弯头存在时，需要结合弯头的具体角度进行等效长度换算。

不同弯头角度下的等效长度- 表10

弯头角度（°）	管径
弯头角度（°）	250	350	530	650
30	4.8	3.5	2.3	1.4
60	9.6	5.70	4.5	2.8
90	12.8	7.2	5.8	3.7

注：摘自《导光管采光系统技术规程》表表C.0.1-1

11、导光管的传输效率：对于导光管直段部分，等效长度可按M=L/D来确定；对于导光管有弯头存在时需要换算成等效长度；根据换算的等效长度，从表11中确定导光管的传输效率。

不同等效长度导光管的传输效率-表11

M	反射比
M	0.90	0.95	0.98	0.99
0	1.000	1.000	1.000	1.000
1	0.868	0.930	0.971	0.985
2	0.767	0.871	0.944	0.971
4	0.617	0.772	0.895	0.944
8	0.428	0.623	0.811	0.895
12	0.315	0.516	0.740	0.852
16	0.241	0.435	0.680	0.812
20	0.190	0.372	0.627	0.775

注：摘自《导光管采光系统技术规程》表C.0.1-2

12、不同规格导光管的有效截面面积：对于导光管直段部分，等效长度可按M=L/D来确定；对于导光管有弯头存在时需要换算成等效长度；根据换算的等效长度，从表11中确定导光管的传输效率。

不同规格导光管的有效截面面积-表12

管径尺寸（㎜）	截面面积（㎡）	管径尺寸（㎜）	截面面积（㎡）
250	0.05	650	0.33
350	0.10	750	0.44
530	0.22	900	0.64

注：摘自《导光管采光系统技术规程》条文说明表1

三）采光计算

1、计算公式

①室内水平照度计算公式

（公式1）

——平均水平照度（lx）

——导光管采光系统的数量

——导光管采光系统漫射器的设计输出光通量（lm）

——导光管采光系统的采光利用系数，可按本文表8取值

——维护系数，可按本文表9取值

——房间的地面面积（㎡）

②漫射器的设计输出光通量计算公式

（公式2）

——室外天然光设计照度值（lx），可按本文表3取值

——导光管的有效采光面积（㎡）

——导光管采光系统效率，全阴天空条件下可采用透光折减系数表示

③导光管采光系统效率计算公式

（公式3）

——集光器的可见光透射比，可按本文表4取值

——导光管的传输效率，可按本文计算举例的方法确定

——漫射器的透射比，可按本文表6取值

④室空间比CRC计算公式：

（公式4）

——参考平面至导光管漫射器下沿高度（m）

——房间长度（m）

——房间进深（m）

2、计算举例

已知条件：1、理想模型的平均照度（）：《建筑照明设计标准》（GB50034-2013）取300lx；2、导光管数量（n）为1； 2、参考平面至导光管漫射器下沿高度2.0m；3、室外天然光照度值，查表3为13500；4、反射比：查表7，顶棚ρ_p=0.84（按白色乳胶漆取值），墙面ρ_q=0.84（按白色乳胶漆取值），地面ρ_d=0.58（按浅色木地板取值）；5、房间的地面面积：S=（3.3-0.4）×（3.3-0.4）=8.41；6、集光器可见光透射比：查表4为0.89；7、漫射器的透射比：查表6为0.88；8、导光管的传输效率（）：该理想模型中导光管等效长度小于1，按1考虑，查表5和表11确定为0.971；9、导光管的维护系数（MF）：按清洁考虑，查表为0.90；求导光管的有效采光面积。

解答：根据公式4，计算室空间比RCR得：

RCR=5×2.0×[（3.3-0.4）+（3.3-0.4）]÷（3.3-0.4）×（3.3-0.4）=6.897

室空间比RCR接近7，查表7和表8，对应的顶部安装的导光管的采光利用系数（CU）为0.57。追求精确，可结合表8采用插入法确定采光利用系数。

根据公式4计算导光管采光系统效率得：

=0.89×0.971×0.88=0.760

根据公式1和公式2得：

==0.479㎡

该理想模型情况下需要的导光管有效面积为0.479㎡，查表12可知，对应的导光管管径尺寸应在750和900之间，《导光管采光系统技术规程》（JGJ/T374-2015）中推荐的导光管管径规格为本文表12中所列，故此，应选900管径才满足采光要求。

结语

导光管系统在项目中运用得越来越广泛，但是由于设计同仁接触不多，对导光管系统缺乏深入了解，现实项目中大多交给导光管厂家设计施工，甚至最终是什么效果都不知道，更不用说导光管系统设计得是否合理？是否满足建筑采光的要求？作为一个合格的建筑师，要肩负起对设计项目负责的态度，深入到项目的每一个环节，导光管系统更要参与其中。本文作为抛砖引玉，使各位同仁对导光管建筑的采光计算有一个初步的了解，下一篇文章将结合一个项目案例进一步阐述导光管建筑的采光计算问题。由于计算过程是建立在理想模型基础之上，选取参数也有一定特殊性，再加上篇幅所限，可能还存在没有阐述清楚的地方，恳请各位同行进行斧正。愿与各位同行进一步交流探讨。

参考文献：

[1] JGJ/T374-2015.导光管采光系统技术规程[S].2014.中国建筑工业出版社

[2] GB50033-2013.建筑采光设计标准 [S].2013.中国建筑工业出版社

[3] GB50368-2005.住宅建筑设计规范 [S].2005.中国建筑工业出版社

[4] GB50096-2011.住宅设计规范[S].2011.中国建筑工业出版社

[5] GB50352-2005.民用建筑设计通则 [S].2005.中国建筑工业出版社

[6] GB50034-2013建筑照明设计标准 [S].2013.中国建筑工业出版社

[7] 建筑设计资料集-2（第二版）1994.中国建筑工业出版社

[8] 住宅建筑的采光计算 [J].安长青.武汉勘察设计 2016

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