导光管在地铁采光中的应用前景探讨★

那艳玲 李 伟

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251； 2.天津城建大学建筑学院，天津 300384)

导光管在地铁采光中的应用前景探讨★

那艳玲1李 伟2*

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251； 2.天津城建大学建筑学院，天津 300384)

对不同类型导光管的光线传输原理进行了阐述，并对导光管在天然光照明中的应用情况进行了介绍，探讨了导光管在地铁采光中的应用前景，总结了地铁空间利用导光管进行天然光照明的优点及存在的问题。

地铁，导光管，采光，节能

0 引言

随着我国经济的发展以及城市建设的提速，地铁已成为众多城市中优先考虑的交通模式。截至2013年5月，全国运营的地铁里程已达2 518.6 km，其中排名第一的上海，地铁运营里程已达473 km。地铁已逐渐成为城市尤其是大城市交通中不可缺少的一部分。由于地铁空间绝大部分位于地下，其声、光、热等物理环境与地上空间显著不同。尤其是光环境，更是与地上空间有极大的差异。由于其空间的特殊性，地铁在运营时段内无法提供天然光照明，其内部的光环境完全依靠人工照明解决，这不仅加剧了能源应用的压力，同时也对长时间停留在地铁内的工作人员及乘客的身心健康有一定的影响。因此，如何有效地将天然光引入地铁空间的照明中，是地铁环控领域一个亟待解决的问题。

从目前已知的地铁采光方法来看，利用导光管技术进行地铁采光，无论从采光水平、节能效果还是经济性、施工难度等方面，均是一种很有潜力的地铁采光方式，具有较大的深入研究价值。

1 导光管照明的发展

导光管是一种特殊的照明设施，它一般由光源、传光系统、出光系统三部分组成。光源发出的光线可以通过传光系统传输并通过出光系统均匀地分布在传输路径范围内。光线的传输原理一般有镜面反射和棱镜全反射两种。导光管的安装方式既可为垂直式，也可为水平式。目前的实际应用中以垂直安装的镜面反射导光管系统居多。

导光管的发明人为俄国科学家契科列夫。而世界上第一个与导光管有关的专利则是美国科学家威廉·威勒获得的[1]。

与契科列夫同一时期还有许多科研人员在进行导光管方面的研究，主要是美国的一些科学家。这一时期的导光管系统主要是以透镜式或镜面式为主，其光线利用方式主要是以反射传光加透射出光的方式为主。这一时期导光管的系统效率相对较低，实际应用领域也较窄，但他们的研究工作对该领域的发展起了极大的推动作用[2,3]。

1981年，加拿大哥伦比亚大学的Whitehead教授发明了利用全反射原理传输光线的棱镜导光管[4]。该项技术的发明，极大推动了导光管技术的发展。其应用于实践当中的棱镜导光管系统，是将由美国3M公司制作的棱镜薄膜卷绕成筒状或方形，由端部光源发出的光线以小于29.2°的角度入射时发生全反射而向前传播，这一原理极大地提高了导光管系统的光线传输效率。

2 导光管采光的应用实例

2.1 英国某研究中心的一个房间

该办公室的面积约12 m2(4 m×3 m)。房间被划分为六个区域进行测试。房间平面见图1。该房间共采用了两根镜面反射导光管进行天然采光，分别安装于区域1和区域5的位置。两导光管的长度均为1.22 m，地面与导光管下端距离均为2.5 m。

测试时间与天气条件：8月5日，阴转晴。具体测试数据如下：整个房间的天然光照明最大值为518 lx，位于区域5，时间在下午一点；照度最小值为157 lx，位于区域2，时间在上午九点半。六个区域的天然光照度平均值分别为409 lx，249 lx，260 lx，289 lx，310 lx，440 lx。整个房间的天然光平均照度为326 lx，能够达到相关规范规定的天然光照度要求。

2.2 澳大利亚某大学研究中心

该幢建筑的导光管采用水平方式布置，安装于建筑物的屋顶上，屋顶距地面的高度为4 m。测试时天气条件为晴天，工作面设置为距地面0.75 m的水平面(见图2)。

测试结果表明，工作面上的天然光照度值最大为700 lx，平均天然光照度为320 lx左右。与其他导光管采光方式不同的是，该建筑采用的导光管照明系统还设置了自然通风装置，在进行天然采光的同时还能够利用热压进行通风，进一步提高了环境的舒适性。

3 导光管在地铁采光中的应用

图3为地铁空间利用导光管采光的示意图。

如图3所示，整个采光系统由如下部分组成：光线跟踪子系统、光线聚集子系统、光线传输子系统、光线出射子系统、人工照明辅助子系统。系统工作原理：根据太阳高度角和方位角的变化规律，光线跟踪系统控制采光板，使其始终正对太阳位置。在采光板涂覆高反射率的薄膜，将光线反射至无缝棱镜导光管光线输入端，为增加有效光通，光线输入端采用三个导光管并行垂直，光线通过垂直导光管传输至具有高反射率表面的折光板，经过折光板反射的光线进入水平放置的棱镜导光管输入端，光线在向前传播的同时，即可通过导光管本身的输出部分分布于地下空间。同时，在棱镜导光管内设LED线形光源，作为人工照明辅助子系统，当阴雨天气或照度不足时，由照度传感器感知并开启人工照明，以保证地铁空间足够的照度。

尽管导光管在地铁采光中有着诸多的优点，但也存在着一些急需解决的问题，如导光管系统与地铁土建结构的结合形式、安装方式、施工工艺等还不成熟；导光管照明系统的传输效率还有待于进一步提高；系统效率容易受天气影响；系统的地面部分与城市景观、市政设施结合的方式还有待深入考虑等。

总体上看，导光管采光在地铁空间具有极大的应用潜力。一个设计良好的导光管采光系统，不但在节约照明用电方面具有显著的经济效益，而且其传输的天然光将极大的改善地铁内的光环境，从而促进人们的身心健康，由此产生的社会效益是巨大的。

[1] Wheeler W.Apparatus for lighting dwellings or other structures, U.S. Patent,247229(1881).

[2] 张粹伟.空腔导光管的发展历史和应用领域[J].中国照明电器，2001(9)：20-24.

[3] 宁 华，杨蔚然.导光管的应用与发展[J].中国照明电器，2000(3)：27-29.

[4] Lorne A. Whitehead, U.S. Patent,4260220(1981).

A discussion on daylighting in subway station using light pipes★

NA Yan-ling1LI Wei2*(1.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300251， China; 2.School of Architecture, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

Light-transporting principle of different light pipes is introduced in this paper and applications of daylighting using light pipes are described. Then the perspective of daylighting in subway stations using light pipes is analyzed and advantages and problems are discussed.

subway, light pipe, daylighting, energy saving

1009-6825(2014)36-0120-02

2014-10-15 ★:天津市自然科学基金资助项目(项目编号：11JCYBJC03000)

那艳玲(1975- )，女，教授级高级工程师

李 伟(1975- )，男，副教授

TU113

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