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初探導(dǎo)光管建筑的采光計(jì)算

2018-02-26 作者：夢(mèng)來(lái)夢(mèng)往

關(guān)鍵詞：導(dǎo)光管 采光系數(shù) 采光計(jì)算 

摘要：筆者先對(duì)導(dǎo)光管系統(tǒng)做了初步介紹，然后結(jié)合位于第Ⅳ光氣候區(qū)的湖北武漢相關(guān)參數(shù)，通過(guò)一個(gè)理想模型的采光計(jì)算過(guò)程向讀者展示了導(dǎo)光管建筑的采光計(jì)算方法，為同仁在項(xiàng)目中進(jìn)行導(dǎo)光管設(shè)計(jì)提供參考。


引言

建筑節(jié)能從1986年之前的理論探索階段，到1986年出臺(tái)了《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，2005年出臺(tái)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2005，2015年出臺(tái)新版《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015,前后經(jīng)歷了30年多年，各類節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)層出不窮，各地也結(jié)合當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)氣象資料出臺(tái)了相應(yīng)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，可見國(guó)家和地方對(duì)節(jié)能的重視。但是目前主要是對(duì)建筑保溫設(shè)計(jì)，設(shè)備上主要是選用節(jié)能器具，可再生能源提到了太陽(yáng)能和地源熱泵系統(tǒng)，節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)通篇沒(méi)有提到導(dǎo)光管采光。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《導(dǎo)光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》JGJ／T 374-2015第1.0.1條“規(guī)范導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工安裝、驗(yàn)收、運(yùn)行和維護(hù)，達(dá)到節(jié)能和保證工程質(zhì)量的目的” ，在這里提到了“節(jié)能”，也就是說(shuō)導(dǎo)光管采光也是節(jié)能的一部分，下次節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)是否該增加導(dǎo)光管采光的章節(jié)能呢？


導(dǎo)光管系統(tǒng)

導(dǎo)光管系統(tǒng)為采集天然光，并經(jīng)管道傳輸?shù)绞覂?nèi)，進(jìn)行天然光照明的采光系統(tǒng)。通俗點(diǎn)說(shuō)即為室外的自然光線透過(guò)采光器，經(jīng)由特殊制作的光導(dǎo)管傳輸至室內(nèi)漫射裝置，把自然光均勻高效地照射到室內(nèi)任何需要光線的地方。通常由集光器、導(dǎo)光管和漫射器組成（見圖1）。


導(dǎo)光管安裝方式

導(dǎo)光管應(yīng)用的范圍非常廣泛，不管是大型場(chǎng)館還是矮小別墅均可適用，安裝方式大概有屋頂安裝、側(cè)墻安裝、路面安裝及綠化安裝（見圖2）。

 圖1 導(dǎo)光管系統(tǒng)（圖片選自正能量官網(wǎng)）

  圖2 導(dǎo)光管安裝方式（筆者自繪）

通過(guò)對(duì)導(dǎo)光管系統(tǒng)的介紹，大家有了一定的了解，介紹導(dǎo)光管系統(tǒng)不是本文的重點(diǎn)，重點(diǎn)是如何進(jìn)行導(dǎo)光管建筑的采光計(jì)算。


采光計(jì)算

為了便于說(shuō)明問(wèn)題，且受篇幅限制，筆者僅以湖北武漢（第Ⅳ光氣候區(qū)）進(jìn)行闡述，其他氣候區(qū)的同仁應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂騾^(qū)進(jìn)行調(diào)整。


一）模型建立

在導(dǎo)光管建筑理想模型建立時(shí)考慮住宅這一功能在我國(guó)占有的比例比較大，故此選取了3300㎜（開間）×3300㎜（進(jìn)深）×3000㎜（層高）的住宅（臥室或起居廳）這一理想模型（見圖3），具體項(xiàng)目需結(jié)合項(xiàng)目自身的具體尺寸進(jìn)行計(jì)算。本文對(duì)采光照度等相關(guān)參數(shù)依據(jù)相關(guān)規(guī)范中住宅這一功能進(jìn)行選取。

 

圖2 導(dǎo)光管系統(tǒng)理想模型（筆者自繪）

二）參數(shù)選取

1、 光氣候分區(qū)：根據(jù)光氣候分區(qū)表（如表1）可以看出，湖北武漢屬于第Ⅳ光氣候區(qū)。（節(jié)選）

光氣候分區(qū)表（節(jié)選）-表1

光氣候區(qū)

省/直轄市

城市


光氣  候區(qū)

省/直轄市

城市

Ⅳ類

江蘇

南京

Ⅳ類

海南

?？?/span>

徐州

湖北

武漢

河北

石家莊

麻城

河南

駐馬店

湖南

長(zhǎng)沙

信陽(yáng)

郴州

南陽(yáng)

常德

陜西

漢中

黑龍江

牡丹江

安康

佳木斯

西安

哈爾濱

浙江

杭州

福建

廈門

溫州

福州

衢州

崇武

注：節(jié)選自《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》A.0.2


2、 采光標(biāo)準(zhǔn)值：依據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》4.0.2（強(qiáng)條），“住宅建筑的臥室、起居室（廳）的采光不應(yīng)低于采光等級(jí)Ⅳ級(jí)的采光標(biāo)準(zhǔn)值”（如表2），采光等級(jí)Ⅳ級(jí)時(shí)，室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值為300。

各采光等級(jí)參考平面上的采光標(biāo)準(zhǔn)值-表2

采光等級(jí)

側(cè)面采光

頂部采光

采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值（%）

室內(nèi)天然采光照度標(biāo)準(zhǔn)值（lx）

采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值（%）

室內(nèi)天然采光照度標(biāo)準(zhǔn)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《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表3.0.3


3、 光氣候系數(shù)：武漢對(duì)應(yīng)的光氣候系數(shù)K值（如表3）為1.10，對(duì)應(yīng)的室外天然光設(shè)計(jì)照度值Es為13500lx。

光氣候系數(shù)K值-表3

光氣候區(qū)

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

K值

0.85

0.90

1.00

1.10

1.20

室外天然光設(shè)計(jì)照度值Es（lx）

18000

16500

15000

13500

12000

注：摘自《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表3.0.4


4、 集光器的光熱參數(shù)：集光器的材料不同，對(duì)應(yīng)的參數(shù)也不同，具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)室需根據(jù)不同廠家提供的對(duì)應(yīng)集光器材料進(jìn)行選擇計(jì)算，本文選用的為聚碳酸酯（PC）透明PC板，該材料對(duì)應(yīng)的參數(shù)見表4。

集光器材料的光熱參數(shù)值-表4

材料類型

材料名稱

規(guī)格

顏色

可見光

太陽(yáng)光

遮陽(yáng)系數(shù)

透射比

反射比

透射比

總透射比

聚碳酸酯（PC）

顆粒PC板

3㎜

無(wú)色

0.86

0.09

0.76

0.80

0.92

透明PC板

3㎜

無(wú)色

0.89

0.09

0.82

0.84

0.97

透明PC板

4㎜

無(wú)色

0.89

0.09

0.81

0.84

0.96

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）

透明PMMA

3㎜

無(wú)色

0.92

0.08

0.85

0.87

1.00

透明PMMA

4㎜

無(wú)色

0.92

0.08

0.85

0.87

1.00

玻璃

夾膠玻璃

4C/1.5PVB/4C

無(wú)色

0.86

0.08

0.68

0.74

0.86

中空玻璃

4㎜+24A+4㎜

無(wú)色

0.81

0.15

0.71

0.77

0.88

注：摘自《導(dǎo)光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》表A.0.1


5、 導(dǎo)光管內(nèi)壁反射比：導(dǎo)光管的內(nèi)壁材料不同對(duì)應(yīng)的參數(shù)也不同，具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)室需根據(jù)不同廠家提供的對(duì)應(yīng)導(dǎo)光管內(nèi)壁的材料進(jìn)行選擇計(jì)算，本文選用的導(dǎo)光管內(nèi)壁為增強(qiáng)銀反射膜，該材料對(duì)應(yīng)的參數(shù)見表5。

導(dǎo)光管內(nèi)壁反射膜材的反射比-表5

材料名稱

總反射比

漫反射比

聚合物反射膜

0.99

＜0.05

增強(qiáng)銀反射膜

0.98

增強(qiáng)銀反射膜

0.97

增強(qiáng)銀反射膜

0.96

增強(qiáng)鋁反射膜

0.95

注：摘自《導(dǎo)光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》表A.0.2


6、 漫射器的可見光透射比：漫射器的材料不同，對(duì)應(yīng)的參數(shù)也不同，具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)室需根據(jù)不同廠家提供的對(duì)應(yīng)漫射器材料進(jìn)行選擇計(jì)算，本文選用的為透明聚碳酸酯，該材料對(duì)應(yīng)的參數(shù)見表6。

漫射器材料的可見光透射比-表6

材料類型

型號(hào)規(guī)格（㎜）

可見光透射比

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《導(dǎo)光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》表A.0.3


7、 飾面材料反射比（如表7）：飾面材料主要包括頂棚、墻面、地面的飾面材料，結(jié)合住宅常用的飾面材料，計(jì)算所采用的頂棚和墻面為白色乳膠漆，地面為淺色木地板，玻璃為普通玻璃。

 常用材料的反射比ρ值-表7

材料名稱

ρ值

材料名稱

ρ值

大白粉刷

0.75

瓷釉面磚

白色

0.80

水泥砂漿抹面

0.32

天藍(lán)色

0.55

白色乳膠漆

0.84

無(wú)釉陶土地磚

土黃色

0.53

淺色木地板

0.58

朱砂

0.19

深色木地板

0.10

塑料墻紙

黃白色

0.72

棕色木地板

0.15

藍(lán)白色

0.61

混凝土面

0.20

鍍膜玻璃

金色

0.23

普通玻璃

0.08

銀色

0.30

注：節(jié)選自《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》D.0.5


8、 頂部安裝的導(dǎo)光管利用系數(shù)：首先根據(jù)表7確定頂棚、墻面和地面的飾面材料反射比，本文為特例，具體項(xiàng)目選擇對(duì)應(yīng)的材料；其次要根據(jù)公式4確定室空間比RCR；然后根據(jù)表8選取對(duì)應(yīng)的采光利用系數(shù)。

頂部安裝的導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的采光利用系數(shù)-表8

頂棚反射比

室空間比RCR

墻面反射比

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

地面反射比為20%

注：摘自《導(dǎo)光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》表B.0.1


9、 導(dǎo)光管的維護(hù)系數(shù)：由于是理想化的，本文取值暫按“清潔”考慮，具體在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮實(shí)際情況，更接近真實(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境污染情況，確定對(duì)應(yīng)的房間污染程度。

導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的維護(hù)系數(shù)-表9

房間污染程度

安裝角度

垂直

傾斜

水平

清潔

0.90

0.80

0.70

一般

0.80

0.70

0.60

污染嚴(yán)重

0.70

0.60

0.50

注：摘自《導(dǎo)光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》表B.0.3


10、 導(dǎo)光管的等效長(zhǎng)度：當(dāng)導(dǎo)光管有彎頭存在時(shí)，需要結(jié)合彎頭的具體角度進(jìn)行等效長(zhǎng)度換算。

不同彎頭角度下的等效長(zhǎng)度- 表10

彎頭角度（°）

管徑

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《導(dǎo)光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》表表C.0.1-1


11、 導(dǎo)光管的傳輸效率：對(duì)于導(dǎo)光管直段部分，等效長(zhǎng)度可按M=L/D來(lái)確定；對(duì)于導(dǎo)光管有彎頭存在時(shí)需要換算成等效長(zhǎng)度；根據(jù)換算的等效長(zhǎng)度，從表11中確定導(dǎo)光管的傳輸效率。

不同等效長(zhǎng)度導(dǎo)光管的傳輸效率-表11

M

反射比

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《導(dǎo)光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》表C.0.1-2


12、 不同規(guī)格導(dǎo)光管的有效截面面積：對(duì)于導(dǎo)光管直段部分，等效長(zhǎng)度可按M=L/D來(lái)確定；對(duì)于導(dǎo)光管有彎頭存在時(shí)需要換算成等效長(zhǎng)度；根據(jù)換算的等效長(zhǎng)度，從表11中確定導(dǎo)光管的傳輸效率。

不同規(guī)格導(dǎo)光管的有效截面面積-表12

管徑尺寸（㎜）

截面面積（㎡）

管徑尺寸（㎜）

截面面積（㎡）

250

0.05

650

0.33

350

0.10

750

0.44

530

0.22

900

0.64

注：摘自《導(dǎo)光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》條文說(shuō)明表1


三）采光計(jì)算

1、計(jì)算公式

①室內(nèi)水平照度計(jì)算公式

 （公式1）

——平均水平照度（lx）

——導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的數(shù)量

——導(dǎo)光管采光系統(tǒng)漫射器的設(shè)計(jì)輸出光通量（lm）

——導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的采光利用系數(shù)，可按本文表8取值

——維護(hù)系數(shù)，可按本文表9取值

——房間的地面面積（㎡）


②漫射器的設(shè)計(jì)輸出光通量計(jì)算公式

   （公式2）

——室外天然光設(shè)計(jì)照度值（lx），可按本文表3取值

——導(dǎo)光管的有效采光面積（㎡）

——導(dǎo)光管采光系統(tǒng)效率，全陰天空條件下可采用透光折減系數(shù)表示

 

③導(dǎo)光管采光系統(tǒng)效率計(jì)算公式

    （公式3）

——集光器的可見光透射比，可按本文表4取值

——導(dǎo)光管的傳輸效率，可按本文計(jì)算舉例的方法確定

——漫射器的透射比，可按本文表6取值

 

④室空間比CRC計(jì)算公式：

     （公式4）

——參考平面至導(dǎo)光管漫射器下沿高度（m）

——房間長(zhǎng)度（m）

——房間進(jìn)深（m）

 

2、計(jì)算舉例

已知條件：1、理想模型的平均照度（）：《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）取300lx；2、導(dǎo)光管數(shù)量（n）為1； 2、參考平面至導(dǎo)光管漫射器下沿高度2.0m；3、室外天然光照度值，查表3為13500；4、反射比：查表7，頂棚ρp=0.84（按白色乳膠漆取值），墻面ρq=0.84（按白色乳膠漆取值），地面ρd=0.58（按淺色木地板取值）；5、房間的地面面積：S=（3.3-0.4）×（3.3-0.4）=8.41；6、集光器可見光透射比：查表4為0.89；7、漫射器的透射比：查表6為0.88；8、導(dǎo)光管的傳輸效率（）：該理想模型中導(dǎo)光管等效長(zhǎng)度小于1，按1考慮，查表5和表11確定為0.971；9、導(dǎo)光管的維護(hù)系數(shù)（MF）：按清潔考慮，查表為0.90；求導(dǎo)光管的有效采光面積。

解答：根據(jù)公式4，計(jì)算室空間比RCR得：

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

室空間比RCR接近7，查表7和表8，對(duì)應(yīng)的頂部安裝的導(dǎo)光管的采光利用系數(shù)（CU）為0.57。追求精確，可結(jié)合表8采用插入法確定采光利用系數(shù)。

根據(jù)公式4計(jì)算導(dǎo)光管采光系統(tǒng)效率 得：

=0.89×0.971×0.88=0.760

根據(jù)公式1和公式2得：

==0.479㎡

該理想模型情況下需要的導(dǎo)光管有效面積為0.479㎡，查表12可知，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)光管管徑尺寸應(yīng)在750和900之間，《導(dǎo)光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T374-2015）中推薦的導(dǎo)光管管徑規(guī)格為本文表12中所列，故此，應(yīng)選900管徑才滿足采光要求。


結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)光管系統(tǒng)在項(xiàng)目中運(yùn)用得越來(lái)越廣泛，但是由于設(shè)計(jì)同仁接觸不多，對(duì)導(dǎo)光管系統(tǒng)缺乏深入了解，現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中大多交給導(dǎo)光管廠家設(shè)計(jì)施工，甚至最終是什么效果都不知道，更不用說(shuō)導(dǎo)光管系統(tǒng)設(shè)計(jì)得是否合理？是否滿足建筑采光的要求？作為一個(gè)合格的建筑師，要肩負(fù)起對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)的態(tài)度，深入到項(xiàng)目的每一個(gè)環(huán)節(jié)，導(dǎo)光管系統(tǒng)更要參與其中。本文作為拋磚引玉，使各位同仁對(duì)導(dǎo)光管建筑的采光計(jì)算有一個(gè)初步的了解，下一篇文章將結(jié)合一個(gè)項(xiàng)目案例進(jìn)一步闡述導(dǎo)光管建筑的采光計(jì)算問(wèn)題。由于計(jì)算過(guò)程是建立在理想模型基礎(chǔ)之上，選取參數(shù)也有一定特殊性，再加上篇幅所限，可能還存在沒(méi)有闡述清楚的地方，懇請(qǐng)各位同行進(jìn)行斧正。愿與各位同行進(jìn)一步交流探討。

 

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