初探導光管建筑的采光計算
關鍵詞：導光管 采光系數 采光計算
摘要：筆者先對導光管系統(tǒng)做了初步介紹，然后結合位于第Ⅳ光氣候區(qū)的湖北武漢相關參數，通過一個理想模型的采光計算過程向讀者展示了導光管建筑的采光計算方法，為同仁在項目中進行導光管設計提供參考。
引言
建筑節(jié)能從1986年之前的理論探索階段，到1986年出臺了《民用建筑節(jié)能設計標準》，2005年出臺《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2005，2015年出臺新版《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2015,前后經歷了30年多年，各類節(jié)能標準層出不窮，各地也結合當地的相關氣象資料出臺了相應的節(jié)能標準，可見國家和地方對節(jié)能的重視。但是目前主要是對建筑保溫設計，設備上主要是選用節(jié)能器具，可再生能源提到了太陽能和地源熱泵系統(tǒng)，節(jié)能標準通篇沒有提到導光管采光。在行業(yè)標準《導光管采光系統(tǒng)技術規(guī)程》JGJ／T 374-2015第1.0.1條“規(guī)范導光管采光系統(tǒng)的設計、施工安裝、驗收、運行和維護，達到節(jié)能和保證工程質量的目的” ，在這里提到了“節(jié)能”，也就是說導光管采光也是節(jié)能的一部分，下次節(jié)能標準修訂時是否該增加導光管采光的章節(jié)能呢？
導光管系統(tǒng)
導光管系統(tǒng)為采集天然光，并經管道傳輸到室內，進行天然光照明的采光系統(tǒng)。通俗點說即為室外的自然光線透過采光器，經由特殊制作的光導管傳輸至室內漫射裝置，把自然光均勻高效地照射到室內任何需要光線的地方。通常由集光器、導光管和漫射器組成（見圖1）。
導光管安裝方式
導光管應用的范圍非常廣泛，不管是大型場館還是矮小別墅均可適用，安裝方式大概有屋頂安裝、側墻安裝、路面安裝及綠化安裝（見圖2）。
圖1 導光管系統(tǒng)（圖片選自正能量官網）
圖2 導光管安裝方式（筆者自繪）
通過對導光管系統(tǒng)的介紹，大家有了一定的了解，介紹導光管系統(tǒng)不是本文的重點，重點是如何進行導光管建筑的采光計算。
采光計算
為了便于說明問題，且受篇幅限制，筆者僅以湖北武漢（第Ⅳ光氣候區(qū)）進行闡述，其他氣候區(qū)的同仁應結合當地氣候區(qū)進行調整。
一）模型建立
在導光管建筑理想模型建立時考慮住宅這一功能在我國占有的比例比較大，故此選取了3300㎜（開間）×3300㎜（進深）×3000㎜（層高）的住宅（臥室或起居廳）這一理想模型（見圖3），具體項目需結合項目自身的具體尺寸進行計算。本文對采光照度等相關參數依據相關規(guī)范中住宅這一功能進行選取。
圖2 導光管系統(tǒng)理想模型（筆者自繪）
二）參數選取
1、 光氣候分區(qū)：根據光氣候分區(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 |
海口 |
|
|
徐州 |
湖北 |
武漢 |
||||
|
河北 |
石家莊 |
麻城 |
||||
|
河南 |
駐馬店 |
湖南 |
長沙 |
|||
|
信陽 |
郴州 |
|||||
|
南陽 |
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《建筑采光設計標準》A.0.2
2、 采光標準值：依據《建筑采光設計標準》4.0.2（強條），“住宅建筑的臥室、起居室（廳）的采光不應低于采光等級Ⅳ級的采光標準值”（如表2），采光等級Ⅳ級時，室內天然光照度標準值為300。
各采光等級參考平面上的采光標準值-表2
|
采光等級 |
側面采光 |
頂部采光 |
||
|
采光系數標準值（%） |
室內天然采光照度標準值（lx） |
采光系數標準值（%） |
室內天然采光照度標準值（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《建筑采光設計標準》表3.0.3
3、 光氣候系數：武漢對應的光氣候系數K值（如表3）為1.10，對應的室外天然光設計照度值Es為13500lx。
光氣候系數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 |
|
室外天然光設計照度值Es（lx） |
18000 |
16500 |
15000 |
13500 |
12000 |
注：摘自《建筑采光設計標準》表3.0.4
4、 集光器的光熱參數：集光器的材料不同，對應的參數也不同，具體項目設計室需根據不同廠家提供的對應集光器材料進行選擇計算，本文選用的為聚碳酸酯（PC）透明PC板，該材料對應的參數見表4。
集光器材料的光熱參數值-表4
|
材料類型 |
材料名稱 |
規(guī)格 |
顏色 |
可見光 |
太陽光 |
遮陽系數 |
||
|
透射比 |
反射比 |
透射比 |
總透射比 |
|||||
|
聚碳酸酯（PC） |
顆粒PC板 |
3㎜ |
無色 |
0.86 |
0.09 |
0.76 |
0.80 |
0.92 |
|
透明PC板 |
3㎜ |
無色 |
0.89 |
0.09 |
0.82 |
0.84 |
0.97 |
|
|
透明PC板 |
4㎜ |
無色 |
0.89 |
0.09 |
0.81 |
0.84 |
0.96 |
|
|
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） |
透明PMMA |
3㎜ |
無色 |
0.92 |
0.08 |
0.85 |
0.87 |
1.00 |
|
透明PMMA |
4㎜ |
無色 |
0.92 |
0.08 |
0.85 |
0.87 |
1.00 |
|
|
玻璃 |
夾膠玻璃 |
4C/1.5PVB/4C |
無色 |
0.86 |
0.08 |
0.68 |
0.74 |
0.86 |
|
中空玻璃 |
4㎜+24A+4㎜ |
無色 |
0.81 |
0.15 |
0.71 |
0.77 |
0.88 |
|
注：摘自《導光管采光系統(tǒng)技術規(guī)程》表A.0.1
5、 導光管內壁反射比：導光管的內壁材料不同對應的參數也不同，具體項目設計室需根據不同廠家提供的對應導光管內壁的材料進行選擇計算，本文選用的導光管內壁為增強銀反射膜，該材料對應的參數見表5。
導光管內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 |
|
增強銀反射膜 |
0.98 |
|
|
增強銀反射膜 |
0.97 |
|
|
增強銀反射膜 |
0.96 |
|
|
增強鋁反射膜 |
0.95 |
注：摘自《導光管采光系統(tǒng)技術規(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，對應的參數也不同，具體項目設計室需根據不同廠家提供的對應漫射器材料進行選擇計算，本文選用的為透明聚碳酸酯，該材料對應的參數見表6。
漫射器材料的可見光透射比-表6
|
材料類型 |
型號規(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《導光管采光系統(tǒng)技術規(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，結合住宅常用的飾面材料，計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 |
天藍色 |
0.55 |
|
|
白色乳膠漆 |
0.84 |
無釉陶土地磚 |
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《建筑采光設計標準》D.0.5
8、 頂部安裝的導光管利用系數：首先根據表7確定頂棚、墻面和地面的飾面材料反射比，本文為特例，具體項目選擇對應的材料；其次要根據公式4確定室空間比RCR；然后根據表8選取對應的采光利用系數。
頂部安裝的導光管采光系統(tǒng)的采光利用系數-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《導光管采光系統(tǒng)技術規(guī)程》表B.0.1
9、 導光管的維護系數：由于是理想化的，本文取值暫按“清潔”考慮，具體在設計過程中考慮實際情況，更接近真實，應結合當地的環(huán)境污染情況，確定對應的房間污染程度。
導光管采光系統(tǒng)的維護系數-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 |
|
污染嚴重 |
0.70 |
0.60 |
0.50 |
注：摘自《導光管采光系統(tǒng)技術規(guī)程》表B.0.3
10、 導光管的等效長度：當導光管有彎頭存在時，需要結合彎頭的具體角度進行等效長度換算。
不同彎頭角度下的等效長度- 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《導光管采光系統(tǒng)技術規(guī)程》表表C.0.1-1
11、 導光管的傳輸效率：對于導光管直段部分，等效長度可按M=L/D來確定；對于導光管有彎頭存在時需要換算成等效長度；根據換算的等效長度，從表11中確定導光管的傳輸效率。
不同等效長度導光管的傳輸效率-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《導光管采光系統(tǒng)技術規(guī)程》表C.0.1-2
12、 不同規(guī)格導光管的有效截面面積：對于導光管直段部分，等效長度可按M=L/D來確定；對于導光管有彎頭存在時需要換算成等效長度；根據換算的等效長度，從表11中確定導光管的傳輸效率。
不同規(guī)格導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《導光管采光系統(tǒng)技術規(guī)程》條文說明表1
三）采光計算
1、計算公式
①室內水平照度計算公式
（公式1）
——平均水平照度（lx）
——導光管采光系統(tǒng)的數量
——導光管采光系統(tǒng)漫射器的設計輸出光通量（lm）
——導光管采光系統(tǒng)的采光利用系數，可按本文表8取值
——維護系數，可按本文表9取值
——房間的地面面積（㎡）
②漫射器的設計輸出光通量計算公式
（公式2）
——室外天然光設計照度值（lx），可按本文表3取值
——導光管的有效采光面積（㎡）
——導光管采光系統(tǒng)效率，全陰天空條件下可采用透光折減系數表示
③導光管采光系統(tǒng)效率計算公式
（公式3）
——集光器的可見光透射比，可按本文表4取值
——導光管的傳輸效率，可按本文計算舉例的方法確定
——漫射器的透射比，可按本文表6取值
④室空間比CRC計算公式：
（公式4）
——參考平面至導光管漫射器下沿高度（m）
——房間長度（m）
——房間進深（m）
2、計算舉例
已知條件：1、理想模型的平均照度（）：《建筑照明設計標準》（GB50034-2013）取300lx；2、導光管數量（n）為1； 2、參考平面至導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、導光管的傳輸效率（
）：該理想模型中導光管等效長度小于1，按1考慮，查表5和表11確定為0.971；9、導光管的維護系數（MF）：按清潔考慮，查表為0.90；求導光管的有效采光面積。
解答：根據公式4，計算室空間比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，對應的頂部安裝的導光管的采光利用系數（CU）為0.57。追求精確，可結合表8采用插入法確定采光利用系數。
根據公式4計算導光管采光系統(tǒng)效率 得：
=0.89×0.971×0.88=0.760
根據公式1和公式2得：
=
=0.479㎡
該理想模型情況下需要的導光管有效面積為0.479㎡，查表12可知，對應的導光管管徑尺寸應在750和900之間，《導光管采光系統(tǒng)技術規(guī)程》（JGJ/T374-2015）中推薦的導光管管徑規(guī)格為本文表12中所列，故此，應選900管徑才滿足采光要求。
結語
導光管系統(tǒng)在項目中運用得越來越廣泛，但是由于設計同仁接觸不多，對導光管系統(tǒng)缺乏深入了解，現實項目中大多交給導光管廠家設計施工，甚至最終是什么效果都不知道，更不用說導光管系統(tǒng)設計得是否合理？是否滿足建筑采光的要求？作為一個合格的建筑師，要肩負起對設計項目負責的態(tài)度，深入到項目的每一個環(huán)節(jié)，導光管系統(tǒng)更要參與其中。本文作為拋磚引玉，使各位同仁對導光管建筑的采光計算有一個初步的了解，下一篇文章將結合一個項目案例進一步闡述導光管建筑的采光計算問題。由于計算過程是建立在理想模型基礎之上，選取參數也有一定特殊性，再加上篇幅所限，可能還存在沒有闡述清楚的地方，懇請各位同行進行斧正。愿與各位同行進一步交流探討。
參考文獻：
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- 人民防空地下室施工圖設計文件審查要點 RFJ 06-2008
- 住宅室內裝飾裝修工程質量驗收規(guī)范[附條文說明] JGJ/T 304-2013
- 房屋建筑和市政基礎設施工程施工分包管理辦法 2019年修改
- 建筑防腐蝕工程施工規(guī)范[附條文說明] GB 50212-2014
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- 建筑工程綠色施工評價標準[附條文說明] GB/T 50640-2010
- 人民防空工程施工及驗收規(guī)范[附條文說明] GB 50134-2004
- 潔凈廠房施工及質量驗收規(guī)范[附條文說明] GB 51110-2015
- 非滲油蠕變橡膠防水涂料應用技術規(guī)程[附條文說明] T/CECS 534-2018
- 施工現場臨時建筑物技術規(guī)范[附條文說明] JGJ/T 188-2009
- 煙囪工程施工及驗收規(guī)范[附條文說明] GB 50078-2008
- 建筑工程冬期施工規(guī)程[附條文說明] JGJ/T 104-2011
- 組合樓板設計與施工規(guī)范[附條文說明] CECS 273：2010
- 建筑防水工程現場檢測技術規(guī)范[附條文說明] JGJ/T 299-2013
- 泡沫混凝土應用技術規(guī)程[附條文說明] JGJ/T 341-2014
- 人民防空工程質量驗收與評價標準[附條文說明] RFJ 01-2015
- 盾構法隧道施工及驗收規(guī)范[附條文說明] GB 50446-2017
