太阳能光导管对室内温度影响的实验研究.doc

太阳能光导管对室内温度影响试验研究

北京科技大学 吴延鹏 王晓东 金仁东 冯建明 白佳宾 刘立

摘要
太阳能光导管是绿色照明、 节省电能良好采光照明方法, 不过太阳能光导管把室外自然光引进室内同时, 带来温度效应也不容忽略。假如室内温度过高, 太阳能光导管满足了室内光环境同时却对室内热环境带来不良影响。本文经过实际建筑中应用直径为360mm, 长2.6m侧采光和相同直径长1.2m顶部采光太阳能光导管进行了试验研究。对北京科技大学体育馆太阳能光导管系统进行了温度效应测试。试验结果表明太阳能光导管对室内温度影响并不大, 不会显著影响室内热环境。
关键词 太阳能光导管 建筑环境 温度

1 引言
各国科研机构已把太阳能利用作为关键发展项目, 太阳能光利用是其中一个关键方面。在欧美及日本等发达国家, 已开发出一系列太阳能光导照明系统, 并在学校、 博物馆、 办公楼、 体育场馆、 公共厕所、 垃圾处理厂等公共设施及工业与民用建筑中广泛应用, 实现了白天完全或部分利用自然光照明, 从而大大节省了电能, 提升了室内环境品质。现在太阳能光导照明技术及产品正在快速发展中, 关键有光纤照明和光导管照明两种方法。太阳能光导管是近二十年发展起来一个新型照明装置, 这种装置不一样于以往任何灯具, 它能够把光源所发出光线进行重新分配, 从一个地方传输到另一个地方, 以达成一定采光照明效果, 从而节省白天照明用电[1]。
太阳能光导管关键包含三部分: 采光（聚光）部分、 光线传输部分（光导管本体）、 光线漫射部分（也称为散光板、 散光片或漫射器）。其中光线传输部分是太阳能光导管关键部件。
2 侧采光太阳能光导管对室内温度影响
图1为办公建筑侧采光太阳能光导管室外部分[2]。太阳能光导管长2.6m, 直径0.36m, 相对长度为7.2, 关键部件是圆柱形铝箔卷成空心管道, 内表面涂有高反射率材料, 反射比为0.82。管道在水平光导管本体与垂直散光板本体连接处有一弯头, 散光板距地面2.15m。图2为夏季晴天太阳直射下试验结果。分别用温度计测量室外温度、 散光板下2m处被遮挡温度和散光板下2m处于光导管照射下温度, 试验结果表明, 因为太阳能光导管存在, 并没有造成室内温度升高, 从图2可知, 因为太阳能光导管存在反而起到了一定保温隔热效果。

图1 侧采光太阳能光导管室外部分

图2 侧采光太阳能光导管对室内温度影响

3 顶部采光太阳能光导管对室内温度影响
顶部采光太阳能光导管是中国外最流行太阳能光导管形式, 原因在于传输距离较短, 光损耗比较少, 所以通常见到太阳能光导管均为顶部采光。顶部采光太阳能光导管因为需要安装在屋顶, 光导管本体需要穿越楼顶, 不管在平屋顶还是坡屋顶, 在安装太阳能光导管前都需要在屋顶专门预留孔洞。图3为太阳能光导管室外部分, 图4为太阳能光导管室内部分。顶部采光太阳能光导管采光罩、 光导管本体材料与侧采光完全相同, 但长度不一样, 长1.2m。顶部采光太阳能光导管共安装了两套, 所以制作了两种不一样散光板, 一个是雪花型散光板, 如图5; 一个是菱型散光板, 如图6。这两种散光板材料均为聚丙乙烯, 一侧完全相同, 均为光面, 另一侧漫射面结构不一样[2]。

图3 顶部采光室外部分 图4 顶部采光室内部分

图5 雪花型散光板（部分） 图6 菱型散光板（部分）

顶部采光太阳能光导管对室内温度影响经过测量室内外温度和散光板外表面温度来考察。散光板因为距离地面比较高, 不方便直接测量, 采取NEC TH5104红外热像仪测量。TH5104温度跟踪仪是一个便携式、 非接触式高灵敏度红外热成像仪, 它能对被测物辐射红外能量进行光学扫描, 并将光学扫描得到温度信号转换成二维数据信号得出一热像图（温度分布图）, 从探测器反馈模拟信号进入控制器, 在LCD监测器上显示彩色或黑白热图像。TH5104红外热像仪测温范围是-10℃~800℃, 温度分辨率为0.1℃, 波长为3~5.3μm, 精度为±1.0%（F.R.S), 空间分辨率为2.2mrad, 采取热电制冷方法。分别用NEC TH5104红外热像仪拍摄两个顶部采光光导管散光板, 发射率取0.9, 得到图7和图8。
图7为带有雪花型散光板太阳能光导管散光板外表面温度分布图。散光板中心、 沿着散光板边缘和1/2半径处分别做出温度标识: a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h、 i。从图上能够看出, 从圆心a点开始在相同半径上各点温度分布比较均匀, 不过温度最大值并没有出现在散光板中心, 这和侧采光太阳能光导管试验研究中结果是一致。f、 g、 h、 i

图7 雪花型散光板外表面温度分布 图8 菱型散光板外表面温度分布

四点同处于散光板1/2半径处, 最大值和最小值温度相差0.2℃; b、 c、 d、 e四点均处于散光板边缘, 最大值和最小值温度相差0.4℃。散光板中心处温度为19.7℃, 散光板平均温度为18.94℃。在同一时刻, 用三个RH-LOG温度自记仪分别测量室内空气温度、 室外空气温度和采光罩表面温度, 测得室内空气温度为18.1℃, 室外空气温度为21.49℃, 采光罩表面温度为23.39℃。带有雪花型散光板太阳能光导管散光板表面温度与室内温度差值为0.84℃。
带有菱型散光板太阳能光导管散光板外表面温度分布图如图8, 散光板中心处温度为19.2℃, 散光板平均温度为18.79℃。同一时刻测得室内空气温度为17.62℃, 室外空气温度为21.49℃, 采光罩表面温度为23.83℃。带有菱型散光板顶部采光太阳能光导管散光板表面温度与室内温度差值为1.17℃。从试验结果看, 能够得出与带有雪花型散光板太阳能光导管相同结论。对比图7和图8, 带有雪花型散光板光导管散光板外表面温度高于带有菱型散光板光导管散光板外表面温度, 平均温度高0.15℃, 尤其是散光板中心高0.5℃。这与文件[2]中照度测量结果是一致, 说明试验结果是正确。试验表明, 顶部采光太阳能光导管系统对室内温度影响不大。
4 北京科技大学体育馆太阳能光导管温度效应测试
北京科技大学体育馆是现在世界上体育建筑中最大太阳能光导管系统应用工程。体育馆内比赛训练场地（45m×30m=1350m2）采取太阳能光导管进行照明。室外临界照度值为0Lux时, 指定场地地面室内临界照度为135 Lux, 采光均匀度≥0.7, 可满足通常体育课教学要求。体育馆光导管最底端漫射器距离地面还有17m距离, 每根光导管长7.5m。北京科技大学体育馆所使用太阳能光导管为美国Solatube企业生产直径为530mm光导管。
试验在5月27日下午进行, 天气晴朗, 太阳辐射较强, 室外气温为27℃。测量场地北京科技大学体育场内空调系统开启。因为空调系统对测量有影响, 太阳能光导管对室内温度影响在太阳能光导管漫射器所处屋顶面最大, 伴随测点与太阳能光导管漫射器垂直距离增加, 太阳能光导管对室内温度影响逐步减小。为减小其它原因对试验影响, 试验中研究对象集中在太阳能光导管漫射器所处平面周围。

图9 体育馆屋顶内部太阳能光导管效果图

图10 体育馆屋顶内部红外热像图及温标

图9为晴天时北京科技大学体育馆太阳能光导管室内部分, 图中太阳能光导管使工作面处达成了足够照度水平, 且照度均匀, 无眩光。图10为部分太阳能光导管漫射器红外热像图, 图中展现橘红色、 温度较高圆形部分为太阳能光导管室内漫射器。漫射器表面结构呈网格状, 厚度随网格改变不均, 透射太阳辐射不一样, 是造成温度改变曲线中间段温度成锯齿状改变原因。温度在达成漫射器边缘时温度快速降低, 逐步达成屋顶表面材料温度水平, 可见在有光线散出漫射器表面温度高于没有光线边缘地带。将漫射器局部红外热像图与体育馆内屋顶上其她装置进行对比, 图11为屋顶通风口及其红外热像图。因为在设计计算中常常将太阳能光导管抽象为吊顶灯进行计算, 对比关键装置是吊顶灯, 其实际装置及红外热像图如图12。

图11 通风口及其红外热像图

图12 吊顶灯及其红外热像图

由图能够看出通风口温度分布相关通风口中心对称, 通风口中心材料温度与周围屋顶温度相近, 在通风口环形空心部分, 空气流动影响温度, 使温度降低。
吊顶灯温度分布相关吊顶灯中心对称, 吊顶灯采取电照明, 提供光照同时产生大量热, 吊顶灯中间温度最高, 两侧温度随与中心距离增加而降低。
分别测量三种装置周围温度, 对三种装置进行比较, 如表1。

表1 三种装置比较
装置类型
最高温度/℃
最低温度/℃
漫射器
23.43
22.2
通风口
20.1
17.8
吊顶灯
153.5
71.7

从表1能够看出三种装置温度改变均相关装置中心对称, 但因为结构及工作方法不一样, 温度分布不一样。测量未安装任何装置屋顶部分平均温度为21.8℃。可见漫射器会使其周围屋顶温度略有上升, 通风口使其周围屋顶温度略有下降升, 而吊顶灯则使其周围温度大幅度上升。可见太阳能光导管会将部分热负荷引入室内, 但在达成类似照度水平下, 其对周围环境温度影响远远小于电照明吊顶灯, 对室内热环境不会产生显著影响。

5 结论
经过对在实际建筑中安装使用侧采光太阳能光导管和顶部采光太阳能光导管试验研究, 太阳能光导管并不会对室内温度产生较大影响。对于侧采光来说, 因为太阳能光导管存在, 并没有造成室内温度升高, 反而起到了一定保温隔热效果。带有雪花型散光板顶部采光太阳能光导管散光板表面温度与室内温度差值为0.84℃; 带有菱型散光板顶部采光太阳能光导管散光板表面温度与室内温度差值为1.17℃。经过对北京科技大学体育馆晴天太阳能光导管测试也表明, 太阳能光导管本身在使用中会带来一定温度升高, 但不会对室内温度场造成显著影响, 不会破坏室内热环境。这一结论为太阳能光导管推广应用提供了依据。作为一个建筑节能减排新技术, 太阳能光导管必将得到广泛应用。

参考文件
1吴延鹏. 太阳能光导管技术及产业化. 中国可再生能源和新能源产业化高端论坛. 中国经济出版社:157-166
2 Wu Yanpeng, Ma Chongfang. Daylight performance of top lighting light pipes and side lighting light pipe under sunny conditions in Beijing[C]//. The World Sustainable Building Conference, Tokyo,

作者联络方法:
吴延鹏, 男, 1972年12月生, 满族, 工学博士。
通讯地址: 北京市海淀区学院路30号北京科技大学土木学院设备系
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