深圳地鐵9號(hào)線導(dǎo)光管采光系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

馬沙，劉永祥

（深圳市地鐵集團(tuán)有限公司 深鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518026）

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)代，由于能源危機(jī)壓力和可持續(xù)發(fā)展需要，綠色技術(shù)創(chuàng)新和引入成為未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國天然光資源豐富，深圳市更是具有獨(dú)特的地理氣候條件，年平均總照度高達(dá)30 000 lx以上，若能將這種得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)合理應(yīng)用于地下建筑中，將減少大量照明用電和溫室氣體排放，降低照明運(yùn)營費(fèi)用，同時(shí)有益于改善地鐵空間環(huán)境，提高乘客的舒適度[1-3]。

1 導(dǎo)光管采光系統(tǒng)概述

導(dǎo)光管采光系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱導(dǎo)光管系統(tǒng)）通過室外的采光裝置采集自然光，經(jīng)導(dǎo)光管高效反射及傳輸后，由漫射器將自然光均勻?qū)胧覂?nèi)需要光線的任何地方。從黎明到黃昏，甚至陰天或雨天，該系統(tǒng)導(dǎo)入室內(nèi)的光線都十分充足。系統(tǒng)具有氣密性、水密性及抗風(fēng)壓等性能，設(shè)置合理的斷橋?qū)Я鞔胧┛杀ＷC系統(tǒng)的防結(jié)露能力，并在導(dǎo)光管與孔洞之間采取了相應(yīng)的保溫措施。導(dǎo)光管系統(tǒng)主要由集光器、導(dǎo)光管、漫射器等部件組成（見圖1），導(dǎo)光管構(gòu)造示意見圖2。

導(dǎo)光管以鋁制材料為主，為保證傳輸效率，管內(nèi)壁表面鍍有5層薄膜，管道厚度不低于0.4 mm。表面管壁材料的反射比高達(dá)99%，具有可調(diào)節(jié)方向的功能，使用壽命大于20年。

采光罩由光學(xué)級(jí)PMMA材質(zhì)制作而成，厚度均勻（≥4 mm），具有抗老化性能，且材料安全無異味，可隔絕90%以上的紫外線。另外，材質(zhì)自身擁有高透光性、較強(qiáng)的耐磨擦性和抗沖擊性。

圖1 導(dǎo)光管系統(tǒng)主要組成部分

圖2 導(dǎo)光管構(gòu)造示意圖

集光器采用添加抗紫外線的PC材質(zhì)，可見光透射比大于85%，管壁材料的反射比高達(dá)99%，漫射器可見光透射比在90%以上，可隔絕90%以上的紫外線。集光器要求具備一定的抗沖擊性，從1 m的高度落錘到其上不得產(chǎn)生裂紋或孔洞。平板集光器應(yīng)滿足行人、消防車輛等通行，承載能力高于60 kN[4-5]。

2 方案設(shè)計(jì)

深圳地鐵9號(hào)線深圳灣公園站北側(cè)為深圳市致力打造的高品質(zhì)人文旅游、國際創(chuàng)意生活空間的中心——?dú)g樂海岸，南側(cè)為可以直接觀賞大海和紅樹林景色的旅游觀光勝地，以植物為題材，突出以自然為本的環(huán)境優(yōu)美、設(shè)施優(yōu)良、服務(wù)一流的現(xiàn)代化城市公園——海濱生態(tài)公園。為使車站景觀與周邊環(huán)境充分融合、和諧統(tǒng)一，站內(nèi)公共區(qū)域能延續(xù)地面的綠色生態(tài)環(huán)境和理念，站內(nèi)裝修設(shè)計(jì)將車站柱子及天花板裝飾成棵棵綠樹，實(shí)現(xiàn)地下空間和地面景觀的緊密結(jié)合，同時(shí)在站廳設(shè)置了2面馬賽克的藝術(shù)墻，以展示紅樹林自然保護(hù)區(qū)的自然風(fēng)光。為提高展示效果，期望引入自然光使地下空間營造出自然生態(tài)的空間環(huán)境，增強(qiáng)站內(nèi)建筑空間體感。采用導(dǎo)光管系統(tǒng)是一種有效的解決方案[6]，深圳灣公園站站內(nèi)導(dǎo)光管效果見圖3，站外導(dǎo)光管實(shí)景見圖4。

2.1 平面布置方案

圖3 站內(nèi)導(dǎo)光管效果圖

圖4 站外導(dǎo)光管實(shí)景圖

車站標(biāo)準(zhǔn)段寬28.4 m，主體上方有寬約16 m路中綠化帶，為設(shè)置導(dǎo)光管系統(tǒng)提供了良好條件。導(dǎo)光管系統(tǒng)位于休閑景觀區(qū)域，因此不僅要滿足地下空間的采光和照明節(jié)能要求，還需要與景觀環(huán)境相協(xié)調(diào)。為保證裝修方案整體效果減少頂板開孔，在站體中部設(shè)置2個(gè)7.9 m×3.3 m采光天井，兩側(cè)各設(shè)置3個(gè)2.4 m直徑的導(dǎo)入系統(tǒng)，采光系統(tǒng)覆蓋范圍約500 m2[1-3]。導(dǎo)光管系統(tǒng)平面布置見圖5，導(dǎo)光管系統(tǒng)在站廳布置見圖6。

2.2 照明設(shè)計(jì)

因光線在導(dǎo)光管系統(tǒng)中傳輸比在空氣中傳輸?shù)墓鈸p小，所以導(dǎo)光管系統(tǒng)可通過很小的采光面積（1/6天窗面積）就能達(dá)到天窗采光的效果。英國諾丁漢大學(xué)研究表明，室外同樣的采光面積在工作面上的光照度，導(dǎo)光管系統(tǒng)是傳統(tǒng)天窗的6～8倍，光效比大大強(qiáng)于采光天窗。

圖5 導(dǎo)光管系統(tǒng)平面布置（紅色圓形）

圖6 導(dǎo)光管系統(tǒng)在站廳布置

導(dǎo)光管入射光線柔和，無炫光現(xiàn)象，無頻閃，不受光線入射角影響，且照明面積大，照度分布均勻，不會(huì)產(chǎn)生局部聚光現(xiàn)象；有效作用時(shí)間長(zhǎng)，采光效率高，可以捕獲低角度光線，因此不僅早上及傍晚，甚至是陰雨天也能解決照明問題。

采用導(dǎo)光管系統(tǒng)時(shí)，燈具位置參考導(dǎo)光管位置設(shè)置。白天采用智能照明設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光照強(qiáng)度進(jìn)行線性調(diào)光，保證照度適宜。夜間照明時(shí)，在采光天井四周采用LED燈帶的傳統(tǒng)照明方式滿足照度要求。為確保在各種條件下站內(nèi)照度滿足要求，照度可用遙控進(jìn)行調(diào)節(jié)，與電力照明系統(tǒng)配合，照度不夠時(shí)可自動(dòng)打開導(dǎo)光天井四周的燈具進(jìn)行補(bǔ)光[7]。2 400 mm導(dǎo)光管系統(tǒng)平面圖見圖7。

2.3 人防設(shè)計(jì)與防水設(shè)計(jì)

為確保人防設(shè)計(jì)的完善性，增加8個(gè)水平人防封堵板，臨戰(zhàn)時(shí)需要對(duì)導(dǎo)光管及采光天井進(jìn)行拆除然后進(jìn)行封堵板安裝。由于導(dǎo)光管系統(tǒng)開孔面積小，不受材料本身熱脹冷縮性能影響，并可通過設(shè)備的防水裝置與屋面進(jìn)行結(jié)合，達(dá)到防水要求[4]。

圖7 2 400 mm導(dǎo)光管系統(tǒng)平面圖

2.4 其他方面

導(dǎo)光管系統(tǒng)對(duì)環(huán)控、排煙、消防設(shè)計(jì)等沒有大的影響。系統(tǒng)內(nèi)部處于密封狀態(tài)，空氣不流通，導(dǎo)熱系數(shù)低，能很好地阻止熱量傳遞。冬天能保證室內(nèi)熱量損失最小，夏天可防止室外的熱量傳入室內(nèi)。導(dǎo)光管系統(tǒng)為密閉中空的系統(tǒng)，具有良好的隔音性能，可達(dá)到RW37 dB的隔音效果。采光系統(tǒng)的使用壽命為25年，采光罩和漫射器使用PC材料制作，防雨裝置等部件均為鋁合金材料制成，使用壽命可達(dá)50年。采光罩表面光滑不易沾灰塵，1年只需清洗1次。導(dǎo)光管系統(tǒng)是密閉的，因此在使用過程中基本無需維護(hù)[4,7-8]。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 節(jié)省費(fèi)用計(jì)算

（1）直接節(jié)省耗電。導(dǎo)光管系統(tǒng)平均每天可節(jié)約10 h的電力照明用電，按照室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值為150 lx，共需采用6套2 400 mm導(dǎo)光管系統(tǒng)。根據(jù)建筑照明密度標(biāo)準(zhǔn)值為10 W/m2，因此，6套系統(tǒng)1年可節(jié)約用電29 200 kW·h，費(fèi)用約3.5萬元；熒光燈鎮(zhèn)流器耗電量占照明用電的20%～30%，每年可節(jié)約耗電量為5 840 kW·h，2項(xiàng)合計(jì)后6套系統(tǒng)可節(jié)省4.2萬元[5,7]。

（2）間接節(jié)省耗電。使用導(dǎo)光管系統(tǒng)，因其開洞尺寸小，密封性能好，且不會(huì)產(chǎn)生熱量，從而降低了冷、熱傳導(dǎo)系數(shù)，保溫隔熱性能好，比傳統(tǒng)照明方式（如電力照明、天窗照明）節(jié)省了采暖和制冷能耗。在電力照明期間，部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，也會(huì)增加約20%空調(diào)制冷消耗。綜合考慮2種影響，得出1年能節(jié)省空調(diào)制冷費(fèi)約0.7萬元[5]。

（3）節(jié)省耗材。采用導(dǎo)光管系統(tǒng)可節(jié)約白天的電力照明設(shè)備維護(hù)費(fèi)和更換費(fèi)。據(jù)計(jì)算，1套2 400 mm導(dǎo)光管系統(tǒng)的光通量相當(dāng)于23盞60 W熒光燈的光通量，故可減少燈具的使用次數(shù)，延長(zhǎng)燈具的使用壽命，一般燈具使用壽命約為3年，采用導(dǎo)光管系統(tǒng)后燈具的更換周期可延長(zhǎng)至4年左右。

維護(hù)費(fèi)用約為0.5萬元/年；更換費(fèi)用約為1.8萬元/次，折合每年約0.5萬元；合計(jì)可節(jié)省費(fèi)用1萬元/年[5]。

（4）節(jié)省人工定期清潔費(fèi)用。深圳灣公園站導(dǎo)光管系統(tǒng)的采光罩為半球形，可利用深圳充足的雨水及風(fēng)吹將采光罩上的灰塵沖刷干凈，可達(dá)到自潔效果，免去了人工定期清潔的費(fèi)用。

3.2 回收增值計(jì)算

該項(xiàng)目年度至少可節(jié)省費(fèi)用共計(jì)5.9萬元，導(dǎo)光管系統(tǒng)總投入費(fèi)用約29.37萬元，因此投資回收期=總投入費(fèi)用/年度節(jié)省費(fèi)用=29.37/5.9≈4.9年。

在項(xiàng)目增值期系統(tǒng)使用壽命內(nèi)節(jié)約總費(fèi)用為：（20-4.9）×5.9≈89.09萬元（按照平均20年使用周期估算）。

綜上分析，該項(xiàng)目能在4.9年內(nèi)收回全部投資成本，可以有效避免日間電力照明固有的能源浪費(fèi)和安全隱患，延長(zhǎng)了燈具的使用壽命，同時(shí)降低了人工維護(hù)和設(shè)備更新成本。在導(dǎo)光管采光系統(tǒng)使用周期內(nèi)，共可節(jié)省大約89.09萬元費(fèi)用。

4 社會(huì)效益分析

地鐵站的景觀設(shè)計(jì)和引入自然光的設(shè)計(jì)理念能增加地鐵空間的趣味性，增加乘客的舒適性。同時(shí)通過展示紅樹林保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境，宣傳環(huán)保理念，引起大眾共鳴。

4.1 節(jié)省資源

普通照明用電會(huì)消耗大量的不可再生資源，并伴隨著熱污染。按照國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，每節(jié)約1 k W·h的電就相應(yīng)節(jié)約0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤和4 L凈水。在該項(xiàng)目中，年度節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為29 200×0.4=11.68 t，年度節(jié)約凈水為29 200×4=116.8 t。

4.2 減排估算

按照國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，該項(xiàng)目可減少污染物排放的估計(jì)量見表1。

表1 減少污染物排放的估計(jì)量

5 結(jié)束語

在地鐵車站引入自然光，改善了地下空間的沉悶感，提升了乘客的舒適度和員工的工作環(huán)境，并可較好地調(diào)節(jié)人體生物鐘，使人們更加舒適、心情愉悅。將太陽光通過導(dǎo)光管直接傳輸?shù)降叵萝囌?，是一種節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提高照明品質(zhì)的綠色照明技術(shù)措施。在能源日益緊張的今天，充分利用自然光進(jìn)行照明，必將是未來太陽能綜合利用的一種方式，有利于實(shí)現(xiàn)軌道交通的可持續(xù)發(fā)展。