吳延鵬，王志華

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

煤礦井下需要全年進(jìn)行人工照明，較地面上的工業(yè)企業(yè)，照明用電時(shí)間至少需延長(zhǎng)一倍以上，約占全國(guó)總發(fā)電量的12%[1-2]。天然光包含強(qiáng)度、方向和光譜組成的一致變化，用天然光照明有助于提高工作效率，有利于井下工作人員的健康[3]。謝和平院士提出礦井建設(shè)與地下空間利用一體化的煤炭革命新理念，構(gòu)建以空氣、陽(yáng)光、潔凈水、生態(tài)植被組成的生態(tài)圈是人類地下生存、休閑的先決條件，在廢棄礦井的地下空間嘗試建設(shè)地下城市、旅游觀光、軍事設(shè)施等利用形式[4-6]。如果把陽(yáng)光導(dǎo)入地下將為地下空間的開發(fā)利用特別是地下城市的建設(shè)提供極為有力的科技支撐。導(dǎo)光管技術(shù)適用于各種地下空間和礦井的采光照明，尤其是對(duì)電、火敏感的礦井，利用導(dǎo)光管照明比電力照明更加安全可靠。

導(dǎo)光管的采光性能和效率是研究熱點(diǎn)。OAKLEY等[7]分別在車間、住宅及小辦公室內(nèi)測(cè)試了不同導(dǎo)光管的性能，結(jié)果表明大直徑且長(zhǎng)度較短的導(dǎo)光管有較高的采光效率;PARONCINI等[8]以及VASILAKOPOULOU等[9]分別對(duì)導(dǎo)光管的采光性能進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè);吳延鵬等[10]測(cè)試了北京冬季晴天條件下導(dǎo)光管側(cè)采光的采光性能;王偉、李雙菊等[11-12]分別測(cè)試了三種典型天氣條件下導(dǎo)光管在冬夏兩季的采光性能，結(jié)果表明夏季晴天時(shí)室內(nèi)光通量值是冬季時(shí)的3倍多，多云天與陰天時(shí)都為冬季的2～3倍;高民東等[13]通過HOLIGILM軟件對(duì)導(dǎo)光管在遼寧大連地區(qū)的采光效率及照度分布進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明在標(biāo)準(zhǔn)陰天條件下，導(dǎo)光管的效率隨著長(zhǎng)徑比的增大而減小。通過上述研究表明該系統(tǒng)對(duì)低角度入射的天然光采集能力較差，也就導(dǎo)致該系統(tǒng)在早晨、傍晚及整個(gè)冬季的采光效果要明顯低于正午和夏季;對(duì)于需要長(zhǎng)距離導(dǎo)光的場(chǎng)所如隧道、礦井等，由于傳輸路程長(zhǎng)，損耗大而導(dǎo)致采光效果差。針對(duì)此現(xiàn)象，在采光罩內(nèi)增加反光片，提高對(duì)低角度入射光線的傳輸效率。

利用TracePro光學(xué)模擬軟件分析北京地區(qū)直射光線條件下反光片對(duì)導(dǎo)光管采光效率的影響。采用非序列光線追跡和蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬，當(dāng)光線在實(shí)體中沿不同路徑傳播時(shí)，對(duì)光路中的每一條光線進(jìn)行有效和準(zhǔn)確的分析。

1 仿真設(shè)計(jì)

1.1 模型建立

導(dǎo)光管的主要結(jié)構(gòu)為:采光罩、導(dǎo)光筒、漫射器及反光片。導(dǎo)光管管徑350 mm，長(zhǎng)1 200 mm;實(shí)驗(yàn)房間尺寸為2 000 mm×2 000 mm×2 000 mm，如圖1所示，其中，采光罩透射率90%，導(dǎo)光管內(nèi)壁鏡面反射率98%，反光片反射率98%，漫射器漫射系數(shù)73%，房間內(nèi)墻面及頂面反射系數(shù)60%，地面為30%。設(shè)定光源為格點(diǎn)光源，格點(diǎn)圖形為圓形，環(huán)數(shù)80，輻照度為500 W/m2，光束密度均勻分布，角分布設(shè)定為solar。根據(jù)北京地區(qū)(116°E，40°N)太陽(yáng)高度角及方位角的變化(表1)，設(shè)置不同的光線入射方向。

圖1 實(shí)驗(yàn)房間示意Fig.1 Test room

表1 不同時(shí)段北京的太陽(yáng)高度角及方位角Table 1 Solar elevation angle and azimuth angle at different time periods in Beijing (°)

1.2 模擬內(nèi)容

模擬的原始方案為半球型采光罩，在此基礎(chǔ)上模擬研究了反光片在半球采光罩、圓臺(tái)(柱)采光罩中的應(yīng)用，方案設(shè)計(jì)及研究?jī)?nèi)容如下。

方案1:反光片在球型采光罩中的應(yīng)用。

在球型采光罩內(nèi)部設(shè)置不同參數(shù)的放光片如圖2(a)所示，模擬研究直射光線條件下反光片對(duì)應(yīng)的高度角α和圓心角β對(duì)導(dǎo)光管采光效率的影響;找出各典型日期反光片的最佳參數(shù);研究反光片在不同管徑導(dǎo)光管中應(yīng)用的效果。模擬中α分別取值15°，30°，45°和60°，β分別取值90°，105°，120°，135°和150°;導(dǎo)光管管徑分別取350，530和750 mm。

圖2 反光片與采光罩結(jié)合形式Fig.2 Type of dome with reflector

方案2:反光片在圓臺(tái)(柱)型采光罩中的應(yīng)用。

在圓臺(tái)型采光罩內(nèi)部設(shè)置不同參數(shù)的反光片，如圖2(b)所示，圓臺(tái)母線與水平面夾角為75°，當(dāng)該夾角等于90°時(shí)則為圓柱型采光罩，如圖2(c)所示，反光片對(duì)應(yīng)圓心角為150°，模擬研究直射光線條件下反光片的高度對(duì)導(dǎo)光管采光效率的影響;找出各典型日期反光片的最佳參數(shù)。模擬中導(dǎo)光管管徑D=350 mm，反光片高度H分別取值0.25D，0.5D，0.75D和D。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模擬計(jì)算結(jié)果

利用TracePro建立的模型對(duì)直射光下原始方案在春秋分、夏至日及冬至日各時(shí)刻導(dǎo)光管的采光進(jìn)行模擬。典型日室內(nèi)地面的平均照度可按式(1)進(jìn)行計(jì)算，為分析反光片對(duì)導(dǎo)光管采光效率的影響，引入采光效率提高百分比η，可按式(2)進(jìn)行計(jì)算，η值越大，則反光片越有利于采光。

(1)

(2)

由式(1)可得原始方案在春秋分、夏至日及冬至日室內(nèi)地面的平均照度分別為373.48，529.64和139.41 lx。對(duì)方案1和方案2分別進(jìn)行模擬，所得結(jié)果見表2,3。

表2 直射光下地面平均照度(方案1)Table 2 Average illuminance under direct light of project one lx

2.2 反光片在球型采光罩中的應(yīng)用

根據(jù)方案一在采光罩內(nèi)增加不同大小的反光片后，經(jīng)過模擬得到的在各個(gè)典型日8:00和12:00地面的平均照度如圖3所示。從圖3可以看出，在春分日，增加反光片后，地面平均照度都隨著α的增大呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，并且照度值均大于原始方案;在α=30°，β=150°時(shí)存在明顯的峰值，其中8:00時(shí)地面平均照度為182.82 lx，相較于原始方案采光效率提高25.93%，12:00時(shí)地面平均照度為554.83 lx，采光效率提高10.32%，說明直射光下反光片的使用有助于春分日采光效率的提高。在夏至日，地面平均照度都隨著α與β的增大而逐漸減小; 在8:00由于太陽(yáng)方位角較大(南偏東93.5°，表1)，反光片會(huì)阻礙光線，故此時(shí)照度值均要小于原始方案;在中午12:00時(shí)由于直射光線入射角較大，故當(dāng)α大于30°時(shí)，反光片的使用會(huì)阻礙光線，降低采光效率。在冬至日，增加反光片后，地面平均照度都隨著α的增大而增大，并且照度值均大于原始方案;在α=60°，β=150°時(shí)照度值最大，此時(shí)8:00的地面平均照度由0.43 lx增加到135.38 lx，12:00的地面平均照度由251.13 lx增加到398.75 lx，可見反光片的應(yīng)用極大的改善了冬至日的采光效果。

表3 直射光下地面平均照度(方案2)Table 3 Average illuminance under direct light of project two lx

圖3 典型日期8:00和12:00時(shí)地面平均照度Fig.3 Average illuminance at 8:00 and 12:00 on typical day

此外，從圖4可以看出，在春分日平均照度最高為423.99 lx，采光效率提高13.52%，對(duì)應(yīng)的反光片尺寸為α=30°，β=150°;在夏至日平均照度最高為530.78 lx，采光效率提高0.22%，對(duì)應(yīng)反光片尺寸α=15°，β=90°;在冬至日平均照度最高為287.65 lx，效率提高106.33%，對(duì)應(yīng)反光片為α=60°，β=150°。通過圖3與圖4可以看出反光片在春分日及冬至日對(duì)采光效率的提升比較明顯，在夏至日則幾乎沒有提升，甚至?xí)档筒晒庑省?/p>

圖4 典型日期全天平均照度Fig.4 Average illuminance on typical day

當(dāng)以春分日反光片的最佳尺寸作為全年使用的方案時(shí)，各個(gè)典型日期的平均照度如圖5所示(假設(shè)秋分日與春分日平均照度值相同)。從圖5可以看出增加反光片后，在春秋分及冬至日室內(nèi)平均照度均有所提高，其中在春分日由373.48 lx增加到423.99 lx，提高13.52%，同樣冬至日也在原有基礎(chǔ)上提高了79.56%，而在夏至日，反光片的使用使得室內(nèi)平均照度從529.64 lx降低到507.86 lx，減少了4.11%。另外從全年來(lái)看，反光片的使用使得全年室內(nèi)地面平均照度隨季節(jié)的變化波動(dòng)變小，有利于改善室內(nèi)光環(huán)境。

圖5 反光片α=30°，β=150°時(shí)各典型日的平均照度Fig.5 Average illuminance on typical day with the reflector of α=30° and β=150°

2.3 反光片在圓臺(tái)(柱)型采光罩中的應(yīng)用分析

根據(jù)方案二改變采光罩的形狀，通過模擬得到增加不同高度的反光片后在各個(gè)典型日期的地面平均照度如圖6所示。由圖6(a)可知，與原始方案相比，圓臺(tái)型采光罩及反光片的使用使春秋分及冬至日的地面平均照度值明顯提高，并且隨著H/D的增大而逐漸增大，而夏至日與之相反，地面平均照度隨著H/D的增大而逐漸減小;綜合考慮地面的平均照度及其隨季節(jié)的變化波動(dòng)，認(rèn)為當(dāng)H/D為0.5或0.75時(shí)采光效果較為理想。從圖6(b)上可以看到圓柱型采光罩及反光片的應(yīng)用使得各個(gè)典型日期的采光效果都得到了改善，并且地面平均照度值隨著H/D的增大而逐漸增大;在冬至日，當(dāng)H/D大于0.5時(shí)，照度值雖有增長(zhǎng)但變化不大;當(dāng)H/D取值0.5或0.75時(shí)，采光效果較為理想。

圖6 反光片高度對(duì)采光的影響Fig.6 Effect of the height of reflector on daylighting

圖7 不同方案在各個(gè)典型日期的平均照度Fig.7 Average illuminance of different projects on each typical date

圖8 不同方案地面平均照度隨時(shí)間的變化Fig.8 Change of average illuminance with time

2.4 不同方案的比較

當(dāng)采用不同的方案時(shí)，地面的平均照度隨時(shí)間變化如圖7所示，圖8為各個(gè)典型日平均照度。由圖7,8可知，在春秋分以及冬至日，所有方案均可使采光效率提高。其中采用圓臺(tái)型采光罩及反光片在春分日8:00時(shí)采光效果要優(yōu)于其他方案，而隨著時(shí)間的變化，圓柱型采光罩及反光片的采光效果變?yōu)樽顑?yōu)，當(dāng)H/D=0.75時(shí)，在春分日全天平均照度最高;在冬至日，圓臺(tái)型采光罩及反光片的采光效果明顯優(yōu)于其它方案，并且當(dāng)H/D=0.75時(shí)采光效果最佳，說明此方案對(duì)于低角度入射光線的收集能力較強(qiáng)。在夏至日，圓臺(tái)型和球型方案相似，均會(huì)使采光效率降低，而圓柱型雖然在早晨8:00會(huì)使地面照度小幅度下降，但在9:00之后，地面平均照度均要明顯高于原始方案，同時(shí)全天的平均照度值也是最高的。因此，綜合考慮不同方案在各個(gè)典型日期的照度，通過對(duì)比可知直射光線條件下，采用圓柱型采光罩及反光片是最佳的方案。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件及數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)在北京通州區(qū)的兩間辦公室進(jìn)行，四周無(wú)其他建筑遮擋，能保證導(dǎo)光管的充分采光，適宜作為采光研究對(duì)象。辦公室A的大小為2.8 m×2.2 m×2.8 m(長(zhǎng)×寬×高)，辦公室B為2.8 m×2.6 m×2.8 m。實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)光管的直徑為530 mm，長(zhǎng)800 mm，導(dǎo)光管內(nèi)表面反射率大于99%。其中辦公室A為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，采用球型采光罩，辦公室B則在采光罩內(nèi)增加α=15°，β=150°的反光片。

由于兩間辦公室的面積不同，故從導(dǎo)光管在各個(gè)時(shí)刻引入的光通量的變化來(lái)分析導(dǎo)光管的采光性能。

分布光度計(jì)法是一種適合于任何光源的測(cè)量光通量的方法,其基本公式為

Δφ=EΔS

(3)

式中，Δφ為照射小區(qū)光通量，lm;ΔS為照射小區(qū)間面積，m2;E為照射小區(qū)平均照度，lx。

總光通量為

(4)

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)式(4)進(jìn)行計(jì)算，以距地面0.75 m為測(cè)試平面，根據(jù)房間大小劃分網(wǎng)格，如圖9所示。每個(gè)網(wǎng)格中心布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩個(gè)辦公室共計(jì)50個(gè)測(cè)點(diǎn)，將測(cè)點(diǎn)照度看做所在網(wǎng)格區(qū)域的平均照度值，并將其和網(wǎng)格面積代入式(3)，依次計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格的光通量并代入式(4)算出總光通量。實(shí)驗(yàn)在北京8月份的晴天、多云天及陰天3種典型天氣下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)儀器采用TES-1339r型全數(shù)字照度計(jì)，測(cè)量誤差為±3%。

圖9 網(wǎng)格劃分Fig.9 Grid drawing

3.2 模擬與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)房間的大小、導(dǎo)光管規(guī)格、太陽(yáng)高度角及方位角變化重新建立模型，其他參數(shù)不變，在直射光下對(duì)兩間辦公室的采光情況進(jìn)行模擬，導(dǎo)光管在各時(shí)刻引入光通量的模擬值與實(shí)測(cè)值見表4和圖10。

表4 導(dǎo)光管在各時(shí)刻引入的光通量Table 4 Luminous flux introduced by light pipe

圖10 模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.10 Comparison of simulated and measured lumen values

從表4及圖10可以看出，增加反光片后，在各時(shí)刻辦公室B的光通量均大于辦公室A，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果相符，表明此時(shí)反光片的應(yīng)用有利于改善采光性能;在10:00和14:00時(shí)，模擬值要大于實(shí)測(cè)值，而在11:00至13:00，模擬值均小于實(shí)測(cè)值，主要是因?yàn)槟M時(shí)不同時(shí)刻直射光的輻照度均為500 W/m2，實(shí)際情況下該值隨時(shí)間而變化，中午較高，早晚較低;模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差均在±20%之間，認(rèn)為模擬結(jié)果是比較可靠的，其中最大誤差為17.55%，出現(xiàn)在10:00。在10:00—14:00，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明反光片的應(yīng)用使平均入射光通量提高了8.67%。

3.3 不同天氣條件下光通量變化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的在晴天、多云天及陰天3種典型天氣下光通量隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示。由圖11可知，晴天時(shí)，導(dǎo)光管引入的光通量變化曲線較為光滑，有明顯的峰值，最大值為8 987 lm(辦公室A)、9 554 lm(辦公室B)，均出現(xiàn)在12:00，并且辦公室B的光通量均要大于辦公室A;在陰天時(shí)，光通量變化曲線較為平緩，并且辦公室A的光通量要略大于辦公室B，主要原因在于陰天時(shí)均為漫射光，而采光罩內(nèi)的反光片起到了遮擋的作用，不利于采光;在多云天時(shí)，隨著天空中云層厚度及位置的變化，直射光與漫射光也隨之變化，導(dǎo)致采光情況比較復(fù)雜多變，曲線存在不規(guī)則變點(diǎn)。

圖11 不同天氣下光通量隨時(shí)間的變化Fig.11 Hourly luminous flux variation on different weather

4 結(jié) 論

(1)在半球型采光罩中，反光片的最佳大小為α=30°，β=150°，在春分日和冬至日可分別使采光效率提高13.52%和79.56%，但在夏至日會(huì)降低4.11%。

(2)圓臺(tái)型采光罩及反光片的應(yīng)用可以加強(qiáng)對(duì)低角度入射光線的收集，有效地提高春分日及冬至日的采光效率，并且隨著H/D值增加而增加，但會(huì)小幅度降低夏至日的采光效率;圓柱型采光罩及反光片的應(yīng)用可使各個(gè)典型日期的采光效率均得到提高，并且采光效率提高百分比是H/D值的增函數(shù)。

(3)不同方案中，當(dāng)采用圓柱型采光罩并且反光片H/D=0.75時(shí)，采光效果最為理想。

(4)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致，在晴天直射光下反光片可有效改善導(dǎo)光管采光性能，在陰天時(shí)則相反。

除了天氣、太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律等因素外，傳光距離對(duì)導(dǎo)光管采光效果也有較大影響，如何在長(zhǎng)距離傳光的情況下仍能保證采光效果還需要進(jìn)一步的研究。