光导管技术在地埋式污水厂的应用    

光导管技术在地埋式污水厂的应用

谢映菲

中国市政工程西南设计研究总院有限公司,四川,成都,610000

我国使用的能源主要是化石燃料，亦称矿石燃料，其中包括石油、煤炭和天然气等。化石燃料运用能使工业大规模发展，但化石燃料开采和燃烧会造成大量环境污染。面对能源供应短缺或价格上涨、面对全球气候变暖问题日趋凸显的当今社会，环保型新能源开发已成为绿色照明的主题。传统光源的能源不能将所收到的电力充分综合利用，仅能将其中的5%转换成光能，围绕碳达峰目标、碳中和愿景，打好绿色低碳转型的硬仗已成为能源革新的主要议题，推广绿色照明是大势所趋。

为了更好地利用太阳能，1970年代苏联科学家首先制造出了世界上第一个光导管[1]，光导管的工作原理是充分利用自然光，通过室外的采光装置收集自然光线，经过导光装置的高效传输后，由漫反射器将自然光线均匀发散到室内需要光线的地方，为商业及住宅等建筑的地下室或道路交通的照明提供能源支持。光导管不仅能够节约20%~30%的建筑用电[2]，而且保留了天然光源的独特优势，全光谱、无频闪、无眩光、无辐射、高显色性，经过光导管传输的自然光，给予了人们良好的视觉体验，因此光导管照明系统的应用将成为地埋式污水厂绿色照明发展的一大方向。

1、项目概况

近年来，米易县县委、县政府在市委、市政府的正确领导下，坚持绿色生态可持续的发展理念，以产业结构调整和发展循环经济、生态经济为切入点，着力统筹城乡一体化发展，推进新型城镇化建设。随着米易经济社会持续快速发展，县城区域发展重心已向南扩展，按照县城发展规划，米易县县城南部片区全面开发建设已打开序幕， 南部片区开发建设完成后，将会形成一个以教育、康养人群为主的城市生活圈，吸纳城市居住人口将会大大增加。米易县城市生活污水处理厂（1万m3/天）已建成投入运行，但由于处理规模与城市快速发展不匹配，目前污水处理厂已满负荷运行。因此计划新建一座规模4.0万m3/d集约化污水处理厂。

米易地处攀枝花市北部，易年平均气温19.7℃,年日照2700小时,无霜期高达300天以上,这里是四川气候条件最好的地区之一,具有“南方的温度,北方的光照”,被誉为“天然大地温室”、“内陆三亚”和“太阳迷恋的地方”，因此在米易县城市生活污水处理厂采用光导管照明系统具有重大的节能和经济效益。本工程设计了53套光导照明系统，设计使用型号HB53DS，光导管直径约为530mm，满足加药间、仓库、鼓风机房100lx、配电室照度200lx、其余区域照度50lx的照度要求，覆盖面积3872m²。

图1 光导管在变配电间布置示意图

2、光导照明工作原理及特点

光导照明系统是一种将日光通过外部的光线采集，经过中间的高效传输及后端的光线漫射的照明装置。常见的光导管系统一般分为三个部分，即采光装置、导光装置和散光装置[3]，主要由采光罩、防雨装置、标准管、角度管、延长管、固定环、装饰环、漫射器、调光装置等部件构成。

采光区通常采用一个透明的玻璃罩，具有高透射率，用以遮挡外部紫外线、保护内部导光管，不仅具有抗冲击性，还具有自洁功能；传输区采用日光全光谱超高效反射材料，应用纳米多层技术，通过高性能的导光装置，使光线经过多次的反射进入室内，该技术可以实现平均99.7%的反射效率，使导光装置不会氧化、变暗和锈蚀，也无任何色偏，具有极高的显色性，也可以实现不小于90°的任意角度转弯[4]。输出区位于光导管系统底部，采用透镜漫射技术，确保光线的高透过率，将光线最大角度均匀漫射，避免了眩光的产生。

3、光导管在污水厂的应用

3.1 光导管在地埋式污水厂应用优势

米易县气候属于南亚热带为基带的干热河谷立体气候。干、雨季分明而四季不分明，河谷区全年无冬，秋、春季相连，夏季长达5个多月拥有得天独厚的光热资源。利用垂直安装的光导照明系统，将外部自然光引入地下，实现了米易县城南第二污水处理厂大部分面积白天的照明覆盖，在日间，光线通过自然光导入照亮室内，夜晚室内的人工照明的光线通过屋顶照射出，改善了厂区夜晚景观。

本污水厂采用半地下布置，地下主要构筑物为各种处理污水的生产类水池、主要房间为生产性设备用房，主要房间有污泥提升泵房，粗格栅井，细格栅，生物池，加药间，鼓风机房等，在上述构筑物若使用一般照明装置进行照明，灯管使用寿命长短不一，给维修工作带来一定不便，采用导光管采光系统就能很好地解决这一问题，同时光导管系统属于一次性投资，正常情况下使用寿命大于30年，可以有效地弥补人工照明的部分缺陷。

3.2 光导管采光计算

Eav= （3-1）

Φu=Es x At x η （3-2）

η=α x β x γ （3-3）

Es-参考的室外照度值，对攀枝花（第Ⅲ光候区）而言，取 15000lx；查 GB 50033-2013 表3.0.4及附录A；

Eav-参考面平均照度（lx）（取值根据 67.5lx（按采光系数 0.5%计算）；

n-拟采用的导光管采光系统数量；

Cu-导光管系统的利用系数，查 GB 50033-2013 表6.0.2-2 取值；

MF-维护系数（所选产品按0.9计算）；

l-建筑长度(m)；

b-建筑宽度(m)；

At-导光管系统的开孔面积（直径 530mm，此值为 0.22 ㎡）；

Φu-漫射器输出的光通量；

η-导光管采光系统的效率；

α-采光罩的透光率，选用产品为 0.89；

β-导光管总反射率，查GB 50033-2013 附录 C；本次取值 0.98）

γ-漫射器的透光率本次取值 0.86；

根据上述公式计算出导光管布置间距，导光管列间距约9m，行间距约9m即可满足50lx的照度要求，导光管列间距约9m，行间距约4.5m即可满足100lx的照度要求，导光管列间4.5m，行间距4.5m即可满足200lx的照度要求。

3.3 导光管的施工安装

根据图纸要求编制专项施工方案→根据图纸要求及采光需要，对采光孔位置进行定位， 注意与其它专业配合，避开相关设备→确保预留孔洞口是否规则平整，是否满足光导管安装要求→根据设计要求，建造防水层，做好洞口的防水处理→将导光管沿洞口放入，填充光导管与预留孔洞之间的间隙，并将导光管进行固定→采光装置安装，并将其用配套装置固定→室内漫射装置安装→检查光导系统质量是否合格、是否满足设计照度要求，并对安装情况进行确认。

4、光导管应用展望

4.1光导管自身缺陷

由于年平均总照度、光气候系数等因素的在各地区的不均匀性，造成了不同地区不同时段室内天然光照度的差异：①光导管引入的光通量随太阳高度角的增大而增大，天空云量的变化也会造成光通量的起伏[5] ②季节变化对光导管的传输有着重要影响，夏季光照充足，光导管的采光率比较高，而冬季获得的日照量偏低，导致光导管工作效率下降，可能要依靠人工照明来满足地下污水厂的照度要求 ③对于在多层建筑屋侧安装的光导系统，当正午太阳直射时，因为受采光角度的影响，采光效果无法保证，对低楼层的白天照明将带来一定的局限性。

4.2光导管的前景展望

①发展光导管-光伏电池系统，将太阳能电池板，设于集光罩内，将收集的光能转化为电能存储至电池，并配套控制器，用于根据检测的光线强度或输入当集光罩内采集的光线强度大于预定的光强阈值，控制器生成电源断电信号，当控制器检测到光线强度小于其预设的光强阈值时，生成电池供电信号。

②由于外在环境影响带来室内的光线强弱变化，可研制出根据室内光线强弱自动调节光通量的光导照明系统，可采用光强检测组件检测光线强度并与预设的光强阈值进行对比，当光线强度大于预定的光强阈值指示室外日光充足时，可发出信号调节来遮光板来减弱日照充足时的光通量，而当光线强度小于预定的光强阈值指示室外光线不足时，可打开遮光板并启用备用照明。[6]

③采光和通风作为绿色建筑最基本的功能之一，不仅可以把光导管应用和当地气候特征及因素相结合，也可以将光导管技术与自然通风相结合，不仅将光导管作为采光窗使用，同时也可作为痛风天窗来实现建筑的智能化和多元化。

5、结语

近年来， 米易县紧扣发展和民生主题，优化城市、重点集镇空间和产业布局，推动农业与工业、农业与服务业深度融合，实现了一二三产业协调互动，经济社会得到长足发展。光导管作为一种绿色节能的技术，在米易县的应用有着巨大的潜力和良好的前景，进一步拓宽光导管在米易县的应用，对于能源节约环境保护具有重要的意义。

参考文献

[1]丁力行,欧旭峰,卢海峰,等. 光导管技术及其在建筑领域中的应用[J]. 建筑节能,2011(1):64-67. DOI:10.3969/j.issn.1673-7237.2011.01.016.

[2]陶玉武. 地下空间光导管照明系统施工技术应用[J]. 安徽建筑,2021,28(7):64-65. DOI:10.16330/j.cnki.1007-7359.2021.07.031.

[3]王慧,李海. 浅谈光导照明系统[J]. 内江科技,2011,32(7):95-95. DOI:10.3969/j.issn.1006-1436.2011.07.080.

[4]温剑锋. 光导管照明系统的配光及应用研究[J]. 现代制造技术与装备,2020,56(11):91-92,95. DOI:10.3969/j.issn.1673-5587.2020.11.032.

[5]李双菊,王伟,马重芳. 光导管采光性能实验研究与分析[J]. 太阳能学报,2009,30(5):586-590. DOI:10.3321/j.issn:0254-0096.2009.05.004.

[6]王凡,龙惟定. 太阳能光导管采光技术应用现状和发展前景[J]. 建筑科学,2008,24(8):109-113. DOI:10.3969/j.issn.1002-8528.2008.08.024.