1.天津城建大学建筑学院
摘要：本文以天津市老旧多层住宅为例，通过走访调研等形式了解其采光现状及问题，通过足尺模型模拟典型空间进行导光管效果实验，为利用导光管系统改造此类空间采光条件提供依据。实验结果表明，在冬至日有效采光时间内，采用400mm*400mm、400mm*200mm截面抛光铝材导光管工况条件分别为实验房提供了平均照度为70.27Lx和46.09Lx的采光，有效改善了此类空间的光环境。
关键词：导光管，老旧多层住宅，采光，足尺模型
1.引言
上世纪80年代到世纪末，为解决城市快速扩张、人口剧增带来的居住问题，我国兴建了大量多层住宅[1]。如今，此类老旧多层住宅已难以在环境和功能等方面满足人们的美好生活需要。近年来，针对老旧多层住宅的改造方兴未艾，例如垃圾分类处理、加建保温层、加建电梯等。但是针对老旧多层住宅采光不足问题仍缺乏有效的改造技术手段和案例。
在对比新型采光技术手段的优缺点、结合老旧多层住宅的空间特征和采光需求后，本文选定导光管系统来改善老旧多层住宅的采光环境。国内外对于导光管的使用多局限于大规模地下空间、场馆、办公空间等，且多为竖向形式[2]。为了适应老旧多层住宅层高受限、进深大的特点，本文采用水平导光管运用到住宅采光改造，通过建立足尺模型实验模拟采光效果，初步研究导光管改善老旧多层住宅的采光效果。
2.老旧多层住宅现状调研及问题总结
本文以天津1980-2000年代建造的老旧多层住宅作为主要调研对象，对典型户型进行调研，发现此类老旧多层住宅采光不足的重要原因是其平面空间设计具有局限性，由于历史阶段任务不同，导致此类住宅开间小、进深大，多有暗卫和暗厅。典型的平面户型图如图1所示：
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图1 存在采光问题的典型平面户型图
作者走访调研了南开区金冠里、金宇里、金环里等住区的采光现状，通过调查问卷确定了采光不足的问题的确存在。多数住户由于防雨和安全性问题，加建雨棚和防盗窗形成封闭阳台，也严重影响了室内采光。
调研进一步对存在采光问题的典型户型进行了入户调研，利用照度计对室内照度进行了测量。测量当日室外照度虽超过3万Lx，被测客厅照度却不满足《建筑照明设计标准》中对起居室安全照明照度标准值要求的15Lx，测量数值如表1所示：
表1 金冠里、金环里某户型客厅照度（Lx）测量值
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3.实验设计
3.1 足尺模型设计
通过总结调研户型的空间特点制作了模拟典型采光不足空间的足尺模型，整体尺寸进深*宽度*高度为9.6m*3.3m*2.8m，进深4.8米处隔断成两个空间。足尺模型采用防腐木框架，主体围护结构为铝塑复合板，为了更好地测量改善前后的照度变化，利用遮光胶带和橡胶板进行密封处理，被测空间形成了完全黑空间。
3.2测量方案设计
安装导光管系统后，在被测空间工作面高度均匀设置测点，放置照度记录仪TR-74Ui进行持续测量，照度记录仪测点布置图及实景照片如图2所示：
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图2 TR-74Ui照度记录仪测点布置图及实景照片
3.3导光管系统方案设计
本文旨在研究导光管系统改善老旧多层住宅采光的效果，在权衡经济性和效果关系前提下，尽可能采取低成本、易获取的材料制作各组件进行实验。此外，由于各组件仅为实验所用，研制时要求各组件达到工作要求即可，并非成熟且可快速大量复制的工业化产品。
（1）集光器
由于被动集光器的规模尺寸较大，且受时间、区位影响较大，因此本文采用主动集光器。实验前期根据定日镜原理研制了两款可双轴调节的集光器，其工作原理及照片如图3所示。
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a.平面镜集光器
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a.平面镜集光器
b.菲涅尔透镜反射集光器
图3 集光器原理图及照片
实验过程中发现，菲涅尔透镜将平行太阳光线聚焦后再经平面镜反射至导光管，一方面，聚焦后光线并非平行光线，平面镜角度调校也更为复杂，而且增加了光线在导光管内的反射次数，降低了传输效率；另一方面，
光线聚焦会产生热量集中点，实验过程中平面镜局部被烧毁变黑，因此聚光设备带来的安全隐患是老旧住宅无法接受的。反观平面镜集光器，系统安全性、效率、操作便利性以及生产成本均优于前者，因此选择平面镜集光器进行实验。
（2）漫射器
为了避免眩光，获得更加均匀舒适的自然光，漫射器需要选择光扩散材料。市面的光扩散材料一般为PC（聚碳酸酯）、PMMA（丙烯酸，又称有机玻璃或亚克力）、PS（聚苯乙烯）。各材料主要参数如表2所示：
表2 光扩散板参数对比表
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综合考虑材料的各项性能，最后采取了PMMA光扩散板作为漫射器材料。在实验过程中发现，透明磨砂平板形式光扩散效果不佳，乳白色平板和乳白色灯罩形式的扩散效果较佳且比较接近。因此实验选取了乳白色的PMMA材质漫射器，现实情况可根据造型要求或者层高受限情况灵活选择平板或灯罩造型。
（3）导光管
在对建材市场和材料市场进行调研以后，市面流行反射性较好的金属材料多为抛光不锈钢和抛光铝材，抛光铝材反射率为60-70%，抛光不锈钢的反射率为55-65%。相比而言，抛光铝材反射率更高，易加工，质轻，耐腐蚀。实验选择抛光铝材作为导光管的原料。
如图4所示，实验选取了400mm*400mm和400mm*200mm截面抛光铝材导光管进行实验，长度为8m。每次测量时，将集光器调节至集光效果最佳状态，照度记录仪自动测量、记录室内照度，从10时到16时整点测量，每次测量时长为10分钟。
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图4 导光管实景照片
4.实验数据分析
整点室内照度平均值的测量结果如表3所示：
表3 整点室内照度平均值（Lx）测量结果
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10时至16时各测点照度平均值测量结果如图5所示：
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图5 各测点照度平均值测量结果
400mm*400mm截面抛光铝材导光管综合效率更高，但占用太多层高，咋了如若层高不受限，可以采用。在冬至日采光不利条件下，单套8m长的系统能够在10时至16时为实验房提供平均照度为70.27Lx的照明，出光口正下方提供平均照度为270.06Lx的照明，基本满足阅读和书写要求。
400mm*200mm截面抛光铝材导光管较适合老旧多层住宅的采光改造，搭配上述各配件使用，在冬至日采光不利条件下，单套8m长的系统能够在10时至16时为实验房提供平均照度为46.09Lx的照明，远远超出起居室15Lx的安全照明需求，能够大大提升老旧多层住宅的室内照度水平。
5.结论
从实验结果得知，所用两款导光管系统在室外有直射阳光条件下都能够为室内提供安全照明，尤其是采用400mm*400mm截面抛光铝材导光管的工况条件下，室内照度满足日常活动需要，出光口位置基本满足阅读和书写照度要求。采用400mm*200mm矩形截面抛光铝材导光管的系统受层高限制小，对室内照度水平提升也卓有成效。通过研究可知，利用导光管来对老旧多层住宅进行采光改造是可行的。
此外，导光管采光系统各组件形式、密封防水等工艺以及和通风设备的耦合设计，可在后续工作中继续进行。
参考文献：
[1]吕俊华，（德）彼得•罗，张杰，等.中国现代城市住宅1840-2000[M].北京：清华大学出版社，2003.
[2]Mayhoub M S.Fifty years of building core sunlighting systems – Eight lessons learned[J].Solar Energy，2019，184：440-453.
课题基金：
1.住建部与北建大开放课题（UDC2017030912）
2.天津市科技计划项目（16PTGCCX00060）