实验室在“建筑高效日光采集照明系统的设计及分析研究”方面取得重要进展

金鹏副教授研究团队，以绿色建筑日光照明系统为研究对象，采用拼接式聚光系统、新型的四镜面反射系统、追踪系统和导光管系统，在x100的聚光比实现了高效的建筑日光照明。研究成果以 ”Design and analysis of an active daylight harvesting system for building” 于2019年2月17日被国际能源期刊 Renewable Energy 接收。

《Renewable Energy》影响因子为4.982，CiteScore为5.38，是能源类的国际顶尖期刊之一 (JCR^® Q1)。这也是绿色照明实验室首次在能源类期刊发表高影响因子论文。

根据IEA的报告，中国是世界第二大建筑能源国家，2014年占全球建筑能源消耗的近14%。2016年，建筑能源消耗量占中国一次能源消费总量的20%，而照明更是占据建筑能源消费总量的16%。

目前来说，建筑阳光技术主要分为三种，即百叶窗、光导管和光纤照明。百叶窗是在窗户上增加反射片将太阳光反射到建筑内部；导光管式选用高反射材料安装在屋顶将阳光反射到建筑物中；光纤照明系统由追踪系统、聚焦透镜和光纤组成，传输距离长但光通量非常小。为了克服目前日光照明系统研究所存在的传输过程中能量损失大、光通量小、红外辐射高和有效照明时间短等缺点，本研究以建筑日光高效采集系统为研究对象，首次实现了：

1.      拼接式镜面组装成抛物面聚光系统，为了降低太阳能集中器的重量和制造成本，采用碳纤维增强PLA材料3D打印制成聚光系统基底，同时考虑面形误差对于系统的影响；

2.      四镜面反射系统实现光线准直进入导光管，减少传输过程中反射能量损失，采用high-pass镀膜工艺，透过红外波段，将可见光反射进入建筑内部照明；

3.      采取光电跟踪和视日追踪方法设计追踪系统保证追踪精度小于0.5°；

4.      光导管系统中4透镜联动实现日光聚光和准直，完成太阳光的精准提取和控制。

图1. 主动跟踪式聚光系统的示意图 - 聚光，准直，联动和导光

研究表明，新型建筑日光照明系统比目前其他系统相比能效更高，可大大减少建筑内部照明消耗量和空调负荷。 本文提出一个新型建筑日光采集照明系统，成功克服了现有日光采集系统的不足。

通过在深圳地区的实验测试和模拟仿真，本文提出的新型建筑日光照明采集照明系统，直径为0.1m的光导管能够传输平均30000 lm的自然光且有效照明时长超过8个小时。光束准直后，光线取出比例易于控制， 取出2.5%的光线用于   5 米 × 3米 × 2.5 米 房间照明，工作平面的平均照度为120 lux， 并且避免了传统光导管系统的眩光（图2）。本文设计的系统传输的光通量能够满足30间Demo房屋的照明。

图2. Demo 房间工作平面的照度 Lux分布图

针对现有的光纤照明和导光管照明系统，提出并评价了一种新型日光采集照明系统。太阳聚光器采用碳纤维增强聚乳酸（PLA）材料3D打印而成，重量轻，制造成本低，是日光采集照明系统的理想选择；建筑照明只需要可见光，我们选择了high-pass 镀膜工艺来滤除日光中红外波段，反射可见光波段参与建筑内照明，大大降低了建筑内部空调负荷，减少系统的热负荷；采用一种新型的四镜面反射系统，具有光线准直的功能，在100倍的聚光比下，直径为0.1 m的光导管可将30000 lm的日光导入到建筑物内部。试验测试和仿真结果表明，与目前的光导管和光纤照明系统相比，该系统光通量提高100倍以上，可以用于大面积室内照明。与非跟踪的光导管系统对比，本系统有效采光时间为2倍以上。

该工作是绿色照明实验室金鹏副教授及其2016级硕士生李秀杰团队一起完成。以上工作得到了深圳市科技创新委 (No. JSGG 20170824094716462 and JCYJ20150529095551499)的资助支持。