阴晴条件下空心光导的效率及照度分布
摘要
管状光导通过自然光给建筑物中窗户较少的地方带去了方便。这种光学装置的透光率一般根据直径和长度等几何特征发生变化，也会随着其属性发生变化。它需要较高光透射率的顶圆，扩散器及管内高质量的内反射面。外部日光条件，如天空云量和天空亮度分布，必然对管的光导效率产生重要的影响。本文提出日光的计算机模拟研究主要集中在管的光效率评估上。直线管状光导的效率主要针对标准的阴天和晴天的亮度分布。得到的结果对一个光通量所产生的导光的预测，室内采光的评价，各种日光的细化都起到了重要的作用。
1.引言
如今，在新技术的研究中，更多的关注集中在能源的效率和可持续发展上。欧洲议会指令的建筑物中建筑节能的2002/ 91 / EC（2002）[ 1 ]文件就是一个在各种气候条件下的室内舒适节能设计的导则。节能预测[ 2–4 ]主旨在于加强对可持续发展和减少环境污染中替代能源的关注。现代建筑技术最有效地利用了可再生能源。建筑中太阳辐射和日光的相关利用是建筑设计中一个高度关注的的话题。
管状光导即为一个节能技术，它为建筑物内部更深部分的照明提供了可能性。光导已经流行了至少四十年。尽管这种光学装置拥有无可争议的优势和在世界范围内的流行，但是同时也出现其优化设计和工作效率的若干问题。涌现出制作管状光导评估的实证模型和计算机的模拟研究。但这些模型概念的解释并不完全一致，因此CIE [ 5 ]成立了一个专家组且发表了技术报告论述。本文件回顾了管状光导组件的通用理解，总结了可能应用的相关信息，提出了基于经验制定的管状光导效率的评估程序。
管状光导系统的光透射率取决于管直径和长度等几何特性，同时取决于其组件的光学性能。提高建筑物内的效率需要要较高光透射率的顶圆，扩散器及管内高质量的内反射面。外部日光条件，如天空云量和天空亮度分布，对管的光导效率产生重要的影响。
为了确定各种管状光导的实际透射率，有必要对宽范围尺寸的管进行一系列长期的光测量。这种调查通常费时且昂贵，基于一个准确的方法或行之有效算法的数值模拟似乎是更合适的方法。计算机仿真研究对管状光导的优化设计提供了巨大的帮助。但是，外部的日光条件的模型及通过光导组件的光传输模型都十分重要。本文所采用的模型考虑了上述对模拟结果产生强烈影响的所有参数。日光的计算机模拟研究主要集中在各种标准天空条件下不同尺寸的管状光导的调查。得到的结果给出了两种极限天光条件下管状光导系统效率的相关信息。
要得到合理的模拟结果就只有使用高度精确的理论模型。通常考虑嵌入在导体底部的朗伯体发散器的透光率和内管壁的镜面反射以及圆顶的直接透射率。通过天空亮度分布来指定标准的天空条件，它代表了从阴到晴范围（见[6,7]）内整个天空模型。这天空模型可用于光源的预测并应用于各种工程。除了其他典型的说明外，必须明确晴朗和多云的天空情况下太阳的位置。
在中欧地区，事实证明在温和的气候条件下有必要区分夏季和冬季日光的可用性[ 8–11]。伴随有限太阳直射的多云天，代表每年超过50%的天气条件。这些条件通常由CIE阴沉天空模型进行评估，这种模型采用的是基于外部照度的通量法，如[5,12–15]。通过计算机模拟光在一个光导的传播可以得到更精确的结果。理论分析和数值的解决方案详见[16–22]。对标准日光条件的考虑及以分析为基础的对管道中射线追踪的解决方案是HOLIGILM模型最大的优势[17,18,23]。在本研究中，在阴天和晴天条件下光管效率的研究基于HOLIGILM模型。
2.方法论
计算机程序HOLIGILM 2.0（空心光导室内照明计算方法）可以计算室内覆盖的照度，内部参考面的照度，标准天空条件（见[7]）下穿过光导的光通量。该程序网址http://www.holigilm.info。计算值可以以轮廓线或者彩图的图形方式呈现。
本研究的重点是光管效率的计算机分析，为了避免各种扩散器材料透光率的影响，就没有考虑室内天花板上表面的影响。本研究考虑的外部条件如下:
? 阴天，类型1[7]，
? 晴天，类型12[7]，
? 太阳高度角 γs=20°，40°，60°
在建筑物的常规安装中直管光导样品的尺寸和光学特性的范围：长度L=0.5,1.2,2.0,4.0米，直径D=0.32,0.52，0.72 米。屋顶透明（玻璃）圆顶的光透射率为?D=0.92，导管内表面的反射率?=0.93或者0.98。
表面照度为漫射照度DV和直射照度PV的和。地面测量的漫射照度取决于明亮太阳常数，椭圆率校正因子ε，大气中的光衰减。后者用漫反射器清洁指数表示Dv/Ev,漫射照度为
Dv?(Dv)LSC?sin?s （1） Ev漫反射器清洁指数Dv /Ev定义为在没有直射阳光的情况下地面接收光线的比例。它可以根据水平漫射照度Dv的常规测量和水平面上计算所得的明亮日辐射常数来确定，Ev?LSC?sin?s。对于实际应用，报告[24]建议明亮太阳常数LSC=133,800 lx 。这个值与日辐射常数SC = 1367 W m?2 [25]相关，通过计算相同的太阳光谱得到日辐射常数。最终，Gueymard修正了SC，他通过更精确地测量光谱辐照度数据得到了SC = 1366.1 W m?2。遵循同样的数据集，Darula 等. [27]认为LSC为133,334 lx。至多或至少有几个精确公式可用于椭圆度校正因子的计算，我们采用Kasten [28] 提出的公式
360??ro?（2） ?????1?0.00344cos((J?1.7346?))
r365.25??它使用了一年的日数J。对于许多工程应用，这个等式拥有让人满意的精确度。
阳光充足的情况下水平全球照度GV为水平漫射照度DV和直射照度PV的总和。 分子和浮质的消失对直射照度可以产生影响，直射照度可以通过公式（3）获得，其中，av为消光系数，m为相对光学大气质量，Tv为光浊度的因子
（3） P?e(?avmTv)sin?s v?LSC在相对大气质量占主导地位的地方，如果从一个升高的天顶的角度观察，大气成分显著地减弱了太阳射线。大气光衰减通常随波长?的增加而减少，因此，
2消光系数在可见光的光谱内变化且派生的无线电度量计算公式不能用于光度法的应用。明确了消光浊度较低的条件下，提出了在浊度较低的条件下，Clear进行了光衰减的研究，提出了等式（4），其中对可见光谱的380–780 nm 内有效。[29].
av?1 （4）
9.9?0.043m即使系数av通常为m的函数，一个光谱消光系数a?是绝对独立光学大气质量。由于在不同的太阳高度，路基的太阳辐照度的平均自然对数会造成不同的当量?780nm380nma?T??avTv，对m的修正就整合到（4）中，对于m，我们选择了Kasten
and Young[30] 提出的近似公式[5]
m?1??1.6364sin?s?0.50572(?s?6.07995) （5）
最后，简单公式（6）或（7）用于全球外部水平照度的测定：
Gv = Dv + Pv （6） 基于（1）和（3），我们得到
Gv?LSC?(Dv?e(?avmTv))sin?sEv （7）
已知光导入口的全球照度Gv和光管底座的输出光通量?output，就可以通过（8）确定光管效率Eff
Eff??OUTPUT （8） ?INPUT其中输入光通量?INPU取决于全球照度Gv和管道横截面积
s??r2??(D/2)2，即
?INPUT?Gv?()2 (9)
D2这里，r和D分别为管道的半径和直径，上述过程应用在于纵横比AR = L / D的和光管效率Eff的相互关系。因此，可以通过光导物理性质的设计来达到要求的照明水平。
3.结果与讨论
该数值模拟的是直管日光管引导系统，假设太阳高度20°、40°和60°和标准阴天和晴天条件下进行的。将直径D =0.32m、0.52m和0.72m，和管长度L= 0.5m、1m、2m和4m进行方便地组合，以获得广泛光谱的纵横比AR，记录在表1中。为了与前面介绍的信息一致，计算被用于两种类型的管道，其内反射为0.93或0.98。
扩散器的上界面上的照度分布记录在图1中，太阳高度被认为?s= 40°。假
20?设Dv/Ev=0.2，外部照度Gv=Dv很容易确定，因此应用（1）可得Dv=9.15 klx，40?60? =17.21klx和Dv=23.18klx。图1a-i文档中，在阴天的照度图形的方位角Dv均匀性转变成光管基底照度分布的径向对称性。光管基底最大到最小照度的比率随着光管长度缩短而增加。数值实验也是在太阳高度40°和60°的条件下取得的。由于阴天条件等值线的循环形式保持不变，但照度水平会相应地降低。因此，效率Eff也发生改变，记载于表2中。
标准阴晴条件下光导光效与照度分布 - 图文
