低碳照明設(shè)計(jì)途徑

顧玲玲 袁 樵

(復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433)

1 綠色照明到低碳照明的新要求

從《京都議定書》到《哥本哈根協(xié)議》，一場改變生產(chǎn)、生活方式乃至價值觀的低碳革命正在發(fā)生，它涵蓋了低碳技術(shù)、低碳經(jīng)濟(jì)、低碳生活甚至所有產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的最新潮流。而在照明領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)也從“綠色照明”轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗吞颊彰鳌?。從關(guān)注節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適這四項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)而深入到節(jié)約資源、降低能耗、減少溫室氣體的排放，這一轉(zhuǎn)變向我們提出了更高層次的可持續(xù)發(fā)展要求。

2 實(shí)現(xiàn)低碳照明的技術(shù)途徑

2.1 天然采光

天然光是一種取之不盡，用之不竭的綠色能源。天然光不僅可以改善室內(nèi)環(huán)境氣氛，保證較高的視覺功效，并且對于人類的身心健康有益。低碳照明設(shè)計(jì)應(yīng)將優(yōu)化天然采光放在最重要的位置。合理利用天然光，既可以減少照明用電，降低能耗，同時可以有效地減少溫室氣體的排放，緩解環(huán)境危機(jī)。

優(yōu)化天然采光，首先需要重新思考建筑流程。在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)流程中，建筑師會在設(shè)計(jì)初期對建筑布局、建筑結(jié)構(gòu)等做一些無法變更的決定，而這些決定不可避免的會對天然采光造成影響。接著，建筑師將工作移交給照明顧問和電氣工程師去做照明設(shè)計(jì)，使得照明設(shè)計(jì)嚴(yán)格依賴于建筑設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)。因此，照明設(shè)計(jì)師應(yīng)在建筑設(shè)計(jì)初期即加入設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，與建筑師一同完成方案設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)天然光的高效利用。

圖1 新建建筑窗與進(jìn)深空間的關(guān)系

(1)有效利用天然光的條例與舉措:

為了有效利用天然光，自1991年，國際照明委員會 (CIE)開始實(shí)行 IDMY計(jì)劃 (International Daylight Measurement Programme)，全球共計(jì)48個觀測站進(jìn)行高頻率、高質(zhì)量的天然光以及太陽輻射測量，15個觀測站進(jìn)行天空光線分布的測量［1］。這些測量數(shù)據(jù)為建筑師提供很好的光氣候信息，同時為天空亮度分布模型的建立、建筑物的采光設(shè)計(jì)與計(jì)算提供了依據(jù)。

美國的綠色建筑先鋒獎 (LEED)認(rèn)證條例2009版中，對于建筑采光有如下規(guī)定:對于新建建筑來說，在9月21日上午9時到下午3時之間，75% 以上的使用空間至少達(dá)到25 fc的天然光照度水平，而在晴天空條件下新建建筑的天然光照度水平不得超過500 fc［2］。同時建議采用側(cè)窗采光與頂部采光相結(jié)合的方式，開窗面積與空間進(jìn)深需滿足一定的比例關(guān)系 (如圖1)，從而保證總的采光區(qū)域占所有使用區(qū)域的75%以上。而對于既有建筑來說，上述使用空間比例規(guī)定為50%，其余照度要求基本一致［3］。

我國照明標(biāo)準(zhǔn)中對于天然采光的規(guī)定主要是《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2001和《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034—2004。 《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了各類建筑室內(nèi)、室外天然光臨界照度值，及相應(yīng)的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，同時對于房間的采光系數(shù)或采光窗地面積比提出了要求［4］?！督ㄖ彰髟O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》在充分利用天然光這一章節(jié)，建議室內(nèi)隨室外天然光的變化自動調(diào)節(jié)人工照明照度，利用各種導(dǎo)光和反光裝置將天然光引入室內(nèi)進(jìn)行照明，利用太陽能作為照明能源等［5］。雖然標(biāo)準(zhǔn)中有相關(guān)規(guī)定，但是對于天然采光諸如采光系數(shù)、采光窗地面積比要求等，并沒有在建筑設(shè)計(jì)和照明設(shè)計(jì)中得到認(rèn)真嚴(yán)格的實(shí)施和執(zhí)行。

(2)天然采光的主要手段

傳統(tǒng)的天然采光方式，主要是指頂部采光和側(cè)向采光。頂部采光時，光線自上而下，有利于獲得較為充足與均勻的室外光線，光效果自然宜人，但存在直射陽光和輻射熱的問題。在一些宗教建筑中，頂部采光的運(yùn)用被認(rèn)為極富宗教含義，如意大利的羅馬萬神殿。在現(xiàn)代建筑中，越來越多的建筑中庭設(shè)計(jì)廣泛采用天窗，以增加空間透光性。而側(cè)向采光是最常見的采光方式，往往要解決空間進(jìn)深與光線均勻度的問題。如今大量的玻璃幕墻建筑可以使采光面大大提高，將大量天然光引入室內(nèi)，但也帶來嚴(yán)重的空間輻射熱問題［6］。

新型的天然采光方式，主要依靠于遮陽設(shè)備與導(dǎo)光系統(tǒng)。遮陽設(shè)備通過遮陽板的自動調(diào)節(jié)與室內(nèi)供暖和制冷系統(tǒng)的控制連接，保證室內(nèi)有舒適的溫度，并且能耗較低。而導(dǎo)光系統(tǒng)通過屋頂?shù)牟杉b置捕獲陽光，然后通過反射管道向下改道，透過光線漫射器，將自然光分布到建筑內(nèi)部的區(qū)域。導(dǎo)光系統(tǒng)基本不涉及能耗，極盡建筑節(jié)能之概念。導(dǎo)光管系統(tǒng)主要由集光器或發(fā)光裝置、導(dǎo)光管、照明器3部分組成，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)光管系統(tǒng)組成

集光器的作用是收集盡可能多的光線，作為整個系統(tǒng)的光源。主要分為主動式和被動式兩種:主動式導(dǎo)光系統(tǒng)有追蹤日光的定日鏡，可以把日光和天空光都引入室內(nèi)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，不易普及;而被動式導(dǎo)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，進(jìn)光量大，主要是引進(jìn)天空光，成本低［7］。導(dǎo)光管是傳輸光線的通道和媒介，主要分為金屬反射型、非金屬反射型、透鏡組型、棱鏡型、光纖。表1列出了各類別導(dǎo)光管的工作原理、傳輸效率、應(yīng)用前景及限制。照明器是整個系統(tǒng)的末端，將光均勻分布到室內(nèi)空間。

在所有導(dǎo)光管系統(tǒng)中，被動式金屬反射型導(dǎo)光管系統(tǒng)比較簡單，造價低，采光效果好，適用于大面積場所的照明。其相關(guān)產(chǎn)品也較為成熟，在世界很多地方已實(shí)現(xiàn)商品化和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用較廣［8］?，F(xiàn)代科技研發(fā)的遮光設(shè)備、導(dǎo)光系統(tǒng)，將極為顯著地促進(jìn)天然采光利用，這將是低碳照明的重要應(yīng)用方向。

表1 各類別導(dǎo)光管的工作原理、傳輸效率、應(yīng)用前景及限制

2.2 使用高效、節(jié)能的照明裝置

高光效的氣體放電燈是低碳照明的優(yōu)選產(chǎn)品。在進(jìn)行光源選擇時，應(yīng)綜合考慮燈的光效、性能、價格、維護(hù)等關(guān)系。緊湊型熒光燈壽命長達(dá)8000～10000 h，而且光效比白熾燈高很多，能耗僅為輸出相同光通量的白熾燈的1/4，所以使用緊湊型熒光燈可以顯著地節(jié)約能源。而T-5熒光燈全部采用三基色固汞，顯色性好，高效環(huán)保，更節(jié)能省電，用細(xì)管T5或T8型熒光燈取代粗管T10和T12型熒光燈的趨勢漸成。

此外，需積極穩(wěn)妥地推廣LED光源技術(shù)，LED在光源可控性方面有明顯優(yōu)勢，且高效、節(jié)能。LED的發(fā)光角度可以有多種選擇，滿足不同光線分布需求，然而其光色一致性較差，如同一批次生產(chǎn)的LED光源色溫偏差較大。實(shí)際應(yīng)用中，需注意LED的壽命問題，應(yīng)認(rèn)識到在實(shí)驗(yàn)室一定溫度、濕度環(huán)境下推算出來的壽命，并不代表實(shí)際安裝應(yīng)用時的壽命，特別是當(dāng)LED燈具安裝在室外時，其壽命將大大降低。LED的進(jìn)一步研發(fā)主要集中于以下幾個方面:進(jìn)一步提高LED的光效至150～200 lm/W;進(jìn)一步提高LED的發(fā)光亮度和顯色指數(shù)，并改善其散熱性能;開發(fā)與 LED相關(guān)的控制與設(shè)備技術(shù);在住宅或非住宅建筑中，開發(fā)新型LED系統(tǒng)以獲得較好的光分布;推動LED的商業(yè)化進(jìn)程，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本等。

燈具的主要功能是合理配光，滿足環(huán)境和作業(yè)要求，及防止眩光。光源與燈具組合使用所利用的光通量依賴于燈具的效率和照明系統(tǒng)在特定空間的利用系數(shù)，只有燈具效率高，照明系統(tǒng)在空間的利用系數(shù)高，才能充分利用光源發(fā)出的光。如熒光燈的燈具設(shè)計(jì)錯開重光部分，可有效提高光效。

另外，應(yīng)選用與燈的光電參數(shù)相匹配的高效節(jié)能的電器附件，推廣使用功率因數(shù)高的電子鎮(zhèn)流器，或用節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器取代老式電感鎮(zhèn)流器。氣體放電燈應(yīng)通過電容補(bǔ)償，使功率因數(shù)不低于0.9。

2.3 智能照明控制系統(tǒng)

照明必須滿足人們在各種活動時對光線的要求。在進(jìn)行照明設(shè)計(jì)時，照度、亮度、眩光值、照明功率密度限值等參數(shù)應(yīng)符合建筑照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同時應(yīng)根據(jù)使用者的實(shí)際需求，設(shè)置適當(dāng)?shù)沫h(huán)境照明和任務(wù)照明。通過智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)光，為一個空間內(nèi)用戶，創(chuàng)造不同的場景，適應(yīng)多功能的用途，滿足使用者不同的需求與喜好。

智能照明控制系統(tǒng)可預(yù)先設(shè)置不同的場景模塊，在相應(yīng)控制面板操作可實(shí)現(xiàn)適時、適地、適人、適量照明場景的調(diào)入與切換。智能照明控制系統(tǒng)能對大多數(shù)燈具進(jìn)行智能調(diào)光，包括白熾燈、日光燈、配以特殊鎮(zhèn)流器的鈉燈、LED等。實(shí)現(xiàn)智能照明控制一般可以節(jié)約20～40% 的電能，不但降低了用戶電費(fèi)支出，也減輕了供電壓力。同時，智能照明控制系統(tǒng)采用軟啟動的方式，能控制電網(wǎng)沖擊電壓和浪涌電壓，在一定程度上可延長光源壽命。總而言之，智能照明控制系統(tǒng)在保證舒適宜人的光環(huán)境的同時，可以顯著提高用戶的工作效率，充分展示了其在照明運(yùn)行環(huán)節(jié)最大限度挖掘節(jié)能減排的潛力。

3 低碳照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

低碳強(qiáng)調(diào)全壽命、全過程、全系統(tǒng)碳排放的可量化，關(guān)注每個環(huán)節(jié)、每個對象的碳排放，因而低碳照明需關(guān)注各種照明器具的全壽命周期評價結(jié)果。所謂“全壽命周期評價”(Life Cycle Assessment)，即對產(chǎn)品從其設(shè)計(jì)、原料使用、生產(chǎn)、產(chǎn)品運(yùn)輸、產(chǎn)品使用、產(chǎn)品廢棄到回收或最終處置過程中的能量消耗、物質(zhì)消耗、污染物排放等對環(huán)境的影響程度進(jìn)行全面分析評價，而得到的產(chǎn)品對環(huán)境影響程度的客觀結(jié)論［9］。

照明領(lǐng)域需專門的低碳照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加照明器具全壽命周期的環(huán)境影響評價指標(biāo)，計(jì)算出各常用照明器具在生產(chǎn)過程中的成本投入、資源投入，在使用過程中的能耗，以及在廢棄物處理過程中的環(huán)境污染、處理消耗等數(shù)據(jù)，得出產(chǎn)品對環(huán)境負(fù)面影響程度的客觀結(jié)論，為某個空間的光源燈具選用與排布方式的優(yōu)劣提供評定依據(jù)。以LED燈具為例，應(yīng)計(jì)算LED燈具全壽命期內(nèi)，用一款燈具的單位使用價值 (比如以每百萬流明小時為計(jì))所需支出的資源總量(包括資金投入、有色金屬消耗、電力消耗、溫室氣體排放、生產(chǎn)廢水處理、污染物處理等)來評價燈具選用的優(yōu)劣。

4 低碳照明領(lǐng)域條例及政策指引

4.1 能源產(chǎn)品條例

低碳照明的推動，需要政府以相關(guān)能源產(chǎn)品條例為支撐，將最差的產(chǎn)品移除市場。典型的例子如中國發(fā)改委的逐步淘汰白熾燈，加快推廣節(jié)能燈的行動計(jì)劃。

4.2 經(jīng)濟(jì)激勵政策

低碳照明的推動，還需要中央政府或地方政府以經(jīng)濟(jì)激勵政策為指引，對于低碳照明技術(shù)新穎、低碳照明效果顯著的項(xiàng)目，進(jìn)行財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠政策，建議分類評定“建筑低碳照明示范工程”，“道路低碳照明示范工程”等，并進(jìn)一步通過媒體、網(wǎng)絡(luò)、雜志、會議等形式進(jìn)行宣傳，以推動整個城市低碳照明運(yùn)動的開展。

4.3 低碳照明意識活動

在企業(yè)框架下，需借助企業(yè)政策的影響力，進(jìn)行員工低碳照明意識運(yùn)動，鼓勵用戶離開房間的時候，及時關(guān)閉不必要的照明設(shè)備，并建議企業(yè)建立完備的電能計(jì)量系統(tǒng)，保證實(shí)時、精確的讀數(shù)，并通過一些終端方式 (比如網(wǎng)絡(luò)、電視、顯示器)告知使用者他們的使用情況，以期對人們的行為產(chǎn)生正面的影響。

5 結(jié)語

從綠色到低碳，是城市照明科學(xué)發(fā)展的新突破，將低碳照明融入低碳城市、低碳經(jīng)濟(jì)、低碳社會，共同實(shí)現(xiàn)真正意義的可持續(xù)發(fā)展。應(yīng)該將天然采光置于首位，推廣遮陽設(shè)備與導(dǎo)光系統(tǒng)的應(yīng)用，并積極研發(fā)高效照明設(shè)備與控制系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)手段，呼吁低碳照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、條例、政策的頒布，鼓勵人們的意識提升與行為轉(zhuǎn)變，以促進(jìn)耗能低、碳排放少的照明產(chǎn)業(yè)和照明方式優(yōu)先發(fā)展。

［1］CIE， InternationalDaylightMeasurementProgramme［EB/OL］.Available at website: http://idmp.entpe.fr/.

［2］USGBC，LEED 2009 for New Construction and Major Renovations Rating System.

［3］USGBC，LEED 2009 for Existing Buildings Operations＆Maintenance Rating System.

［4］GB/T 50033—2001，建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ［S］.

［5］GB 50034—2004，建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ［S］.

［6］庾晉.充分采用天然光——綠色照明的重要通途 ［J］.光源與照明，2003，(1):8～11.

［7］詹慶旋.低碳照明展望 ［J］.低碳照明，2010，(14):8～11.

［8］羅濤，林若慈，王書曉.天然光導(dǎo)光系統(tǒng)分類及全年采光動態(tài)模擬 ［J］.建筑科學(xué)，2007，23(6):4～8.

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