基于生態(tài)理念的校園照明系統(tǒng)設(shè)計研究

王晨楊+沈新榮+馮沛龍

一、校園照明的問題分析

1.分區(qū)無序。

對錫城多所中學(xué)校園的調(diào)查表明，“分區(qū)無序”的照明問題普遍存在。校園照明大多只分“有照明”和“無照明”兩種，其中，教學(xué)區(qū)、生活區(qū)（學(xué)生宿舍、教師公寓等）及連接兩區(qū)的主要道路旁布置有路燈等照明設(shè)施，而運動區(qū)和其他區(qū)域并沒有任何照明設(shè)施。

校園照明的首要目的是保障師生夜間學(xué)習(xí)和生活的安全，提高校園各類室外設(shè)施設(shè)備的夜間使用率；同時也應(yīng)與校園環(huán)境相結(jié)合，利用多種燈光技術(shù)來展現(xiàn)校園的夜間景觀形象；考慮到“觀星認(rèn)星”的課程教學(xué)需要，特定區(qū)域的燈光應(yīng)被嚴(yán)格管制。因此，在中學(xué)校園施行“分區(qū)照明”非常必要。

2.亮度失控。

《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB7793—87）自1988年3月正式實施，至今已有近20年?！皹?biāo)準(zhǔn)”的出臺，在幫助學(xué)生辨識對象、預(yù)防近視和提高學(xué)習(xí)效果方面起到了重要的作用。

但時至今日，校園的戶外照明仍缺乏必要的規(guī)范和指導(dǎo)。大型探照燈產(chǎn)生的炫光污染、不恰當(dāng)?shù)拇怪泵嬲斩葘?dǎo)致的輪廓效應(yīng)、設(shè)計不良的燈具形成的無效光溢出、不合適的安裝位置和方向引發(fā)的用戶光入侵等問題，不僅在校園內(nèi)而且在社會上普遍存在。這一方面造成了能源的極大浪費，另一方面在人體健康、動植物生態(tài)平衡、天文觀測等方面也有不良的影響。

3.品位不高。

校園照明的品位高低，首先看是否“綠色”。風(fēng)光互補路燈，尤其是太陽能路燈具備清潔、安全、適用廣、壽命長和免維護(hù)的特性，卻是中學(xué)校園照明系統(tǒng)中的稀客；校園燈光控制系統(tǒng)是否智能，能否根據(jù)夜天光亮度的實時變化自動開啟或關(guān)閉室外照明、調(diào)節(jié)路燈亮度，關(guān)乎節(jié)能大計。

其次看有無“文化”。校園夜景是校園文化的重要組成部分，應(yīng)與校園規(guī)劃統(tǒng)籌設(shè)計。雕塑、壁畫、廣場、亭臺、噴泉、河湖等重要的校園小品是否能在夜間仍具有觀賞、休憩、教育的功能，與校園照明設(shè)計緊密相關(guān)。

第三看“課程”體現(xiàn)。校園照明系統(tǒng)是重要的校本性課程資源，從路燈的布置、燈具的設(shè)計，到燈光小品的規(guī)劃、控制系統(tǒng)的優(yōu)化等各方面，都對學(xué)生有潛在的教育影響。倘若對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)引導(dǎo)，吸引其參與照明系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)置、優(yōu)化工作，將能更好地體現(xiàn)“課程”意識，促進(jìn)學(xué)生的興趣發(fā)展。

二、生態(tài)校園的理論指導(dǎo)

1.生態(tài)校園。

生態(tài)校園是運用生態(tài)學(xué)的基本原理與方法規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、管理及運行的人與自然關(guān)系的和諧，各物種布局、結(jié)構(gòu)合理且環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良，物質(zhì)、能量、信息高效利用且對環(huán)境友好的集學(xué)習(xí)、工作、活動、休閑功能于一體的人工生態(tài)系統(tǒng)。

生態(tài)校園一般從景觀、技術(shù)、教育和管理四個層次進(jìn)行建設(shè)。建設(shè)以校園布局、道路規(guī)劃、建筑設(shè)計、園林景觀為主要內(nèi)容的生態(tài)景觀；利用以可再生能源、環(huán)保技術(shù)、循環(huán)使用為主要內(nèi)容的生態(tài)技術(shù)；開發(fā)滲透有生態(tài)規(guī)律、倫理和美學(xué)等相關(guān)理念的生態(tài)教育課程；健全以對環(huán)境友好的管理制度為主要內(nèi)容的生態(tài)管理體系。

生態(tài)校園的具體建設(shè)過程，不僅強調(diào)學(xué)校教職員工的規(guī)劃與設(shè)計，而且關(guān)注全體學(xué)生的參與和改造作用。生態(tài)校園建設(shè)的意義，也不僅在于校園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善，而且在于師生共同的可持續(xù)發(fā)展生態(tài)觀的養(yǎng)成，及進(jìn)一步的輻射和傳播。

2.中學(xué)校園照明。

生態(tài)校園理念指導(dǎo)下的校園照明，應(yīng)是采用生態(tài)學(xué)的原理和方法設(shè)計、建設(shè)、運行和管理的布局合理、亮度適宜、品位健康，對環(huán)境友好的，能滿足師生學(xué)習(xí)、工作、生活、休閑需要的智能系統(tǒng)。

具體來講，校園照明系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)以生態(tài)規(guī)劃為基礎(chǔ)，充分考慮校園功能分區(qū)和綠植分布，使總體的校園照明與生態(tài)環(huán)境和諧統(tǒng)一、相得益彰；應(yīng)以生態(tài)美學(xué)為參考，在滿足師生學(xué)習(xí)、工作和生活的基本需求的前提下，利用燈光技術(shù)滿足師生的審美和文化享受需要；應(yīng)以生態(tài)技術(shù)為支撐，適當(dāng)采用新能源和可再生能源等供能方式，以減少對環(huán)境的不良影響；應(yīng)以生態(tài)管理為保障，完善智能化的照明控制系統(tǒng)，減少不必要的能源浪費；應(yīng)以生態(tài)教育為動力，引導(dǎo)學(xué)生參與生態(tài)照明和生態(tài)校園的建設(shè)，養(yǎng)成可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)觀。

三、天一中學(xué)建設(shè)實踐

1.分區(qū)規(guī)劃。

江蘇省天一中學(xué)位于無錫市錫山區(qū)（圖1），學(xué)校占地面積近500畝，在校師生約3000人。在“生態(tài)公園”“溫馨家園”“文化圣園”“數(shù)字校園”的四園理念指導(dǎo)下，學(xué)校建設(shè)形成了“教學(xué)區(qū)”“生活區(qū)”“運動區(qū)”“校園農(nóng)場”四大功能分區(qū)，各分區(qū)間不僅有路網(wǎng)連接，而且有“映天湖”“植物園”“匯文廣場”等生態(tài)景觀和文化小品。

根據(jù)區(qū)域的功能不同，學(xué)校采取了不同的照明策略。教學(xué)區(qū)內(nèi)部（中央廣場區(qū)域）是寄宿制學(xué)校學(xué)生夜間活動的主要場地，為滿足戶外活動的需要，需要在路燈的密度、亮度、位置和形式上綜合產(chǎn)生較亮的照明效果。為此，學(xué)校安裝了51組庭院燈（圖2），每組含5盞燈泡。庭院燈的間距平均17米，桿高3.25米。頂部燈罩的設(shè)計有效防止了天向逸散光，四周透光玻璃的設(shè)計通過引導(dǎo)光線折射，一方面減少了向上的光溢出，另一方面盡可能地擴(kuò)大了單盞庭院燈的水平照度。

考慮到校園外圍環(huán)路風(fēng)格的一致性，學(xué)校在生活區(qū)及與其直接相通的校園環(huán)路上采用了同樣的照明器具：遮光路燈（圖3）?？倲?shù)為52盞的遮光路燈間隔約28米，桿高可達(dá)8.34米，為在環(huán)路和生活區(qū)附近通行的汽車、電動車和自行車提供了必要的照明。較高的桿高和較遠(yuǎn)的間距，既保證了足夠的水平照度范圍，又減少了能源的消耗。燈泡嵌入燈罩內(nèi)部的設(shè)計，將光線限制在一定范圍內(nèi)，減少了天向逸散光和其他角度的無效光溢出。

為滿足體育館和游泳館夜間開放的需要，學(xué)校在兩館中間的步行區(qū)域安裝了6盞導(dǎo)管燈（圖4），桿高3.5米，間距約11.5米。導(dǎo)光管的設(shè)計，有效避免了天向逸散光，降低了炫光，同時還增加了地面的水平照度和人行空間的垂直照度，在照明和節(jié)能方面起到了事半功倍的效果。

在風(fēng)景秀麗的“映天湖”湖畔西北的林蔭小道上，學(xué)校安裝了10盞遮光景觀燈（圖5），桿高3.36米，間距約16米。朦朧的遮光景觀燈與小道旁婀娜的柳樹以及微風(fēng)拂過的湖景相結(jié)合，更增添了一層江南水鄉(xiāng)的柔情，為在此慢行的師生提供了如詩如畫的環(huán)境。

在后續(xù)的改造中，學(xué)校將進(jìn)一步完善校園“分區(qū)照明”規(guī)劃，形成各具特色的照明功能區(qū)。同時，繼續(xù)保持“校園農(nóng)場”低照度的夜光環(huán)境，以避免人造光源對綠植生長的干擾。

2.特色照明。

基于休憩、審美和“觀星認(rèn)星”的課程教學(xué)需要，學(xué)校規(guī)劃、設(shè)計了一些“特色照明”。學(xué)校標(biāo)志性建筑物——信息樓、體育館（圖6）的照明處理，烘托了明亮、莊重、簡潔的氣氛，同時又勾勒出主要建筑物的輪廓，起到了很好的夜間辨識和審美效果。

在“匯文廣場”區(qū)域的照明設(shè)計上，學(xué)校擯棄了常見的地埋燈、低位反光燈設(shè)計，而是采用了“借光”的方式，通過巧妙借用西環(huán)路路燈和學(xué)生公寓1二樓大廳的側(cè)向逸散光來營造典雅、舒適的視覺藝術(shù)效果（圖7）；同時，在廣場邊緣的噴泉區(qū)采用了暗調(diào)池?zé)艉统乇跓舻人聼粼?，起到了既突出水紋，又不映射至水面以上的良好效果。這種借用的理念和節(jié)能的做法，兼顧了照明技術(shù)、夜景環(huán)境和節(jié)能環(huán)保，滿足了師生夜間休憩的需要。

此外，基于學(xué)校天一天文社的特色校本課程教學(xué)需要，除在校園內(nèi)杜絕大型探照燈，推廣低溢出的綠色、環(huán)保型路燈外，學(xué)校在科學(xué)樓及周邊區(qū)域?qū)嵤┝藷艄夤苤?。尤其是科學(xué)樓北側(cè)“江南植物園”和“映天湖”周邊的“暗夜區(qū)域”，有效保證了科學(xué)樓樓頂觀星平臺的日常運作，可以滿足學(xué)生基本的目視觀星、望遠(yuǎn)鏡觀測和天文攝影（如北天星軌、星座攝影等）的課程教學(xué)需要。

3.綠色照明。

在校園照明系統(tǒng)的建設(shè)中，學(xué)校大量使用了高效率、長壽命、無污染、安全穩(wěn)定的節(jié)能型照明電器。既充分提高了路燈的有效照度，又大大節(jié)約了市電電能的消耗；既減少了電網(wǎng)日常維護(hù)的成本，又延長了燈具的使用壽命。

在校園照明系統(tǒng)的改造中，學(xué)校開展了“綠色照明”的試驗性建設(shè)工作，在東環(huán)路安裝了一批太陽能路燈（圖8）。太陽能路燈直接將自然光轉(zhuǎn)化后儲存在光伏電池中，有效減少了市電的能源消耗；無需開溝埋線，維護(hù)費用低且更為安全可靠；通過智能控制器的介入，可以根據(jù)夜天光亮度實時調(diào)節(jié)發(fā)光亮度。此外，將太陽能電板設(shè)置在燈泡上方的做法可以有效削減天向逸散光，起到防治光污染的作用。

此外，通過校本課程和學(xué)生社團(tuán)的開設(shè)，一些新能源、新技術(shù)被師生引入、開發(fā)，應(yīng)用于實踐。如學(xué)校中英合作“風(fēng)力發(fā)電研究小組”的師生在科學(xué)樓頂樓設(shè)計、安裝了大功率風(fēng)力發(fā)電機，國際部徐安炯同學(xué)研發(fā)的“太陽能固定雙向互補超大面積聚光蜂窩熱水蒸汽爐”獲全國青少年科技創(chuàng)新大賽英特爾工程獎并成功申請了專利。

4.生態(tài)管理。

生態(tài)管理的一個重要方面就是科學(xué)的照明設(shè)計。學(xué)校根據(jù)不同功能區(qū)的照明需要，確定了不同區(qū)域、不同方向、不同地平高度和不同時間段的照明亮度，通過路燈的形式、分布位置、密度、桿高、燈罩樣式的精心選擇，一方面控制好功能照明的水平照度、垂直照度、均勻度，另一方面建設(shè)好景觀照明以烘托、體現(xiàn)校園的夜間景觀和內(nèi)涵，是對分區(qū)照明、特色照明和綠色照明理念的實施和貫徹。

隨著天一天文社多個校內(nèi)夜空光度監(jiān)測站的建設(shè)推進(jìn)，未來，國際領(lǐng)先的SQM測光儀獲取的實時夜天光數(shù)據(jù)將可能與校園照明控制系統(tǒng)形成聯(lián)網(wǎng)，變定時開閉的路燈為根據(jù)實時夜天光亮度自動調(diào)節(jié)的照明系統(tǒng)，成為一個更為智能、可靠的生態(tài)化管理系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)通過充分利用自然光來進(jìn)行補充照明，可以有效降低長明燈、早亮燈的現(xiàn)象，不僅節(jié)約了市電電能，而且促進(jìn)了師生科學(xué)的光害意識的養(yǎng)成，推動了學(xué)生研究項目的深入和走向國際。天一天文社已接獲國際天文學(xué)聯(lián)合會共建全球夜天光監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的正式邀請，與德國地球科學(xué)中心的科學(xué)家們聯(lián)合召開了“光污染影響天文觀測”網(wǎng)絡(luò)會議，并組織師生赴香港大學(xué)開展了光污染防治相關(guān)的技術(shù)研討。

四、城市照明的反思探討

校園照明是城市照明的一個縮影，城市照明中諸如能源浪費、布點不均、亮度失控、品味不高的問題在校園里也普遍存在。

相比大型市政工程的重建，校園內(nèi)照明系統(tǒng)的改造在難度上更小，成本上更低。以學(xué)校為單位，科學(xué)規(guī)劃、認(rèn)證，大膽采用新能源、新技術(shù)和生態(tài)化的管理體系，進(jìn)行照明系統(tǒng)的改造試點，受益者將不僅只有師生，更包括全社會的每一個個體。

學(xué)校作為占地面積有限的局域性單位，僅靠一己之力的有質(zhì)量的戶外照明來維持和保護(hù)健康、生態(tài)、審美的夜間環(huán)境和人類共同的夜空遺產(chǎn)是力不從心的。學(xué)校的照明改造也需要周邊單位和群眾的大力支持和配合。比如天一中學(xué)科學(xué)樓樓頂觀星平臺的夜天光環(huán)境正受到學(xué)校西南側(cè)晶石國際大廈外墻LED廣告屏的強光威脅，需要進(jìn)行積極、持續(xù)、有效的協(xié)調(diào)。

全國性、地方性的城市照明規(guī)劃和立法將是我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展從粗放走向集約，從量的積累走向質(zhì)的提升的重要戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型期內(nèi)迫切需要重視、解決的。

備注：本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點自籌課題《STEM教育視野下學(xué)生研究項目開發(fā)研究（B-b/2016/02/65）、無錫市教育學(xué)會“十三五”教育科研課題《基于“項目學(xué)習(xí)”發(fā)展“核心素養(yǎng)”的地理教學(xué)研究》（XH1628）階段性成果。