環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)

陳思達(dá)，孔德政

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

隨著我國(guó)當(dāng)前城市建設(shè)的逐漸發(fā)展，城市生態(tài)景觀照明工程逐漸在各個(gè)城市廣泛應(yīng)用。但由于城市生態(tài)景觀大量采用夜景照明燈具，越來越多的光污染產(chǎn)生，影響人們的生活環(huán)境[1]，且生態(tài)景觀照明與管理較為落后，許多重大節(jié)日的景觀照明設(shè)施需要耗費(fèi)許多人力物力，很難保障照明設(shè)施的開啟效率，導(dǎo)致城市生態(tài)景觀形象無法完全展現(xiàn)出來。因此，研究城市景觀生態(tài)照明節(jié)能方法尤為重要[2-3]。

通過現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)操控等數(shù)字化輔助技術(shù)，精確實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的開啟與關(guān)閉，能夠有效降低照明設(shè)施的費(fèi)用，還能夠保障照明設(shè)施的開啟效率[4]，并且能夠精準(zhǔn)跟蹤照明設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以便于故障維修，使城市形象能夠完美展現(xiàn)[5-6]。因此，通過數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)景觀照明節(jié)能，能夠提升城市管理效益以及經(jīng)濟(jì)效益，還能夠促進(jìn)城市快速發(fā)展，保障城市環(huán)保理念的精準(zhǔn)實(shí)施。許多學(xué)者針對(duì)照明節(jié)能方面進(jìn)行研究，例如相關(guān)研究人員[7]研究基于日光和用戶需求的照明節(jié)能控制方法，相關(guān)研究人員[8]提出城市軌道交通全直流照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但針對(duì)環(huán)保型城市全方位的生態(tài)景觀照明節(jié)能設(shè)計(jì)，依然具有較高能耗。本文依據(jù)環(huán)保型城市中需要達(dá)到的照明效果，提出環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)。通過設(shè)定照明標(biāo)準(zhǔn)以及照明功率密度值，通過數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)環(huán)保型城市所需照明指標(biāo)，并設(shè)計(jì)燈具選取指標(biāo)，完成生態(tài)景觀照明節(jié)能過程。

1 生態(tài)景觀照明節(jié)能數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)

1.1 照明標(biāo)準(zhǔn)

城市生態(tài)景觀照明的作用是實(shí)現(xiàn)環(huán)境優(yōu)化以及提升城市氛圍感，通過生態(tài)景觀的照明，體現(xiàn)城市的文明水平。因此，如何進(jìn)行照明以及照明程度是環(huán)保型城市需注意的問題[9]。城市中景觀特性、景觀建筑外層涂料以及外圍光亮狀態(tài)均與生態(tài)景觀照明值存在聯(lián)系。需依據(jù)照明景觀的各種特性以及規(guī)模，設(shè)計(jì)匹配相應(yīng)的照明亮度標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能效果。依據(jù)我國(guó)城市綠色照明工程有關(guān)規(guī)定，還需依據(jù)以下兩點(diǎn)規(guī)定值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)確定居民室內(nèi)能夠看到的光源強(qiáng)度以及居民建筑中的映射光源強(qiáng)度，不能超過表1中的限制值。通過自發(fā)光進(jìn)行生態(tài)景觀照明時(shí)，自發(fā)光面平均亮度需依據(jù)表2的限制。

表1 城市住宅防控干擾光強(qiáng)度限制值Tab.1 Limiting value of interference light intensity for urban residential control

表2 自發(fā)光面的亮度限制值Tab.2 Brightness limit value of self luminous surface

(2)在生態(tài)景觀區(qū)域內(nèi)，建筑物所選取的燈光照明工具中的射光通量與全部光通量(ULR)比值應(yīng)等于0；城市中心亮度(12 cd/m2)區(qū)域?yàn)?5%，該區(qū)域?qū)儆谏虡I(yè)區(qū)范圍；城鎮(zhèn)中等亮度(6 cd/m2)為15%；城市低亮度區(qū)為15%。

2.2 照明功率密度值

單位面積內(nèi)，裝置照明設(shè)備的功率，其中涵蓋變壓器、光源等，即為照明功率密度值(Lighting Power Density，LPD)，單位為W/m2。

在1975年左右，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)制定了單位面積安裝功率相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。通過ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，設(shè)定了被照建筑的照明功率范圍值，使建筑照明用電能夠達(dá)到相應(yīng)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[10-12]。當(dāng)前我國(guó)環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能地方標(biāo)準(zhǔn)限制為3.5 W/m2。

由于環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明的表層亮度或照度和反射比以及潔凈狀態(tài)存在關(guān)聯(lián)，當(dāng)環(huán)境亮度出現(xiàn)改變時(shí)，燈具安裝效果也有所不同，因此，通過表3所示的功率安裝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表3 單位面積安裝功率限制Tab.3 Power limits per unit area

2.3 景觀照明節(jié)能數(shù)字化控制指標(biāo)體系

依據(jù)以上照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，采用數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)相應(yīng)環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明原則與控制指標(biāo)，使本文通過數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)的生態(tài)景觀照明情況能夠滿足環(huán)保型城市所需標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，細(xì)化設(shè)置燈具擺放種類，保障城市中的燈具均具有相應(yīng)指標(biāo)，并通過“點(diǎn)、線、面”形式進(jìn)行區(qū)別控制[13-15]。

依據(jù)國(guó)家《景觀工程設(shè)計(jì)》等理論研究，設(shè)計(jì)數(shù)字化節(jié)能指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 生態(tài)景觀照明節(jié)能控制體系設(shè)計(jì)Tab.4 Design of energy-saving control system for ecological landscape lighting

依據(jù)表4中的指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能燈具的選取指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)景觀照明節(jié)能數(shù)字化[16-17]，具體設(shè)計(jì)如下。

(1)道路燈光。①道路1：太陽能高桿燈，LED燈、亮燈時(shí)間：依據(jù)城市日照情況6～12 h、連續(xù)工作陰雨5～7 d。②道路2：LED庭院燈，功率45 W、色溫3 000 K、防護(hù)等級(jí)IP55。③道路3：LED草坪燈，功率13 W、色溫3 000 K、防護(hù)等級(jí)IP65。④道路4：LED景觀燈，防護(hù)等級(jí)IP55。⑤道路5：LED燈帶，功率60 W、防護(hù)等級(jí)IP65、外殼塑料、波長(zhǎng)585～595 nm黃白光。

(2)綠化燈光。①綠化1：投光燈，功率12 W、色溫3 000 K、防護(hù)等級(jí)IP65、光束角30°、含防眩罩。②綠化2：LED照樹燈，功率12 W、色溫3 000 K、防護(hù)等級(jí)IP65、光束角30°、含防眩罩。③綠化3：LED草坪燈，功率12 W、色溫3 000 K、防護(hù)等級(jí)IP65、光束角30°、含防眩罩。④綠化4：投光燈，功率60 W、防護(hù)等級(jí)IP35、外殼塑料、波長(zhǎng)585～595 nm黃白光。

依據(jù)所設(shè)定控制指標(biāo)中光源、動(dòng)態(tài)照明、眩光等各個(gè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)，并依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，提出相應(yīng)改進(jìn)意見：①需添加智能照明控制系統(tǒng)，針對(duì)深夜時(shí)間段的燈光亮度進(jìn)行調(diào)控，或直接設(shè)定為聲控模式；②減少生態(tài)景觀周圍區(qū)域動(dòng)態(tài)彩光頻閃，防止夜間動(dòng)物活動(dòng)時(shí)無法感應(yīng)方向[18-20]。

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過仿真的形式分析應(yīng)用本文方法后的節(jié)能效果。本文以河南省鄭州市某小區(qū)城市道路為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)節(jié)能效果分析。在城市道路中安裝128 W的LED燈，高度為4.5 m，燈具放置角度30°，依據(jù)現(xiàn)有照明設(shè)計(jì)規(guī)范，所需亮度為105 cd/m2。對(duì)比3種布燈過程的平均照度以及路面總均勻度。對(duì)3種布燈照度進(jìn)行5次計(jì)算，以防止1次計(jì)算結(jié)果不夠精準(zhǔn)，分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 布燈方式分析Fig.1 Analysis of light distribution mode

根據(jù)圖1可知，當(dāng)處于一致的布燈環(huán)境中時(shí)，交錯(cuò)布置形式的路面平均照度明顯高于對(duì)稱布置，對(duì)稱布置的總均勻度高于交錯(cuò)布置，中央布置的平均照度和總均勻度效果明顯好于其他兩種布置方式。所以，在設(shè)置路面景觀燈時(shí)，通過中央布置方式能夠有效提升路面平均照度和總均勻度，合理降低能耗。

分析不同場(chǎng)景下的能耗節(jié)約占比，分析結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2可知，應(yīng)用本文方法設(shè)計(jì)所布置的照明燈具具有較高的節(jié)能效果，其中白天場(chǎng)景下的節(jié)能效果要好于夜間場(chǎng)景節(jié)能效果，且均保持在30%以上。因此，本文設(shè)計(jì)的景觀照明節(jié)能效果相對(duì)較高。通過仿真設(shè)置綠化范圍燈光，分析不同布燈間距下不同燈具角度的平均照度，分析結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同場(chǎng)景能耗節(jié)約占比Fig.2 Energy consumption saving ratio in different scenarios

圖3 不同燈具角度平均照度Fig.3 Average illumination from different lighting angles

根據(jù)圖3可知，不同燈具在布燈間距為50 cm時(shí)平均照度最高，說明選取50 cm間距最為節(jié)能，而燈具角度為0°時(shí)，平均照度要高于10°與20°的燈具角度，因此選取0°的燈具角度以及50 cm的布燈間距最為節(jié)能。

分析本文布燈過程中應(yīng)用燈具的具體性能，分析結(jié)果見表5。

表5 燈具性能分析Tab.5 Performance analysis of lamps

根據(jù)表5可知，本文設(shè)計(jì)方法中所選取的燈具均具備抗電磁干擾性，能夠有效防止意外失效情況，且安裝過程較為簡(jiǎn)便，不需要耗費(fèi)過高人力成本，且費(fèi)用消耗較低，能夠節(jié)約生態(tài)景觀布燈過程中的花費(fèi)用。

據(jù)此提出以下措施：①根據(jù)燈光調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)燈光的遠(yuǎn)程調(diào)控，根據(jù)節(jié)假日等相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)不同亮燈方式；②通過季節(jié)和天氣變化，不同位置、不同時(shí)間的照明需求，制定燈光控制策略，從而大幅度減少路燈照明的電能消耗；③巡檢與派工管理。對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行巡檢，并記錄計(jì)劃管理歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供操作人員查詢。

4 結(jié)論

生態(tài)景觀照明能否實(shí)現(xiàn)更高的節(jié)能效果是評(píng)價(jià)環(huán)保型城市生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，依據(jù)環(huán)保型城市的需求，本文研究環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)以及照明節(jié)能改進(jìn)意見提升生態(tài)景觀照明節(jié)能效果，采用仿真實(shí)例分析形式，分析本文不同布燈方式在不同場(chǎng)景下的節(jié)能效果，經(jīng)仿真分析后，可知本文方法能夠降低能耗。