低碳照明設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)途徑研究

李榮芳，曹景玉

水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250100

0 引言

低碳照明設(shè)計(jì)是指采用科學(xué)合理的照明燈光計(jì)劃，使用高效率、壽命長(zhǎng)、安全和性能可靠的光照產(chǎn)物，運(yùn)用科學(xué)技術(shù)手段改善室內(nèi)外的工作、學(xué)習(xí)、生活環(huán)境，構(gòu)造舒適、快捷、經(jīng)濟(jì)、安全、對(duì)環(huán)境友好和尊崇現(xiàn)代燈光科技的室內(nèi)環(huán)境。

1 低碳照明設(shè)計(jì)的原則

1.1 綠色環(huán)保

低碳照明設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持綠色環(huán)保的基本原則，并以此推動(dòng)人、經(jīng)濟(jì)和自然三者之間的平衡發(fā)展。在滿足人們的生活用電需求時(shí)，要控制耗電量，選用適當(dāng)?shù)臒艟吆驮O(shè)備等；同時(shí)，要建設(shè)節(jié)能管理系統(tǒng)，加強(qiáng)供電可靠性[1]。

1.2 適用性

低碳照明設(shè)計(jì)應(yīng)滿足建筑的正常用電需求，不能因?yàn)樽非蠊?jié)電而影響建筑的總體功能利用。這要求設(shè)計(jì)者熟悉建筑的應(yīng)用范圍、使用條件、功能指標(biāo)、用電負(fù)荷等，并優(yōu)化燈光控制系統(tǒng)的供配電方案，在一定程度上保證建筑室內(nèi)的光照時(shí)間、色度、均衡性、對(duì)照度、顯示指標(biāo)等滿足要求，進(jìn)行眩光控制等[2]。

1.3 經(jīng)濟(jì)性

雖然建筑的低碳照明設(shè)計(jì)要以節(jié)能設(shè)計(jì)為主，但節(jié)能設(shè)計(jì)也必須充分考慮成本支出的經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)者必須按照整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的計(jì)劃和實(shí)際狀況，對(duì)整個(gè)建筑的照明設(shè)計(jì)作出綜合性的分析，并且要合理地選用照明設(shè)施、材料；按照建筑內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)和規(guī)模優(yōu)化線路的走向，科學(xué)布局燈具，且數(shù)量要合理；按照現(xiàn)實(shí)的建設(shè)狀況做好實(shí)施方案的編制，盡量節(jié)約施工方的投入費(fèi)用和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

2 低碳照明設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)途徑

2.1 合理使用天然采光

2.1.1 天然采光標(biāo)準(zhǔn)

為了合理使用自然光，自1991年，全球光照理事會(huì)開(kāi)始實(shí)施IDMY計(jì)劃，在全世界共48個(gè)觀測(cè)地點(diǎn)開(kāi)展高頻率、高品質(zhì)的自然光和太陽(yáng)輻射觀測(cè)，在15個(gè)觀測(cè)地區(qū)開(kāi)展天空光照分布的測(cè)定。觀測(cè)為建筑師提供了詳細(xì)的日光氣候信息，也為天空光度分布模式的確立、建筑物的采光設(shè)計(jì)和計(jì)算等提供了基礎(chǔ)。

在美國(guó)綠色建筑協(xié)會(huì)的認(rèn)證規(guī)定中，關(guān)于建筑物采光條件有以下條款：對(duì)新建建筑來(lái)說(shuō)，在9月21日上午9點(diǎn)至下午3點(diǎn)，75%以上的使用空間面積的自然太陽(yáng)光照度水平必須超過(guò)25 fc，并且在晴天條件下，新建建筑的自然太陽(yáng)光照度水平也不能超過(guò)500 fc。同時(shí)，建議采取西側(cè)窗采光和東部采光相結(jié)合的方法，開(kāi)窗面積和空間進(jìn)深比例必須符合一定的空間配比關(guān)系，以確保總采光區(qū)域占據(jù)全部使用區(qū)域的75%以上。對(duì)其他建筑物而言，上述的使用空間比率規(guī)定為50%，其他照度條件基本一致。

在中國(guó)建筑設(shè)計(jì)照明標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于自然采光的標(biāo)準(zhǔn)主要是指《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033—2013）和《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034—2013）。《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定了各種建筑物內(nèi)部、戶外的自然光臨界照度值，以及相關(guān)的通風(fēng)系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，并且針對(duì)房間內(nèi)的通風(fēng)系數(shù)或通風(fēng)窗地建筑面積比給出了設(shè)計(jì)要求。在《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的“利用自然光”篇章，提議在居室隨戶外自然光的改變而自動(dòng)調(diào)整人工燈光照度，通過(guò)各種導(dǎo)光材料和透光設(shè)備把自然光直接導(dǎo)入居室實(shí)現(xiàn)照明，以及使用太陽(yáng)能作為采光能源等。盡管在技術(shù)規(guī)范中有相關(guān)條款和明文規(guī)定，但自然采光的采光系數(shù)、采光窗底面積比條件等未在建筑設(shè)計(jì)與照明工程設(shè)計(jì)中得到認(rèn)真嚴(yán)格的實(shí)施。

2.1.2 天然采光的主要手段

（1）傳統(tǒng)的天然采光方法。傳統(tǒng)的天然采光方法一般指房頂采光與側(cè)面采光。在房頂采光時(shí)，由于光照自上而下，可以得到相對(duì)豐富而均衡的室內(nèi)外光線。雖然光效適宜，但面臨直射太陽(yáng)和放射熱的問(wèn)題。在某些宗教信仰建筑物中，對(duì)房頂采光的運(yùn)用也被認(rèn)為帶有宗教意味，如意大利的羅馬萬(wàn)神殿的房頂采光。在現(xiàn)代建筑中，更多的建筑物在中庭設(shè)計(jì)上使用了玻璃天窗，以提高空間透光度。

側(cè)面采光是最常用的采光方法，但往往需要處理空間深度和光照均勻度的問(wèn)題。如今，大規(guī)模的玻璃幕墻建設(shè)可使采光面積大大增加，將大部分的自然光導(dǎo)入居室中，但也造成了很大的空間輻射熱問(wèn)題[3]。

（2）新型的天然采光方法。新型的天然采光方法主要依靠相關(guān)設(shè)備和導(dǎo)光系統(tǒng)。相關(guān)設(shè)備利用對(duì)遮陽(yáng)板的手動(dòng)調(diào)整，與室內(nèi)暖氣和制冷系統(tǒng)的控制器相連，以確保室內(nèi)的溫度最適宜，同時(shí)功耗也較少；導(dǎo)光系統(tǒng)利用在屋頂?shù)牟杉O(shè)備捕捉天然光線，之后再利用反光管上下改道，最后利用光漫射器，使自然光散布到建筑室內(nèi)。導(dǎo)光系統(tǒng)基本不消耗能源，體現(xiàn)了建筑環(huán)保的概念。

導(dǎo)光系統(tǒng)包括主動(dòng)式和被動(dòng)式二類，主動(dòng)式導(dǎo)光系統(tǒng)內(nèi)有可以跟蹤太陽(yáng)光的定日鏡，能夠同時(shí)將太陽(yáng)光和天空光都帶到室內(nèi)外，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高昂，無(wú)法普及；被動(dòng)式導(dǎo)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但進(jìn)光度大，重點(diǎn)是吸引天空光。導(dǎo)光系統(tǒng)一般由集光器（或發(fā)光設(shè)備）、導(dǎo)光管、照明器等三部分構(gòu)成，如圖1所示。其中，集光器的重要功能是獲取盡量多的光源，從而成為整個(gè)控制系統(tǒng)的光源；導(dǎo)光管是傳遞光的途徑與媒體，一般包括金屬反光型、非金屬反光型、透鏡組型、棱鏡型和光纖型，各類別導(dǎo)光管的工作原理、傳輸效果、應(yīng)用前景和限制如表1所示；照明器在整個(gè)控制系統(tǒng)的末端，可以把光線均勻地排列在室內(nèi)空間[4]。

圖1 導(dǎo)光系統(tǒng)的組成

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

在各種導(dǎo)光管中，被動(dòng)式的金屬反射型導(dǎo)光管結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，且采光效果好，特別適合大面積場(chǎng)合的采光。相應(yīng)產(chǎn)品技術(shù)也已經(jīng)相當(dāng)完善，在全球很多城市已達(dá)到商業(yè)化水平，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，因而得到普遍使用。利用現(xiàn)代科技開(kāi)發(fā)的遮光裝置、導(dǎo)光體系等，可以推動(dòng)城市自然采光利用的發(fā)展，這也是城市低碳照明設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

2.2 使用高效、節(jié)能的照明裝置

2.2.1 熒光燈

高照明效果的氣體放電燈是低碳照明設(shè)計(jì)的首選。在進(jìn)行燈光選型時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮燈具的光效、特性、價(jià)位、維修等。

（1）緊湊型熒光燈。緊湊型熒光燈的使用壽命長(zhǎng)達(dá)8 000～10 000 h，而且照明效率比白熾燈高出不少，功耗僅為同樣光通量的普通白熾燈的約四分之一，故選用緊湊型熒光燈能夠節(jié)省更多電能。

（2）T5熒光燈。T5熒光燈應(yīng)用了三基色固汞，著色性好，保護(hù)環(huán)境，更省電，逐漸形成用細(xì)管T5型或T8型熒光燈替代粗管T10型和T12型熒光燈的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2.2 LED燈具

在綠色照明設(shè)計(jì)中，必須主動(dòng)、穩(wěn)妥地引進(jìn)LED燈具，因?yàn)長(zhǎng)ED光源在可控制性方面具有突出優(yōu)點(diǎn)，并且效率較高、節(jié)能；LED的感光方式較多，可以適應(yīng)各種燈光分布需要，但是LED的光色一致性很差。在具體使用中，還必須重視LED的壽命問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)室或特定的高溫、潮濕環(huán)境下推算出來(lái)的壽命并不能代表在具體使用時(shí)的實(shí)際壽命，尤其當(dāng)LED燈具放置于露天環(huán)境時(shí)，其壽命會(huì)減少。對(duì)此，LED的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)必須聚焦在如下領(lǐng)域：提高LED的照明效率，達(dá)到150～200 lm/W；提高LED的感光清晰度和顯色指數(shù)，并提高其散熱性；研究與LED生產(chǎn)工藝有關(guān)的電子控制系統(tǒng)和設(shè)備等；針對(duì)居住區(qū)及非住宅建筑物，研究新型LED工藝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)較好的光分布；促進(jìn)LED的商品化進(jìn)程，以逐步降低生產(chǎn)成本等。

2.3 使用智能燈光控制器

低碳照明設(shè)計(jì)需要適應(yīng)人類在不同活動(dòng)時(shí)期對(duì)光照的需要。在進(jìn)行建筑燈光設(shè)計(jì)時(shí)，照度、亮度、眩光值、照度功率密度限值等技術(shù)參數(shù)均須滿足建筑標(biāo)準(zhǔn)。還應(yīng)當(dāng)按照用戶的實(shí)際需要設(shè)定相應(yīng)的環(huán)境照度與任務(wù)照明，并利用智能燈光控制器完成調(diào)光工作，為空間內(nèi)的使用者提供各種場(chǎng)景，滿足更多功能的應(yīng)用，以符合用戶的不同需要和偏好。

在智能燈光控制器中，可預(yù)先設(shè)定不同的情景模型，通過(guò)相關(guān)管理界面操縱可實(shí)現(xiàn)及時(shí)、適地、適人、合適燈光下的情景調(diào)入和更改。智能燈光控制器可以對(duì)所有照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光，包含白熾燈、日光照明、配以特別鎮(zhèn)流器的鈉電池、LED燈具等。通過(guò)智能照明控制，一般能夠節(jié)省約20%～40%的家庭電力，不僅減少了用戶電力開(kāi)支，而且降低了家庭電源壓力。同時(shí)，智能燈光控制器還可以通過(guò)軟啟動(dòng)的方法調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的沖擊電壓和浪涌電流，在一定程度上延長(zhǎng)了燈光壽命[5]。

2.4 重視照明器具的全壽命周期評(píng)估

低碳設(shè)計(jì)注重對(duì)全生命周期、全過(guò)程、整個(gè)系統(tǒng)碳排放量的可測(cè)量，也重視各個(gè)環(huán)節(jié)、各種對(duì)象的碳排放量，設(shè)計(jì)低碳照明時(shí)必須重視對(duì)所有照明器具的全壽命周期評(píng)估。全壽命周期評(píng)估是對(duì)商品在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原料生產(chǎn)、加工制造、商品儲(chǔ)運(yùn)、生產(chǎn)使用、商品報(bào)廢處理和最后處置過(guò)程中的能量消耗、物料損耗、廢水排出量及其對(duì)周圍環(huán)境的影響程度等作出全面的分析和判斷，從而得出商品對(duì)社會(huì)環(huán)境影響程度的客觀結(jié)果。

在照明領(lǐng)域有專門的低碳照明設(shè)計(jì)規(guī)范，需要在現(xiàn)行照明設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)照明用具產(chǎn)品的全壽命周期評(píng)估。通過(guò)測(cè)算各種常見(jiàn)照明器材和產(chǎn)品在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的成本投入、資源投入、在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的消耗量，以及在廢棄物處理中的環(huán)境污染、處理?yè)p耗等數(shù)值，得到產(chǎn)品對(duì)環(huán)境影響程度的客觀結(jié)果，為特定空間的光源選擇和排布方案的選擇提供評(píng)價(jià)基礎(chǔ)[6]。以LED照明為例，需要計(jì)算LED照明在全壽命周期中單個(gè)燈具的單位應(yīng)用價(jià)值和要花費(fèi)的資源總量，以評(píng)估LED照明的價(jià)值。

2.5 出臺(tái)低碳照明條例及政策

2.5.1 低碳照明條例

低碳照明的推進(jìn)要求政府部門以相關(guān)能源產(chǎn)業(yè)法規(guī)為基礎(chǔ)，避免質(zhì)量差的商品進(jìn)入交易市場(chǎng)。經(jīng)典的案例是我國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于逐漸消滅白熾燈，并盡快普及節(jié)能燈的行動(dòng)計(jì)劃[7]。

2.5.2 經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策

低碳照明的推進(jìn)要求中央或全國(guó)各地人民政府以國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展鼓勵(lì)政策為導(dǎo)向，針對(duì)低碳照明工程的科技創(chuàng)新、低碳照明工作成效顯著的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，實(shí)施財(cái)政補(bǔ)助、稅收優(yōu)惠政策，劃分確定樓宇低碳燈光示范性工程項(xiàng)目、高速公路低碳燈光示范性工程項(xiàng)目等，并繼續(xù)利用新聞媒體、互聯(lián)網(wǎng)、政府刊物、展會(huì)等多種形式開(kāi)展宣傳推廣活動(dòng)，以促進(jìn)整個(gè)城市的低碳照明設(shè)計(jì)的健康發(fā)展[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)綠色低碳是中國(guó)城市照明科技發(fā)展的全新跨越，讓低碳照明技術(shù)滲透到低碳公司、低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)境、低碳社會(huì)，可以實(shí)現(xiàn)真正意義的城市可持續(xù)發(fā)展。因此，應(yīng)把自然采光放在第一位，積極促進(jìn)導(dǎo)光系統(tǒng)的廣泛使用，并積極研究和照明設(shè)備、系統(tǒng)相配套的新技術(shù)手段，呼吁國(guó)家低碳照明設(shè)計(jì)規(guī)范、法規(guī)、政策的出臺(tái)，以引導(dǎo)人們的意識(shí)升級(jí)和行動(dòng)變革，并推動(dòng)能耗較少、碳排放量小的照明行業(yè)和照明方式的優(yōu)先發(fā)展。