低碳照明設計的實現途徑研究

李榮芳，曹景玉

水發規劃設計有限公司，山東 濟南 250100

0 引言

低碳照明設計是指采用科學合理的照明燈光計劃，使用高效率、壽命長、安全和性能可靠的光照產物，運用科學技術手段改善室內外的工作、學習、生活環境，構造舒適、快捷、經濟、安全、對環境友好和尊崇現代燈光科技的室內環境。

1 低碳照明設計的原則

1.1 綠色環保

低碳照明設計應堅持綠色環保的基本原則，并以此推動人、經濟和自然三者之間的平衡發展。在滿足人們的生活用電需求時，要控制耗電量，選用適當的燈具和設備等；同時，要建設節能管理系統，加強供電可靠性[1]。

1.2 適用性

低碳照明設計應滿足建筑的正常用電需求，不能因為追求節電而影響建筑的總體功能利用。這要求設計者熟悉建筑的應用范圍、使用條件、功能指標、用電負荷等，并優化燈光控制系統的供配電方案，在一定程度上保證建筑室內的光照時間、色度、均衡性、對照度、顯示指標等滿足要求，進行眩光控制等[2]。

1.3 經濟性

雖然建筑的低碳照明設計要以節能設計為主，但節能設計也必須充分考慮成本支出的經濟性。設計者必須按照整個建設項目的計劃和實際狀況，對整個建筑的照明設計作出綜合性的分析，并且要合理地選用照明設施、材料；按照建筑內的空間結構和規模優化線路的走向，科學布局燈具，且數量要合理；按照現實的建設狀況做好實施方案的編制，盡量節約施工方的投入費用和養護費用。

2 低碳照明設計的實現途徑

2.1 合理使用天然采光

2.1.1 天然采光標準

為了合理使用自然光，自1991年，全球光照理事會開始實施IDMY計劃，在全世界共48個觀測地點開展高頻率、高品質的自然光和太陽輻射觀測，在15個觀測地區開展天空光照分布的測定。觀測為建筑師提供了詳細的日光氣候信息，也為天空光度分布模式的確立、建筑物的采光設計和計算等提供了基礎。

在美國綠色建筑協會的認證規定中，關于建筑物采光條件有以下條款：對新建建筑來說，在9月21日上午9點至下午3點，75%以上的使用空間面積的自然太陽光照度水平必須超過25 fc，并且在晴天條件下，新建建筑的自然太陽光照度水平也不能超過500 fc。同時，建議采取西側窗采光和東部采光相結合的方法，開窗面積和空間進深比例必須符合一定的空間配比關系，以確?？偛晒鈪^域占據全部使用區域的75%以上。對其他建筑物而言，上述的使用空間比率規定為50%，其他照度條件基本一致。

在中國建筑設計照明標準中，關于自然采光的標準主要是指《建筑采光設計標準》（GB 50033—2013）和《建筑照明設計標準》（GB 50034—2013）?！督ㄖ晒庠O計標準》中明確規定了各種建筑物內部、戶外的自然光臨界照度值，以及相關的通風系數設計標準值，并且針對房間內的通風系數或通風窗地建筑面積比給出了設計要求。在《建筑照明設計標準》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調整人工燈光照度，通過各種導光材料和透光設備把自然光直接導入居室實現照明，以及使用太陽能作為采光能源等。盡管在技術規范中有相關條款和明文規定，但自然采光的采光系數、采光窗底面積比條件等未在建筑設計與照明工程設計中得到認真嚴格的實施。

2.1.2 天然采光的主要手段

（1）傳統的天然采光方法。傳統的天然采光方法一般指房頂采光與側面采光。在房頂采光時，由于光照自上而下，可以得到相對豐富而均衡的室內外光線。雖然光效適宜，但面臨直射太陽和放射熱的問題。在某些宗教信仰建筑物中，對房頂采光的運用也被認為帶有宗教意味，如意大利的羅馬萬神殿的房頂采光。在現代建筑中，更多的建筑物在中庭設計上使用了玻璃天窗，以提高空間透光度。

側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題。如今，大規模的玻璃幕墻建設可使采光面積大大增加，將大部分的自然光導入居室中，但也造成了很大的空間輻射熱問題[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設備和導光系統。相關設備利用對遮陽板的手動調整，與室內暖氣和制冷系統的控制器相連，以確保室內的溫度最適宜，同時功耗也較少；導光系統利用在屋頂的采集設備捕捉天然光線，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。導光系統基本不消耗能源，體現了建筑環保的概念。

導光系統包括主動式和被動式二類，主動式導光系統內有可以跟蹤太陽光的定日鏡，能夠同時將太陽光和天空光都帶到室內外，但結構復雜，生產成本高昂，無法普及；被動式導光系統結構簡單，造價低，但進光度大，重點是吸引天空光。導光系統一般由集光器（或發光設備）、導光管、照明器等三部分構成，如圖1所示。其中，集光器的重要功能是獲取盡量多的光源，從而成為整個控制系統的光源；導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，各類別導光管的工作原理、傳輸效果、應用前景和限制如表1所示；照明器在整個控制系統的末端，可以把光線均勻地排列在室內空間[4]。

圖1 導光系統的組成

表1 各類別導光管的工作原理、傳輸效率、應用前景和限制

在各種導光管中，被動式的金屬反射型導光管結構比較簡單，造價低廉，且采光效果好，特別適合大面積場合的采光。相應產品技術也已經相當完善，在全球很多城市已達到商業化水平，實現了設計標準化，因而得到普遍使用。利用現代科技開發的遮光裝置、導光體系等，可以推動城市自然采光利用的發展，這也是城市低碳照明設計的主要內容。

2.2 使用高效、節能的照明裝置

2.2.1 熒光燈

高照明效果的氣體放電燈是低碳照明設計的首選。在進行燈光選型時，應當綜合考慮燈具的光效、特性、價位、維修等。

（1）緊湊型熒光燈。緊湊型熒光燈的使用壽命長達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省更多電能。

（2）T5熒光燈。T5熒光燈應用了三基色固汞，著色性好，保護環境，更省電，逐漸形成用細管T5型或T8型熒光燈替代粗管T10型和T12型熒光燈的發展趨勢。

2.2.2 LED燈具

在綠色照明設計中，必須主動、穩妥地引進LED燈具，因為LED光源在可控制性方面具有突出優點，并且效率較高、節能；LED的感光方式較多，可以適應各種燈光分布需要，但是LED的光色一致性很差。在具體使用中，還必須重視LED的壽命問題。在實驗室或特定的高溫、潮濕環境下推算出來的壽命并不能代表在具體使用時的實際壽命，尤其當LED燈具放置于露天環境時，其壽命會減少。對此，LED的開發重點必須聚焦在如下領域：提高LED的照明效率，達到150～200 lm/W；提高LED的感光清晰度和顯色指數，并提高其散熱性；研究與LED生產工藝有關的電子控制系統和設備等；針對居住區及非住宅建筑物，研究新型LED工藝技術，以實現較好的光分布；促進LED的商品化進程，以逐步降低生產成本等。

2.3 使用智能燈光控制器

低碳照明設計需要適應人類在不同活動時期對光照的需要。在進行建筑燈光設計時，照度、亮度、眩光值、照度功率密度限值等技術參數均須滿足建筑標準。還應當按照用戶的實際需要設定相應的環境照度與任務照明，并利用智能燈光控制器完成調光工作，為空間內的使用者提供各種場景，滿足更多功能的應用，以符合用戶的不同需要和偏好。

在智能燈光控制器中，可預先設定不同的情景模型，通過相關管理界面操縱可實現及時、適地、適人、合適燈光下的情景調入和更改。智能燈光控制器可以對所有照明系統實現智能調光，包含白熾燈、日光照明、配以特別鎮流器的鈉電池、LED燈具等。通過智能照明控制，一般能夠節省約20%～40%的家庭電力，不僅減少了用戶電力開支，而且降低了家庭電源壓力。同時，智能燈光控制器還可以通過軟啟動的方法調節電網中的沖擊電壓和浪涌電流，在一定程度上延長了燈光壽命[5]。

2.4 重視照明器具的全壽命周期評估

低碳設計注重對全生命周期、全過程、整個系統碳排放量的可測量，也重視各個環節、各種對象的碳排放量，設計低碳照明時必須重視對所有照明器具的全壽命周期評估。全壽命周期評估是對商品在產品設計、原料生產、加工制造、商品儲運、生產使用、商品報廢處理和最后處置過程中的能量消耗、物料損耗、廢水排出量及其對周圍環境的影響程度等作出全面的分析和判斷，從而得出商品對社會環境影響程度的客觀結果。

在照明領域有專門的低碳照明設計規范，需要在現行照明設計規范的基礎上進一步加強對照明用具產品的全壽命周期評估。通過測算各種常見照明器材和產品在設計制造過程中的成本投入、資源投入、在實際應用過程中的消耗量，以及在廢棄物處理中的環境污染、處理損耗等數值，得到產品對環境影響程度的客觀結果，為特定空間的光源選擇和排布方案的選擇提供評價基礎[6]。以LED照明為例，需要計算LED照明在全壽命周期中單個燈具的單位應用價值和要花費的資源總量，以評估LED照明的價值。

2.5 出臺低碳照明條例及政策

2.5.1 低碳照明條例

低碳照明的推進要求政府部門以相關能源產業法規為基礎，避免質量差的商品進入交易市場。經典的案例是我國國家發展和改革委員會關于逐漸消滅白熾燈，并盡快普及節能燈的行動計劃[7]。

2.5.2 經濟激勵政策

低碳照明的推進要求中央或全國各地人民政府以國家經濟發展鼓勵政策為導向，針對低碳照明工程的科技創新、低碳照明工作成效顯著的重點工程項目，實施財政補助、稅收優惠政策，劃分確定樓宇低碳燈光示范性工程項目、高速公路低碳燈光示范性工程項目等，并繼續利用新聞媒體、互聯網、政府刊物、展會等多種形式開展宣傳推廣活動，以促進整個城市的低碳照明設計的健康發展[8]。

3 結束語

實現綠色低碳是中國城市照明科技發展的全新跨越，讓低碳照明技術滲透到低碳公司、低碳經濟環境、低碳社會，可以實現真正意義的城市可持續發展。因此，應把自然采光放在第一位，積極促進導光系統的廣泛使用，并積極研究和照明設備、系統相配套的新技術手段，呼吁國家低碳照明設計規范、法規、政策的出臺，以引導人們的意識升級和行動變革，并推動能耗較少、碳排放量小的照明行業和照明方式的優先發展。