城市照明系統(tǒng)多因素節(jié)能技術(shù)研究

楊春宇，梁樹英，張青文

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

0 引言

城市照明包含道路照明、隧道照明、廣場(chǎng)照明、商業(yè)步行街照明、人行步道照明、建筑物照明、橋梁等構(gòu)筑物照明、公園及水景園林綠地照明、交通信號(hào)、廣告與標(biāo)識(shí)照明等除室內(nèi)照明外所有功能性照明與景觀照明，這是一個(gè)綜合的城市照明系統(tǒng)。我國不少城市歷來將城市照明系統(tǒng)劃分為道路照明和景觀照明，人們習(xí)慣將其分開研究。近年來，隨著城市夜景照明等多性質(zhì)的城市照明全面開展，城市內(nèi)部夜間亮度大大提高，城市夜間整體耗能增加。如何在保障城市功能照明和保持城市夜景美感的前提下節(jié)約能源，從道路照明、景觀照明等城市多因素相互影響相互關(guān)聯(lián)的照明系統(tǒng)考慮，將其作為一個(gè)綜合系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能研究，從城市夜間統(tǒng)一的光環(huán)境角度研究其相互關(guān)系和節(jié)能方案，是當(dāng)前研究中被忽略的一個(gè)問題，是挖掘節(jié)能潛力的一個(gè)重要方面，也是實(shí)現(xiàn)低碳城市、節(jié)約能源，走可持續(xù)發(fā)展道路急需解決的一個(gè)重要問題。

筆者從整個(gè)城市室外照明系統(tǒng)出發(fā)，分析國內(nèi)外照明節(jié)能的研究現(xiàn)狀，同時(shí)研究道路照明與隧道出入口段符合視覺功效的照明銜接的節(jié)能方案，研究城市區(qū)域亮度劃分節(jié)能和各種性質(zhì)光增量關(guān)系及其對(duì)區(qū)域亮度值確定的影響，研究根據(jù)建(構(gòu)）筑物飾面材料光反射性能確定照明方式，這是我國城市照明節(jié)能的一條新路徑。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

1973年世界發(fā)生石油危機(jī)后，隨著能源緊張加劇，世界各國對(duì)節(jié)能問題越來越重視。美國1975年就開始制定節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，20世紀(jì)90年代初進(jìn)行推廣高效照明器具節(jié)能計(jì)劃的“綠色照明”，在全球引起積極響應(yīng)。全球GEF通過聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署在全球資助高效節(jié)能照明項(xiàng)目。歐洲許多國家都制定了照明標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)道路照明、隧道照明及室外景觀照明都有相關(guān)規(guī)定，如北美照明協(xié)會(huì)提出夜間照明的區(qū)域相關(guān)性影響，包括亮度和視亮度與環(huán)境的關(guān)系，并提出背景亮度、燈具亮度、人視感覺，視野內(nèi)表面和區(qū)域之間過大的亮度差異會(huì)降低視看能力。英國除對(duì)有關(guān)道路照明、夜景照明提出了規(guī)定值外，還對(duì)環(huán)境亮度方面提出了市區(qū)中等周圍亮度、中心區(qū)亮度值。美國、加拿大、德國、荷蘭、日本、芬蘭等還對(duì)有關(guān)照明與視覺關(guān)系做了深入研究，對(duì)夜間交通照明下視覺功能、視覺視銳度與周圍視野的關(guān)系與影響、中間視覺條件下環(huán)境照明的關(guān)系等作了研究。日本制定的《隧道照明指南》、國際照明委員會(huì)(CIE）制定的《室外環(huán)境照明》、《城區(qū)照明指南》、《隧道照明國際建議》、《隧道入口段照明》、CIE 2004年的《公路隧道和地下通道照明指南》等文件，對(duì)照明標(biāo)準(zhǔn)、人視看條件和環(huán)境的關(guān)系等方面提出了建議。同時(shí)，歐盟的綠色照明計(jì)劃由政府和企業(yè)共同參加，提出了高效照明水平和節(jié)能環(huán)保措施。日本1993年、1998年的《節(jié)能法》規(guī)定了照明節(jié)能的措施和方法。國外發(fā)達(dá)國家對(duì)道路照明、隧道照明(入口段、過渡段、中間段、出口段照明標(biāo)準(zhǔn)）、景觀照明等都進(jìn)行了深入的研究，規(guī)定了具體指標(biāo)。總的來講，國外城市照明節(jié)能研究的發(fā)展總趨勢(shì)是以視覺功效為基礎(chǔ)，從人的視覺特性出發(fā)研究與照明的關(guān)系，在滿足功能需求前提下節(jié)約能源。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國1998年制定的《中華人民共和國節(jié)約能源法》，1996年制定的《中國節(jié)能技術(shù)政策大綱》、1996年“中國綠色照明工程”等推動(dòng)了我國照明節(jié)能的發(fā)展，我國現(xiàn)行的《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》，國家2006年制定的新的《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、2008年制定的《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》以及四直轄市的地方照明標(biāo)準(zhǔn)、城市照明相關(guān)技術(shù)規(guī)范等都對(duì)照明節(jié)能設(shè)計(jì)、施工、管理等提出了具體要求。

目前國內(nèi)除進(jìn)一步深化規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)外，其發(fā)展趨勢(shì)主要是視覺科學(xué)與環(huán)境照明、夜間適應(yīng)度及照明規(guī)劃、照明設(shè)計(jì)等方面，同時(shí)研究如何在滿足功能的前提下節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。如重慶大學(xué)學(xué)者承擔(dān)的《用中間視覺理論研究道路照明安全》、《視覺理論在公路隧道照明節(jié)能中的應(yīng)用研究》、《主城區(qū)道路照明數(shù)字化研究》等5項(xiàng)國家自然科學(xué)基金和重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目《山地城鎮(zhèn)光環(huán)境節(jié)能控制關(guān)鍵技術(shù)》等課題。重慶大學(xué)學(xué)者們還研究了城市區(qū)域亮度控制節(jié)能、建筑飾面材料光反射性能照明方式節(jié)能。另外，國內(nèi)清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)等學(xué)校的學(xué)者從道路、隧道、景觀等方面進(jìn)行了節(jié)能相關(guān)研究。

總的來講，目前國際國內(nèi)主要有三個(gè)方面的研究成果有助于節(jié)能的深入研究:一是有關(guān)道路、隧道、廣場(chǎng)、建(構(gòu)）筑物、園林綠地等功能照明與景觀照明的相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，可以用來限定人們的照明行為，向節(jié)能環(huán)保的低碳方向發(fā)展。二是對(duì)視覺科學(xué)及相關(guān)科學(xué)的研究，明暗視覺、光生物效應(yīng)、中間視覺理論、司辰視覺理論、環(huán)境覺察對(duì)比、視亮度、視覺反應(yīng)速度、可見度、眩光、光譜光視效率、城市大氣與照明、可見光大氣衰減與照明、建筑材料光反射性質(zhì)與照明等方面的研究。三是照明光源、燈具及附件器具供配電、控制系統(tǒng)進(jìn)行的研究，如光譜能量、光源光色、顯色指數(shù)、均勻度、燈具配光、LED、供配電系統(tǒng)、控制方案等。

2 城市照明系統(tǒng)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

2.1 道路照明與隧道出入口段照明節(jié)能

重慶主城區(qū)城市隧道24座、內(nèi)環(huán)高速隧道8座、全市高速公路隧道150余座，里程達(dá)280公里，用于照明的電費(fèi)約2億元。隧道照明分為入口段、過渡段、中間段、出口段照明，各段對(duì)路面亮度要求不同。其主要原因是洞外亮度復(fù)雜性需要洞內(nèi)亮度與之適應(yīng)，以保證良好的視覺效果和符合安全要求。白天，洞外亮度L20(S）在20000 cd/m2～6000 cd/m2之間變化，而洞內(nèi)入口加強(qiáng)段的照明要求各國并不相同。其中，日本規(guī)定車速為40～60 km/h時(shí)，隧道亮度在24～108 cd/m2之間，而我國規(guī)定車速為40～80 km/h時(shí)，隧道亮度在30～80 cd/m2。晚上，有道路照明時(shí)，道路平均照度為20/30 lx，平均亮度為1.5/2.0 cd/m2(瀝青、水泥混凝土路面略有不同），隧道洞內(nèi)基本段大約在4.5 cd/m2左右，照度值大約在68 lx左右。根據(jù)研究者對(duì)貴州、重慶隧道進(jìn)行實(shí)測(cè)的情況來看:貴州黃果樹隧道平均照度74 lx(黃果樹隧道設(shè)計(jì)照度中間段為99 lx），尾納隧道67.1 lx，孫家寨隧道79.0 lx(孫家寨隧道為99 lx）;重慶鵝嶺隧道平均照度124 lx，向陽隧道為 328.6 lx，黃沙溪隧道為93.4 lx。按照折算照度、設(shè)計(jì)照度和實(shí)測(cè)照度，隧道照明分別是道路照明的2.2倍、3.3倍和10.9倍，加上隧道內(nèi)的照明光反射增量，其比值將更高。這種隧道洞內(nèi)外照明差別較大的情況不僅不利于行車安全，同時(shí)對(duì)能源也是一種浪費(fèi)，當(dāng)隧道外道路無照明時(shí)其問題更加突出。目前，關(guān)于道路照明和隧道照明的標(biāo)準(zhǔn)都已具備，但還應(yīng)該對(duì)夜晚的隧道出入口段與洞外夜晚道路照明進(jìn)一步深入研究。城市隧道出入口段夜間亮度應(yīng)該怎樣規(guī)定，應(yīng)研究隧道內(nèi)照明光反射增量以及入口、過渡、中間、出口段與洞外道路照明及人視覺特點(diǎn)的關(guān)系，確定科學(xué)的照明值，這樣對(duì)節(jié)能才有實(shí)際意義?？傊@是一個(gè)值得多角度深入研究的課題。

2.2 城市區(qū)域亮度確定節(jié)能

確定城市區(qū)域亮度值是照明節(jié)能的重要方面。城市夜間光環(huán)境不能到處都亮，在功能方面如道路、橋梁、廣場(chǎng)等應(yīng)嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行照明，在城市景觀方面，要有暗有亮，相互襯托才顯美感，不是越亮越好，要亮得適度，既達(dá)到美感又減少能耗。因此，根據(jù)城市不同區(qū)域的功能性質(zhì)確定其夜間光環(huán)境亮度，是城市夜景照明的重要內(nèi)容，也是節(jié)能的重要方面。我國2009年5月實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:大城市的工業(yè)或居住區(qū)等平均亮度為5 cd/m2，城郊工業(yè)或居住區(qū)平均亮度為10 cd/m2，城市中心和商業(yè)區(qū)平均亮度為25 cd/m2。重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)主城區(qū)和其他區(qū)、縣、城邊或城鄉(xiāng)結(jié)合部確定了不同的亮度值:規(guī)定重慶主城中心商業(yè)區(qū)最高亮度不超過25 cd/m2，城市中心一般區(qū)亮度為10 cd/m2，一般區(qū)亮度為5 cd/m2，城鄉(xiāng)結(jié)合部亮度為2.5 cd/m2。如果隨意提高亮度等級(jí)，就會(huì)浪費(fèi)電能。如果都市區(qū)按亮度均值10.6 cd/m2(重慶地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的亮度均值）和功率密度值8.9 W/m2為基數(shù)進(jìn)行計(jì)算，每1 cd/m2亮度，將耗能0.84 W，按人均占有建筑外立面和都市中心區(qū)25%建筑外立面進(jìn)行夜景照明和其他功能照明，城市區(qū)域亮度每提高2 cd/m2，重慶市全年將增加耗電量近9125萬kW·h，全國將增加的耗電量就更驚人了。但是，研究表明在城市夜景中提高1～2 cd/m2的亮度人眼是很難區(qū)分出來的。因此，提高的亮度對(duì)夜景美感不起作用，對(duì)功能照明也沒有幫助，但對(duì)整個(gè)城市而言能源消耗卻大大增加。同時(shí)，如果將道路照明產(chǎn)生的環(huán)境亮度納入到區(qū)域亮度評(píng)價(jià)中(以前沒有），還可進(jìn)一步降低區(qū)域照明亮度值，節(jié)約能源。目前，關(guān)于城市區(qū)域亮度值的確定，還需要根據(jù)人視功能對(duì)亮度的敏感度進(jìn)行深入研究。

2.3 建筑物飾面材料照明節(jié)能

城市夜景照明中大多數(shù)是城市建(構(gòu)）筑物景觀照明。不同建筑飾面材料具有不同的光反射性質(zhì)，相同的照明條件對(duì)不同的材料會(huì)產(chǎn)生差異很大的物理亮度。因此，研究材料反射光亮度是研究照明節(jié)能的關(guān)鍵之一。國際照明委員會(huì)(CIE）推薦的E=Lπ/ρ傳統(tǒng)漫反射計(jì)算公式，材料間的區(qū)別主要是由反射比ρ決定。但是，國際照明委員會(huì)(CIE）推薦的計(jì)算公式是基于材料為漫反射性質(zhì)，現(xiàn)代建筑飾面材料發(fā)展迅速，不同品種的外墻面磚、涂料、鋁塑板等已不是傳統(tǒng)漫反射性質(zhì)而是屬于混合反射性質(zhì)，CIE第94號(hào)出版物也認(rèn)為其光反射特性需要通過實(shí)驗(yàn)確定。根據(jù)建筑材料的反射光特性的有關(guān)實(shí)驗(yàn)可知，光澤度越大的材料，在混合反射中定向反射所占的比例就越大，其反射光方向上的峰值越大，越接近于標(biāo)準(zhǔn)黑玻璃反射面(鏡面反射）的光功率分布特性。另外，從材料反射比測(cè)量得知，其整體亮度水平與反射比ρ密切相關(guān)，反射比ρ越大則整體亮度水平就大，反之則小?？梢姴牧戏瓷浔圈褜?duì)整體亮度具有很大的影響。因此，反射比ρ是一個(gè)影響亮度值計(jì)算的重要因素。按照建筑物立面夜景照明功率密度值(LPD）的節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)建筑物飾面材料反射比ρ為0.3～0.6時(shí)，功率密度值為8.9 W/m2;材料反射比ρ為0.6～0.8時(shí)，功率密度值為6.7 W/m2;材料反射比ρ為0.2～0.3時(shí)，功率密度值為13.3 W/m2?？偟膩碇v，研究城市建(構(gòu)）筑物景觀照明的節(jié)能需要對(duì)城市常用建筑飾面材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)建筑飾面材料的光反射性質(zhì)采用不同的照明方式和照明功率，才能有效節(jié)約電能。

3 小結(jié)

隨著我國城市化率的不斷提高，城市建設(shè)快速發(fā)展，城市夜景照明規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，在能源日益緊張的今天，如何在保障城市功能照明和保持城市夜景美感的前提下節(jié)約能源，需要從道路照明、景觀照明等城市多因素相互影響相互關(guān)聯(lián)的照明系統(tǒng)考慮，將其作為一個(gè)綜合系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能研究。具體而言包括三個(gè)方面:對(duì)道路照明與隧道出入口段進(jìn)行照明節(jié)能研究，研究隧道內(nèi)照明光反射增量以及入口、過渡、中間、出口段與洞外道路照明的關(guān)系，確定科學(xué)的照明值;根據(jù)人視功能對(duì)亮度的敏感度進(jìn)行深入研究，確定科學(xué)合理的城市區(qū)域亮度值，并在城市夜景照明規(guī)劃中予以明確，用以指導(dǎo)城市夜景照明建設(shè);通過對(duì)城市常用建筑飾面材料的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)建筑飾面材料的光反射性質(zhì)采用不同的照明方式和照明功率，并根據(jù)相關(guān)影響因素進(jìn)行科學(xué)的照明計(jì)算。只有這樣，才有可能在城市夜間光環(huán)境塑造中做到既滿足美觀要求，又達(dá)到節(jié)約能源的目標(biāo)。

［1］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTJ 026.1－1999.公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2000

［2］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).CJJ45－2006.城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006

［3］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JGJ/T163－2008.城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008

［4］張青文，楊春宇，黃彥.沿江山地城市景觀照明設(shè)計(jì)理念及方法探究［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(4）:27～30

［5］重慶市標(biāo)準(zhǔn).城市夜景照明技術(shù)規(guī)范［S］.重慶市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2007

［6］楊春宇，鄭文崇，陳士群.城市照明規(guī)劃的區(qū)域亮度與建筑物夜景照明節(jié)能［C］.中國照明論壇——城市照明節(jié)能規(guī)劃、設(shè)計(jì)與和諧發(fā)展科技研討會(huì)專題報(bào)告文集，2009:69～75