照明工程方案的綜合評價

包 瑞，周 暉，劉 姝

(1.豪爾賽科技集團股份有限公司，北京 100070；2.北京交通大學，北京 100044)

引言

以美麗中國、綠色照明為內涵的發(fā)展理念正在擴大景觀照明工程行業(yè)的應用范圍和市場容量；以智慧城市、綠色建筑為推力正使LED為代表的智能、節(jié)能照明產品得到廣泛運用，成為照明行業(yè)發(fā)展的新趨勢?，F(xiàn)階段我國的照明工程評價主要參照《節(jié)能建筑評價標準》《綠色建筑評價標準》《健康建筑評價標準》等標準，其中對照明的評價主要依據(jù)《建筑照明設計標準》中的照明節(jié)能要求。2016年發(fā)布的《健康建筑評價標準》給出了健康建筑評價的方法，對照明光環(huán)境的舒適性[1]提出了光源色溫、照度、顯色指數(shù)、頻閃以及光生物安全等更多的要求。近幾年針對室內照明[2-4]、道路照明[5，6]、博物館照明[7]和醫(yī)院照明[8，9]等領域的照明評價研究也受到了較多關注。然而，目前并無成熟、獨立的照明工程綜合評價體系，這與照明工程越來越龐大、城市級照明工程系統(tǒng)超越建筑單體發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢是不相適應的。開展適合于多應用領域的照明工程綜合評價研究，是照明工程行業(yè)發(fā)展的需要。

1 照明工程方案綜合評價的原則

1)五個評價維度。對于照明工程方案的綜合評價體系，本文將從節(jié)能性[10](Energy-saving)、適用性(Applicability)、舒適性[11-14](Comfort)、健康性[14](Health)和經濟性(Economy)五個維度來進行設計分析和研究，簡稱為“EACHE評價法”。

2)三層評價指標。采用層次分析法[15]，第一層次評價指標為節(jié)能性、適用性、舒適性、健康性和經濟性這五個評價維度；第二層次評價指標為實現(xiàn)這些評價效果的技術措施和領域，例如節(jié)能技術措施和指標從節(jié)能產品、光環(huán)境、配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這四個方面進行二層次分類；第三層次是描述照明工程中具體產品或參數(shù)的評價指標。

3)歸一化評價結果。本評價體系對五個維度的評價指標通過搭建數(shù)學模型進行數(shù)據(jù)化處理和量化評估，最終評價結果以歸一化的量化數(shù)字來體現(xiàn)，便于不同照明工程之間的對比和分析。

4)充分利用已有研究成果。充分參考和利用有關國家和行業(yè)標準、規(guī)范中的要求，如標準值、參考值、限值、等級等，對第三層次評價指標進行量化賦值；充分利用有關學術期刊和文件資料中的研究成果，如不同節(jié)能設計措施的節(jié)能效果，確定不同評價指標的權重系數(shù)。

5)采用專家評議法。對缺少參考數(shù)據(jù)的措施或功能性評價指標及權重系數(shù)，采用專家評議法，在德爾菲法的基礎上，確定不同評價指標的賦值和權重系數(shù)。專家評議法專家人數(shù)不低于7人。專家應具有照明行業(yè)10年以上從業(yè)經驗，且具有高級及以上專業(yè)技術職稱。

6)開放性指標。隨著照明科技和社會的發(fā)展，尤其是LED照明在人體生理和心理方面的研究的不斷深入，對照明工程的要求會進一步提高，LED照明應用和智能控制系統(tǒng)的研究也在不斷進行中，未來也可能會對照明工程提出更多的評價指標，不同評價指標的權重也可能發(fā)生變化，因此評價體系中第三層次的評價指標應是開放性的。在不影響評價模型結構的前提下，各項評價指標的權重系數(shù)也可能根據(jù)不斷發(fā)展的研究成果和不同技術發(fā)展階段的專家意見對進行調整。這將使該綜合評價體系具有更好的長期適應性。

2 照明工程節(jié)能設計方案的綜合評價指標體系

2.1 指標的選取方法

評價系統(tǒng)中評價指標的選取方法如下：

1)收集、整理照明工程涉及到的照明、建筑等行業(yè)內的有關國家標準、認證技術規(guī)范、文件中的技術指標，盡可能使評價系統(tǒng)中覆蓋更全面的評價指標；

2)根據(jù)五維評價的需要，考慮不同照明工程的產品、技術、位置、環(huán)境等因素，增加尚無標準要求但必要的評價項目，作為評價體系中的補充評價指標。

3)實際進行照明工程評價時，根據(jù)照明工程應用產品、技術、位置、環(huán)境等情況，選擇評價系統(tǒng)中適用的指標，排除不適用的指標。

2.2 綜合評價模型的建立

照明工程綜合評價指標及其分層分類情況見表1。

經過以上的分層分類，照明工程節(jié)能設計方案的綜合評價指標可以用以下數(shù)學模型表達。

1)第一層次五類指標均為必要性指標，因此，它們之間是加和的關系。

綜合評價值：

(1)

表1 綜合評價指標的分層分類和賦值Table 1 Stratified classification and assignment of comprehensive evaluation indexes

注:A2,1照度指標是實際照度滿足參考值要求時的節(jié)能程度；B1,1照度指標是實際照度滿足參考值要求時的符合程度或實際照度不滿足參考值要求時的偏離程度

Y為綜合評價值；ki為第i類評價值的權重系數(shù)；Xi為第i類評價值；a、b、c、d、e分別為節(jié)能性評價值、適用性評價值、舒適性評價值、健康性評價值、經濟性評價值的權重系數(shù)；A、B、C、D、E分別為節(jié)能性評價值、適用性評價值、舒適性評價值、健康性評價值、經濟性評價值。

2)第二層次四類節(jié)能技術也都屬于必要性指標，因此，它們之間也是加和的關系。

節(jié)能評價值：

(2)

A為節(jié)能性指標；ai為第i類節(jié)能技術的評價指標的權重系數(shù)；Ai為第i類節(jié)能技術的評價值；a1、a2、a3、a4分別為節(jié)能產品、光環(huán)境、配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)節(jié)能技術評價指標的權重系數(shù)；A1、A2、A3、A4分別為節(jié)能產品、光環(huán)境、配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)節(jié)能技術評價值。

3)第三層次的評價指標，會隨著照明工程所用產品的不同、配電系統(tǒng)的不同、所在城市環(huán)境的不同而選擇不同的評價指標，因此，它們對于上一層次指標而言，它們之間是充分性的關系，在歸一化的數(shù)學模型中表現(xiàn)為乘積的關系。

Xi=∏di,jXi,j=di,1Xi,1·di,2Xi,2·di,3Xi,3·…·di,jXi,j

(3)

其中Xi為第i類節(jié)能技術評價指標的值；di,j為第i類節(jié)能技術對應的第j個第三層次評價指標的權重系數(shù)；Xi,j為第i類節(jié)能技術對應的第j個第三層次評價值。

2.3 綜合評價指標的計算

2.3.1 獨立評價指標的賦值

對于每一個Xi,j：

1)當相關標準或規(guī)范中規(guī)定了指標的能效限值時，使用能效限值/實際值作為該指標的定量值；

以LED筒燈為例，對于A1,1的賦值，標準中給出了能效限值和節(jié)能評價值，則根據(jù)A1,1實際值滿足的能效等級，選擇該等級的能效評價值作為標準值。若該筒燈為能效二級，則A1,1=二級能效評價值/實際值。

2)當相關標準或規(guī)范中規(guī)定了指標的參考值或目標值時，以實際值相對參考值的符合性程度作為該指標的定量值。

3)當缺少標準依據(jù)時，使用專家評議法，由專家給出量化評分，再取平均值，經歸一化后作為該指標的賦值。

專家評議時，遵循相同評分標準：顯著不合理/增加耗能明顯，賦值為1.4；不合理/增加耗能，賦值1.2；無明顯節(jié)能效果，賦值為1；節(jié)能效果良好，賦值為0.8；節(jié)能效果顯著，賦值為0.6。

使用相同評分標準，可以避免專家評議的結果過于分散，從而實現(xiàn)一次評議完成，避免了德爾菲法[16]對專家意見反復征集失去客觀性的可能。

2.3.2 各評價指標的權重

本文中第一層分類指標權重和第三層指標權重采用的是主觀賦值法，節(jié)能性指標權重采用的是客觀賦值法。具體如下：

1)第一層分類指標權重。

經過專家評議,研究提出以下權重系數(shù)：

a=0.4,b=0.2,c=0.2,d=0.1,e=0.1

即式(1)為

Y=0.4A+0.2B+0.2C+0.1D+0.1E

(4)

2)節(jié)能性指標權重。

綜合相關文獻資料的數(shù)據(jù)，LED產品相對傳統(tǒng)燈具的節(jié)能約為60%，光環(huán)境節(jié)能效果約為10%[17]，配電系統(tǒng)節(jié)能效果約為20%，控制系統(tǒng)節(jié)能效果約為30%[18]，a1∶a2∶a3∶a4=60∶10∶20∶30=6∶1∶2∶3，歸一化后:

a1=0.50,a2=0.08,a3=0.17,a4=0.25

即式(2)為

A=0.50A1+0.08A2+0.17A3+0.25A4

(5)

3)第三層指標權重。

除特殊說明(例如：有標準或文獻依據(jù)，或經過專家評議，認為某一項指標的權重明顯高于其他同類指標)外，本文中為了簡化處理，第三層指標的權重系數(shù)均默認為1。即式(3)可簡化為

Xi=∏Xi,j=Xi,1·Xi,2·Xi,3·…·Xi,j

(6)

特殊說明：符合二級能效或節(jié)能評價值的指標，權重系數(shù)為0.8；符合一級能效的指標，權重系數(shù)為0.6；使用LED產品，D1,2權重系數(shù)為0.8；使用含汞氣體放電燈，D1,2權重系數(shù)為1.2。

2.3.3 綜合評價指標的計算

經過以上對于評價指標的選擇、權重確認和賦值，將式(5)、式(6)代入式(1)，最終完成的綜合評價模型為

(7)

根據(jù)以上綜合評價模型進行歸一化數(shù)據(jù)計算后得到的綜合評價值的范圍不同，照明工程可以劃分為不同水平，表2是照明工程綜合評價值代表的照明工程節(jié)能設計方案的技術水平。

表2 綜合評價值及評價Table 2 Comprehensive evaluation value and evaluation conclusion

3 照明工程方案及綜合評價案例

3.1 照明工程案例

本文選取具有代表性的傳統(tǒng)照明工程案例——北京新保利大廈、LED照明工程案例——北京諾德中心和LED智能照明工程案例——北京三里屯通盈中心洲際酒店分別進行綜合評價指標的計算，并進行對比分析。

案例一：北京新保利大廈照明工程，建筑總面積為109 997 m2，景觀照明工程方案的主要參數(shù)有：采用三基色稀土熒光粉和效率為90.0%電子鎮(zhèn)流器的T5防水熒光燈，光源功率為28 W，燈具功率為56 W/1.5 m，色溫為3 000 K，光源初始光效為94 lm/W，2 000 h光通維持率為95%。根據(jù)GB/T 10682—2010《雙端熒光燈 性能要求》和GB 19043—2013《普通照明用雙端熒光燈能效限定值及能效等級》，對于28 W 3 000 K T5熒光燈，初始光效1級為93 lm/W；2 000 h光通維持率為85%。根據(jù)GB 17896—2012《管形熒光燈鎮(zhèn)流器能效限定值及能效等級》，對于T5-E，28 W T5熒光燈電子鎮(zhèn)流器，鎮(zhèn)流器效率符合1級89.8%。根據(jù)JGJ/T 163—2008《城市夜景照明設計規(guī)范》，夜景照明工程(大城市)中建筑物立面反射比為0.3～0.6，照度值為200 lx，亮度值為25 cd/m2，功率密度限值為8.9 W/m2。

案例二：北京諾德中心照明工程，項目總建筑面積約70萬m2，使用節(jié)能LED燈具，光效達到85 lm/W，燈具功率為15 W/m。由于采用LED燈具替換傳統(tǒng)燈具，部分標準值和節(jié)能要求參照使用T5的要求。

案例三：北京三里屯通盈中心洲際酒店照明工程，建筑最高點高為150 m，使用LED RGB燈具，采用CREE全彩三合一貼片光源，燈具光效為42 lm/W，燈具功率為10 W/m，使用智能控制系統(tǒng)對LED燈具進行分區(qū)、分時自動控制，降低光輸出功率，從而達到更好的節(jié)能效果。LED燈具嵌入式安裝在幕墻裝飾凹槽內，出射光經德國拜耳抗紫外線PC3103混光板擴散，最終獲得均勻的發(fā)光效果，有效控制燈光對周邊建筑的污染。經測試，燈具在全亮狀態(tài)下，表面亮度最大值約為230 cd/m2，現(xiàn)場感受燈光柔和舒適。采用DMX512總線制控制方式，利用TCP/IP協(xié)議網絡技術，對LED進行控制，實現(xiàn)平時、節(jié)假日、重要活動等模式的轉換。因此，通盈中心的照明設計中，不光考慮了節(jié)能技術，更對燈具的發(fā)光均勻性和人們的視覺感受進行了優(yōu)化設計，使照明效果更柔和、舒適。

3.2 照明工程案例綜合評價值對比分析

經過計算，三個典型照明工程案例的各項第一層次指標評價值和綜合評價值見表3。

表3 三個照明工程案例的評價值Table 3 Evaluation values of the three cases

案例一的綜合評價值為0.89。僅僅從這一評價值來看，比照明行業(yè)的平均水平和基本要求是存在一定優(yōu)勢的。節(jié)能性和適用性指標在0.8附近，說明該工程從照明需求和節(jié)電的角度，使用了先進的節(jié)能技術，達到了較好的照明節(jié)能效果。但是健康性指標在1.2的范圍線附近，說明該工程在健康性方面存在較明顯的不足，原因就是由于當時技術所限，項目使用的熒光燈產品含有有害物質汞。

案例二的綜合評價值為0.74。在節(jié)能性指標上具有非常顯著的優(yōu)勢，小于0.6，但同時舒適性指標停留在1.0的范圍線上，表明該工程的舒適性設計仍有進一步提升的空間。

案例三的綜合評價值為0.73。五個維度的評價值均不高于0.82，表明該工程在以上五個方面都處于照明工程行業(yè)內的優(yōu)秀水平，具有較好適用性的同時，也具有較好的節(jié)能特性，同時在舒適性、健康性和經濟性方面也有良好的表現(xiàn)。

3.3 “EACHE評價法”對照明工程案例評價結果討論

1)由表3可見，“EACHE評價法”針對不同工程案例，將照明產品光效、照明功率密度、分區(qū)控制、舒適感受等各類評價指標通過標準值、參考值和專家評議等賦值方法進行量化處理，利用歸一化的數(shù)據(jù)使不同照明工程的綜合評價結果相互可比，消除了不同照明產品及對應標準之間評價指標(值)的差異。這種歸一化的量化處理方法，可以應用于不同應用領域使用不同照明產品的照明工程，使該評價方法的適用性較廣。

2)“EACHE評價法”綜合了照明工程節(jié)能性、適用性、舒適性、健康性、經濟性五個方面的評價結果。如圖1所示，可以直觀地觀察到案例一因使用含汞熒光燈在健康性方面存在的明顯缺陷，案例二因使用節(jié)能LED在節(jié)能性方面的突出表現(xiàn)，以及案例三通過控制表面亮度和眩光在適用性和舒適性方面存在的顯著優(yōu)勢。這表明該評價方法能夠區(qū)分出不同照明工程在技術及其他方面的優(yōu)勢和不足，能夠以量化直觀的方式對照明工程進行較為有效的評價。

圖1 三個不同案例的五維評價結果比較Fig.1 Comparison of five-dimensional evaluation results of three different cases

3)在對三個案例進行綜合評價的過程中，需要較為全面的照明工程產品、技術、設計和實際照明效果的信息和數(shù)據(jù)，根據(jù)所使用的照明產品和應用場景來選擇評價時的標準值或參考值，各指標權重系數(shù)參考了有關文獻的研究成果，必要時通過專家評議進行補充評價，由此建立起來的綜合評價模型使評價結果更為客觀、合理。

4 結論

本文研究提出了照明工程方案綜合評價的指標，及各評價指標的權重和計算方法，建立了從節(jié)能性(Energy-saving)、適用性(Applicability)、舒適性(Comfort)、健康性(Health)和經濟性(Economy)五個維度進行評價的模型，即“EACHE評價法”，并使用該方法對三個典型的照明工程案例進行了評價分析，結果表明EACHE評價法可以直觀、量化地表現(xiàn)照明工程方案在不同方面的優(yōu)劣，對于照明工程設計和驗收的評價具有參考性意義。

本文所給出的照明工程方案綜合評價體系的研究尚未完善，第三層次的評價指標并不完整。未來，照明將更多地融入我們的日常生活，成為智慧城市建設的一部分，從而承載更多的功能。照明工程方案綜合評價還有待進一步深入研究，以適應照明行業(yè)的發(fā)展需要。