低碳照明设计途径

顾玲玲 袁 樵

(复旦大学环境科学与工程系，上海 200433)

1 绿色照明到低碳照明的新要求

从《京都议定书》到《哥本哈根协议》，一场改变生产、生活方式乃至价值观的低碳革命正在发生，它涵盖了低碳技术、低碳经济、低碳生活甚至所有产业领域的最新潮流。而在照明领域，强调的重点也从“绿色照明”转变为“低碳照明”。从关注节能、环保、安全、舒适这四项指标，进而深入到节约资源、降低能耗、减少温室气体的排放，这一转变向我们提出了更高层次的可持续发展要求。

2 实现低碳照明的技术途径

2.1 天然采光

天然光是一种取之不尽，用之不竭的绿色能源。天然光不仅可以改善室内环境气氛，保证较高的视觉功效，并且对于人类的身心健康有益。低碳照明设计应将优化天然采光放在最重要的位置。合理利用天然光，既可以减少照明用电，降低能耗，同时可以有效地减少温室气体的排放，缓解环境危机。

优化天然采光，首先需要重新思考建筑流程。在传统的建筑设计流程中，建筑师会在设计初期对建筑布局、建筑结构等做一些无法变更的决定，而这些决定不可避免的会对天然采光造成影响。接着，建筑师将工作移交给照明顾问和电气工程师去做照明设计，使得照明设计严格依赖于建筑设计和电气设计。因此，照明设计师应在建筑设计初期即加入设计团队，与建筑师一同完成方案设计，从而实现天然光的高效利用。

图1 新建建筑窗与进深空间的关系

(1)有效利用天然光的条例与举措:

为了有效利用天然光，自1991年，国际照明委员会 (CIE)开始实行 IDMY计划 (International Daylight Measurement Programme)，全球共计48个观测站进行高频率、高质量的天然光以及太阳辐射测量，15个观测站进行天空光线分布的测量［1］。这些测量数据为建筑师提供很好的光气候信息，同时为天空亮度分布模型的建立、建筑物的采光设计与计算提供了依据。

美国的绿色建筑先锋奖 (LEED)认证条例2009版中，对于建筑采光有如下规定:对于新建建筑来说，在9月21日上午9时到下午3时之间，75% 以上的使用空间至少达到25 fc的天然光照度水平，而在晴天空条件下新建建筑的天然光照度水平不得超过500 fc［2］。同时建议采用侧窗采光与顶部采光相结合的方式，开窗面积与空间进深需满足一定的比例关系 (如图1)，从而保证总的采光区域占所有使用区域的75%以上。而对于既有建筑来说，上述使用空间比例规定为50%，其余照度要求基本一致［3］。

我国照明标准中对于天然采光的规定主要是《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2001和《建筑照明设计标准》GB 50034—2004。 《建筑采光设计标准》中规定了各类建筑室内、室外天然光临界照度值，及相应的采光系数标准值，同时对于房间的采光系数或采光窗地面积比提出了要求［4］。《建筑照明设计标准》在充分利用天然光这一章节，建议室内随室外天然光的变化自动调节人工照明照度，利用各种导光和反光装置将天然光引入室内进行照明，利用太阳能作为照明能源等［5］。虽然标准中有相关规定，但是对于天然采光诸如采光系数、采光窗地面积比要求等，并没有在建筑设计和照明设计中得到认真严格的实施和执行。

(2)天然采光的主要手段

传统的天然采光方式，主要是指顶部采光和侧向采光。顶部采光时，光线自上而下，有利于获得较为充足与均匀的室外光线，光效果自然宜人，但存在直射阳光和辐射热的问题。在一些宗教建筑中，顶部采光的运用被认为极富宗教含义，如意大利的罗马万神殿。在现代建筑中，越来越多的建筑中庭设计广泛采用天窗，以增加空间透光性。而侧向采光是最常见的采光方式，往往要解决空间进深与光线均匀度的问题。如今大量的玻璃幕墙建筑可以使采光面大大提高，将大量天然光引入室内，但也带来严重的空间辐射热问题［6］。

新型的天然采光方式，主要依靠于遮阳设备与导光系统。遮阳设备通过遮阳板的自动调节与室内供暖和制冷系统的控制连接，保证室内有舒适的温度，并且能耗较低。而导光系统通过屋顶的采集装置捕获阳光，然后通过反射管道向下改道，透过光线漫射器，将自然光分布到建筑内部的区域。导光系统基本不涉及能耗，极尽建筑节能之概念。导光管系统主要由集光器或发光装置、导光管、照明器3部分组成，如图2所示。

图2 导光管系统组成

集光器的作用是收集尽可能多的光线，作为整个系统的光源。主要分为主动式和被动式两种:主动式导光系统有追踪日光的定日镜，可以把日光和天空光都引入室内，但结构复杂，成本高，不易普及;而被动式导光系统结构简单，进光量大，主要是引进天空光，成本低［7］。导光管是传输光线的通道和媒介，主要分为金属反射型、非金属反射型、透镜组型、棱镜型、光纤。表1列出了各类别导光管的工作原理、传输效率、应用前景及限制。照明器是整个系统的末端，将光均匀分布到室内空间。

在所有导光管系统中，被动式金属反射型导光管系统比较简单，造价低，采光效果好，适用于大面积场所的照明。其相关产品也较为成熟，在世界很多地方已实现商品化和设计标准化，应用较广［8］。现代科技研发的遮光设备、导光系统，将极为显著地促进天然采光利用，这将是低碳照明的重要应用方向。

表1 各类别导光管的工作原理、传输效率、应用前景及限制

2.2 使用高效、节能的照明装置

高光效的气体放电灯是低碳照明的优选产品。在进行光源选择时，应综合考虑灯的光效、性能、价格、维护等关系。紧凑型荧光灯寿命长达8000～10000 h，而且光效比白炽灯高很多，能耗仅为输出相同光通量的白炽灯的1/4，所以使用紧凑型荧光灯可以显著地节约能源。而T-5荧光灯全部采用三基色固汞，显色性好，高效环保，更节能省电，用细管T5或T8型荧光灯取代粗管T10和T12型荧光灯的趋势渐成。

此外，需积极稳妥地推广LED光源技术，LED在光源可控性方面有明显优势，且高效、节能。LED的发光角度可以有多种选择，满足不同光线分布需求，然而其光色一致性较差，如同一批次生产的LED光源色温偏差较大。实际应用中，需注意LED的寿命问题，应认识到在实验室一定温度、湿度环境下推算出来的寿命，并不代表实际安装应用时的寿命，特别是当LED灯具安装在室外时，其寿命将大大降低。LED的进一步研发主要集中于以下几个方面:进一步提高LED的光效至150～200 lm/W;进一步提高LED的发光亮度和显色指数，并改善其散热性能;开发与 LED相关的控制与设备技术;在住宅或非住宅建筑中，开发新型LED系统以获得较好的光分布;推动LED的商业化进程，进一步降低生产成本等。

灯具的主要功能是合理配光，满足环境和作业要求，及防止眩光。光源与灯具组合使用所利用的光通量依赖于灯具的效率和照明系统在特定空间的利用系数，只有灯具效率高，照明系统在空间的利用系数高，才能充分利用光源发出的光。如荧光灯的灯具设计错开重光部分，可有效提高光效。

另外，应选用与灯的光电参数相匹配的高效节能的电器附件，推广使用功率因数高的电子镇流器，或用节能型电感镇流器取代老式电感镇流器。气体放电灯应通过电容补偿，使功率因数不低于0.9。

2.3 智能照明控制系统

照明必须满足人们在各种活动时对光线的要求。在进行照明设计时，照度、亮度、眩光值、照明功率密度限值等参数应符合建筑照明标准规定，同时应根据使用者的实际需求，设置适当的环境照明和任务照明。通过智能照明控制系统进行调光，为一个空间内用户，创造不同的场景，适应多功能的用途，满足使用者不同的需求与喜好。

智能照明控制系统可预先设置不同的场景模块，在相应控制面板操作可实现适时、适地、适人、适量照明场景的调入与切换。智能照明控制系统能对大多数灯具进行智能调光，包括白炽灯、日光灯、配以特殊镇流器的钠灯、LED等。实现智能照明控制一般可以节约20～40% 的电能，不但降低了用户电费支出，也减轻了供电压力。同时，智能照明控制系统采用软启动的方式，能控制电网冲击电压和浪涌电压，在一定程度上可延长光源寿命。总而言之，智能照明控制系统在保证舒适宜人的光环境的同时，可以显著提高用户的工作效率，充分展示了其在照明运行环节最大限度挖掘节能减排的潜力。

3 低碳照明设计标准

低碳强调全寿命、全过程、全系统碳排放的可量化，关注每个环节、每个对象的碳排放，因而低碳照明需关注各种照明器具的全寿命周期评价结果。所谓“全寿命周期评价”(Life Cycle Assessment)，即对产品从其设计、原料使用、生产、产品运输、产品使用、产品废弃到回收或最终处置过程中的能量消耗、物质消耗、污染物排放等对环境的影响程度进行全面分析评价，而得到的产品对环境影响程度的客观结论［9］。

照明领域需专门的低碳照明设计标准，在现有照明设计标准的基础上，增加照明器具全寿命周期的环境影响评价指标，计算出各常用照明器具在生产过程中的成本投入、资源投入，在使用过程中的能耗，以及在废弃物处理过程中的环境污染、处理消耗等数据，得出产品对环境负面影响程度的客观结论，为某个空间的光源灯具选用与排布方式的优劣提供评定依据。以LED灯具为例，应计算LED灯具全寿命期内，用一款灯具的单位使用价值 (比如以每百万流明小时为计)所需支出的资源总量(包括资金投入、有色金属消耗、电力消耗、温室气体排放、生产废水处理、污染物处理等)来评价灯具选用的优劣。

4 低碳照明领域条例及政策指引

4.1 能源产品条例

低碳照明的推动，需要政府以相关能源产品条例为支撑，将最差的产品移除市场。典型的例子如中国发改委的逐步淘汰白炽灯，加快推广节能灯的行动计划。

4.2 经济激励政策

低碳照明的推动，还需要中央政府或地方政府以经济激励政策为指引，对于低碳照明技术新颖、低碳照明效果显著的项目，进行财政补贴、税收优惠政策，建议分类评定“建筑低碳照明示范工程”，“道路低碳照明示范工程”等，并进一步通过媒体、网络、杂志、会议等形式进行宣传，以推动整个城市低碳照明运动的开展。

4.3 低碳照明意识活动

在企业框架下，需借助企业政策的影响力，进行员工低碳照明意识运动，鼓励用户离开房间的时候，及时关闭不必要的照明设备，并建议企业建立完备的电能计量系统，保证实时、精确的读数，并通过一些终端方式 (比如网络、电视、显示器)告知使用者他们的使用情况，以期对人们的行为产生正面的影响。

5 结语

从绿色到低碳，是城市照明科学发展的新突破，将低碳照明融入低碳城市、低碳经济、低碳社会，共同实现真正意义的可持续发展。应该将天然采光置于首位，推广遮阳设备与导光系统的应用，并积极研发高效照明设备与控制系统相关的技术手段，呼吁低碳照明设计标准、条例、政策的颁布，鼓励人们的意识提升与行为转变，以促进耗能低、碳排放少的照明产业和照明方式优先发展。

［1］CIE， InternationalDaylightMeasurementProgramme［EB/OL］.Available at website: http://idmp.entpe.fr/.

［2］USGBC，LEED 2009 for New Construction and Major Renovations Rating System.

［3］USGBC，LEED 2009 for Existing Buildings Operations＆Maintenance Rating System.

［4］GB/T 50033—2001，建筑采光设计标准 ［S］.

［5］GB 50034—2004，建筑照明设计标准 ［S］.

［6］庾晋.充分采用天然光——绿色照明的重要通途 ［J］.光源与照明，2003，(1):8～11.

［7］詹庆旋.低碳照明展望 ［J］.低碳照明，2010，(14):8～11.

［8］罗涛，林若慈，王书晓.天然光导光系统分类及全年采光动态模拟 ［J］.建筑科学，2007，23(6):4～8.

［9］聂祚仁，高峰，陈文娟等.材料生命周期的评价研究［J］.材料导报，2009，23(7):1～6.