生态城市建设语境下城市照明设计探索

2020-07-20戴文涛

智能建筑电气技术 2020年3期

戴文涛，许彪

(深圳市市政设计研究院有限公司，深圳518029)

0 引言

春节本应是一个欢庆祥和的节日，但是随着2020 年春节前夕新型冠状病毒肺炎的出现，全国进入抗击疫情的一级响应状态中。尽管病毒源头尚未最终探明，但某种程度上，这次疫情的出现也是生态环境再一次对人类敲响的警钟。

随着人类技术能力的不断进步，人类对生态环境的破坏也一直在持续。直到畸形、瘟疫等环境的报复显现威力，现代人类才开始意识到生态环境的重要性，并对人类行为进行约束。最有可能对环境产生直接影响的工程行为首当其冲，工程具体目标是短期利益，其根本目的是创造更为美好的生活，而生态环境是我们美好生活得以持续的基本条件，是长期利益。在工程行为中把握短期利益与长期利益的平衡，采用技术手段来获取长期利益，是工程师要思考的首要问题。

据统计，中国城镇人口占总人口比重近60%，157 个地级以上城市GDP 占全国GDP 比重达82%，而中国城市化进程还在持续推进中。城市既是大部分人的美好家园，同时也是工程行为最集中、环境问题最突出的地方。上世纪的城市建设侧重于建设，注重工业化、产业化、现代化，更多关注的是城市内生需求，但忽视了城市的管理和可持续发展，没有考虑城市外部环境与城市建设的相互影响。进入新世纪前，人们在大城市普遍遭遇到交通拥挤和污染噪音，生态城市的概念应运而生，现代城市建设进入了高级阶段。

1 环境伦理与生态城市建设总体目标

生态城市是城市发展的理想模式，包含自然、经济和社会三重维度，三者融合发展，共同构建出环境和谐、经济高效、可持续发展的人类聚居地。三个维度指标紧密联系，从环境影响控制方程式(1)可见，为尽量降低环境影响，减少能源及资源损耗及污染物排放量，在维持一定人口规模及良好的GDP 增长条件下，需要尽可能地提高生态效率，即降低单位GDP 的环境影响。

式中，I 为环境影响(资源消耗或污染物排放量)；P为人口；A 为人均GDP；T 为单位GDP 环境影响。

对于生态城市，以下指标均非常重要:(1)GDP总量与人均GDP；(2)能源(资源)消耗总量与单位GDP 能源(资源)消耗；(3)污染物排放总量与单位GDP 污染物排放量；(4)废弃物循环利用率；(5)城市空间环境平衡。

在保持环境与自然和谐、经济良好增长的同时，实现资源消耗减量化，及废弃排放物无害化、减量化、循环化，是生态城市的总体目标。

2 环境伦理与生态城市建设规划设计

良好的规划设计是实现生态城市的前提。规划对城市内部组成、外部环境和生态系统进行系统性分析，从空间布局、产业导向、资源配置等方面进行统筹，是最能体现节能环保宏观控制效果的。例如以组团式规划尽量实现片区职住平衡、减少跨组团交通量，可以一定程度上缓解交通拥堵、降低交通能耗。通过工程设计落实规划意图，每一个环节中尽量做到节能环保，降低工程在建设、运维全寿命周期的能源和物质损耗，并利用先进技术做到各类废弃物循环利用，可实现物质减量化。事实上，目前建筑物、基础设施的能耗水平还相当高，科学的节能环保技术路线、评价指标和实施策略有助于在保证达到设计功能的前提下显著降低能耗及排放水平。

城市照明是市政工程设计工作的重要内容之一，与生态城市建设息息相关，但从业人员更倾向于从工程技术或艺术景观角度对其进行解读，本文从生态城市的角度对城市照明节能、环保和智慧应用作深入分析。

3 城市照明节能

3.1 基本原则

顾名思义，节能即是降低能源消耗，但如果片面追求某一技术环节做到能耗最低并不科学，还需遵循以下原则:(1)节能应是在满足系统功能要求，及安全、健康、环保、舒适等基本要求的前提下再进行考虑；(2)节能应是针对系统而言，除关键耗能部件外，还应考虑电源、线路、附件等综合能耗及其他资源消耗；(3)节能应考虑系统全寿命周期，包括建设、运维及物质循环各个阶段；(4)节能还应注重经济性，与“节钱”并重，示范项目可考虑规模化应用后的成本降低。

3.2 道路照明节能工程实践中的误区

城市照明遍布于城市每一条街道上，其总能耗约占照明能耗总量30%，相当于全国年发电量的3%～4%，相当可观。因其存量巨大，技术演进相对缓慢，虽然也强调节能，但由于缺乏系统性思考，在工程实践中还存在以下误区。

(1)节能未以道路照明评价体系为前提

道路照明核心目的是保障交通安全，其中机动车道照明是让驾驶员在移动过程中，通过路面反射亮度与障碍物之间的对比，及时做出反应。通过大量目标人群在路面上的测试实验，得出亮度分布与小尺寸目标辨识度的概率分布曲线，在安全性(跨越辨识度跃变线后达到较为稳定的高辨识度)和经济性(较高能耗未带来辨识度的显著提升)之间取得平衡，再结合不同道路等级(车速、交通量和交通组成复杂程度存在变化)，最终形成了现行CJJ 45-2015 《城市道路照明设计标准》中规定的道路照明评价体系，以路面平均亮度(或路面平均照度)、路面亮度均匀度和纵向均匀度(或路面照度均匀度)、眩光限制、环境比和诱导性为评价指标。

道路照明评价体系中各项指标具有强相关性，虽然以路面平均亮度为关键指标，在工程实践中以路面平均照度检测为主(间接指标，检测相对简便)，但其他未达要求的指标也会对目标辨识度产生不利影响。早年在道路照明节能工程实践中，为大幅降低照明功率密度，不少地区出现过人为降低路面照度或者隔盏灭灯的节能措施，直接影响了路面亮度或均匀度，且实质上都未能满足照明评价体系要求，这种节能措施是不可取的。

LED 灯具以其高光效、精准配光、灵活可控等特性成为道路照明领域革命性技术产品。但在其推行过程中，尤其是在光效尚未大幅提升期间，也出现过在机动车道控光以降低功耗(导致环境比未满足要求)、片面关注路面照度而忽视亮度分布(未充分进行新型光源的路面反射特性研究)等误区。目前LED 灯具光效及配光已经有了长足进步，结合光谱分布与人体反应在不同光环境下(亮环境、暗环境、多重环境等)的基础研究，从发光、配光、控光多个环节进一步开发技术，能够显著提升照明安全、舒适度与节能空间。因此节能应从工艺需求的第一性原理出发，深入分析各项指标要求，才能做到真正有效。

(2)节能未考虑道路照明系统组件能耗

道路照明系统是以路灯为核心构成的，系统内还包括灯具电器附件(如LED 灯具的电源模块或气体放电灯的镇流器)、线路、变压器等组件，这些组件都存在一定程度的能耗。如气体放电灯上的普通电感型镇流器，其功耗接近灯具功率的15%～20%(如400W 高压钠灯电感镇流器功耗为66W)，与节能型电感镇流器约8%灯具功率(如400W 高压钠灯节能型电感镇流器功耗30W)相去甚远。 LED灯具电源模块功耗也由于技术路线和器件差异存在较大变化。变配电系统、电缆选择也对系统能耗产生影响。节能设计应考虑系统主要组件能耗，在接入条件相当的市电网络、工作环境、工作时间与工作模式下进行比选。

(3)节能未考虑道路照明系统全寿命周期成本

道路照明系统全寿命周期包括建设期、运营期和寿命终结后的回收利用。建设期时间较短，但初次投资较高；运营期时间较长，维护成本相对建设而言较低，与照明水平、节能效果和公众安全息息相关，却是在工程设计阶段容易被忽视的环节；而照明系统各组件的回收利用则涉及到环境成本，在后文进行详述。

道路照明的运营维护工作主要包括灯光控制管理、光源(或灯具)更换、电器更换、路灯巡视、电源及线路检修。路灯开关基本上实现了集中自动控制，或者通过地理时钟按照当地测算日落、日出时间进行控制，或者通过网络进行实时控制。目前产生问题较多的是城市隧道照明，普遍未纳入城市灯光控制网络，而在管理中忽视了视觉明暗适应过程，经常出现夜间照明采用白天照明模式、加强照明全部开启，维持洞口及过渡段超高照度(数百至上千lx，而正常夜间照明仅需数十lx)的情况发生，造成极大能耗，同时也形成了“白洞”不舒适眩光。隧道照明基本模式控制经常不到位，随洞口亮度变化的智能调光模式更无法实现。光源(或灯具)并非到其寿命终结期才进行更换，一般是在光通维持率低于70%、路面亮度分布低于标准要求时就要更换。传统气体放电灯寿命较短，镇流器寿命较长；而LED 灯具光源模块寿命较长，驱动模块可能故障率较高。路灯作为户外用电设备遍布城市每个角落，容易被公众接触，而其布点分散、线路长的特征使得难以套用室内配电设备保护办法，接地系统型式、配电开关选型、漏电动作阈值、电缆线径及防护、接线做法等，需要在用电安全、照明可靠和经济性之间取得平衡，目前想要兼顾并非易事，还需要引入新技术进行解决。路灯巡视要确认路灯亮灯率、灯杆及线路状况。

由于城市中路灯数量庞大，这些看起来较为简单的维护工作依然要耗费巨大的人力和物力成本，而一旦维护不及时、不到位，引发的交通安全和用电安全隐患也会产生很高的社会成本。工程设计、集成及运维在管理工作上还存在较大的节能和成本控制空间。

(4)节能不节钱

复杂系统的全寿命周期成本往往难以定量分析，而采用工程经济方法计算系统在一定周期内初始投资与运行费用的总和相对简便。总费用最小者，才是真正节能的技术方案。在LED 路灯推广初期，灯具光效对比大功率高压钠灯路灯并未显著提升，而由于每瓦LED 成本较高，在主干路及以上道路应用时节能空间有限，总体造价远高于传统路灯，即使计入运行维护成本，也无法平衡节能带来的效益，故在当时并不是可取的方案，而是应实事求是从支路等小路场合应用推广做起。随着支路应用规模的上升，加上政策补贴的引导，引起了LED 成本持续下降，而光效的进一步提升更加大了节能效果，为后续全面推广LED 路灯奠定了基础。因此新技术推广过程中也应注重前瞻性、经济性的平衡，做好实施时序控制。

4 城市照明环保

4.1 光环境污染

光环境是自然界最天然的环境属性之一，在城市中随着人工照明的兴起，光环境也正遭受巨大的破坏，事实上光污染已经成为城市中一种新型的环境污染源。但与土壤、大气和水环境等污染不同的是，只要有意识地以技术手段改善，还有条件能够局部恢复宁静的自然夜空。

首先是光环境规划控制，深圳是国内首个编制照明专项规划的城市，明确划出了暗区域，除天文观测区域外，将生态控制区域也纳入其中，严格控制上射光通；城市其他区域也有亮度分级控制。深圳市灯光环境管理中心将楼宇夜景照明纳入管理范围，严格控制立面亮度。令人痛心的是，近两年全国范围内兴起的夜景照明工程中，出现了不少以绿化树木甚至是自然山体为灯光载体的项目，与生态城市要求背道而驰。

其次是加强公益宣传，如“地球一小时”熄灯活动，唤起公众减少对人工照明的依赖和滥用，加强对光污染的警醒，更多回归自然。

然后是技术手段，针对需要人工照明的场合开发适用灯具，严格控制外溢光通。 LED 精准配光的特性提供了技术可能性。对比传统路灯截光型和半截光型配光，LED 路灯可以轻易达到最大光强分布，满足路面亮度分布且截止80° 以上光通的要求。值得注意的是城市桥梁领域，立交区域采用高杆灯照明产生较多的溢出光通，会对周边建筑产生光污染，高架桥梁采用常规灯杆也同样会对桥下及桥外建筑造成溢出光。针对城市桥梁开发精准配光而又不受车辆遮挡的低位照明灯具是行之有效的技术路线。

除了白昼污染外，城市照明带来的光污染还包括彩光污染。在夜景照明项目中要根据照明区域属性和灯光主题，慎用或少用彩光和快节奏变幻的跑马灯；确有需要使用的，也应对视场和时段做出严格控制。道路照明应注重色温适宜性和稳定性，在技术成熟、成本可控情况下，建议采用双色温灯具。

4.2 回收处理

城市照明系统的主要部件中，金属杆件、线缆等非常便于回收，灯具、电池等部件包含有害成分，需要关注其产生的物质循环和环境成本问题。

新能源路灯曾一度作为有力的节能措施进行示范推广，通过太阳能电池板、微风启动风力发电机，部分或全部取代市电电源为路灯供电。受制于地理条件，即便是成本较高的风光互补路灯，为保证在连续微风阴雨天等不利气候条件下也能够正常工作，仍需要配置蓄电池组。而蓄电池既要耗费一定成本，而且以当时的电池技术条件电能循环寿命较短，约2～3 年即需更换。从整个照明系统全寿命周期来分析，不论是以道路约20 年进行修缮或更新，还是以LED 灯具约7 年使用寿命(按70%光通维持30 000h，每年开灯时间约4 280h，LED 路灯寿命约为7 年)来计算，蓄电池的更换成本都较高，而且这些电池的处置也会产生很高的环境成本。事实上，在市电电源容易获取的城市道路上，新能源路灯并不具优势，这类产品更适合于无法取得市电电源的场合，或者是新能源能够方便接入形成智能微电网的场合。

从道路照明系统全寿命周期物质循环来看，LED 灯具的应用也还存在一定隐忧。由于LED 灯具一体化的特性，其粘合剂多、集成度高、形状各异且有害物质多样化，难以采用机械方法分类分离。随着LED 在照明应用的全面推广，其废弃物也将日益增多。据外媒统计，目前在英国超过90%的荧光灯管材料已经回收使用，而LED 灯具的设计将使这一比例难以达到50%。一段时间后LED 废弃物的环境成本已不容忽视。目前可采用的技术措施包括尽量统一模块化以减少整体更换数量，采用光衰智能预控技术进一步延长使用灯具寿命。但这些措施只能在一定程度上减缓LED 废弃物的产生，根源性的解决方案还需要从LED 类产品设计方法和电子产品无害化回收方法入手进行深入研究。

随着网络经济的不断发展，未来五到十年后，社会消费群体将以90后、00后为主流，他们更能运用网络技术手段满足自己的需求，他们对实体店的依赖度会更加低。同时，他们更追求个性化，追求自我需求，不盲目跟从，传统的营销方法难以吸引这类人群。另外，由于网络的全天候和全球性，加上无线互联技术的逐步成熟，消费者可以随时随地传达自己的需求信息，只有互联网经济能满足消费者在碎片化时间购物的需求。

5 人工智能等新技术在城市照明中的应用前景

人工智能、大数据、云计算、物联网、5G 等新技术快速发展，对各行各业都正在产生积极影响。城市照明行业也不例外，采用传统技术难以彻底解决的一些问题，在引入创新技术后正在迎来突破方向。从生态城市的角度出发，融合绿色创新技术，更有可能开创全新的解决方案。

5.1 智慧照明系统

目前各大城市基本都实施了城市照明集中控制系统，能够进行片区或路段回路开关灯控制，收集回路电量数据，随着物联网技术不断推进，以下智慧照明场景已经在陆续实施或有可行前景。

(1)单灯控制系统

每盏路灯均设置单灯控制器，通过NB、LoRa 及PLC 等物联网技术组建成智能照明控制系统，可实现对每一灯具的通断和调光控制，精准把握亮灯及运行状态，进而通过人工智能优化的场景管理模式，实现按需照明的深度节能模式。

(2)智能光衰补偿技术

路灯初始光通较高，随运行时间增加产生光衰，为维持路面亮度，设计初始灯具功率相对较高，相当于在运行初期会有近30%的不必要能耗。根据LED 芯片运行光衰曲线，采用自适应技术调整驱动电流，使之保持恒定光通输出，既能保证路面亮度稳定，又能减少不必要的运行能耗。

(3)智能漏电保护技术

前文中提到，道路照明电击防护技术方案未尽如人意，其主要原因是户外配电线路长，线缆自有泄漏电流较大，远超保护人体的漏电动作电流30mA。通过人工智能技术，密集分析泄漏电流变化趋势，并与当地气象数据(如湿度、雷电等)、电缆运行情况(绝缘电阻、过电压等)进行比对，可以筛查出电击特征值进行预警和定位，结合定位周边的事件监测(如施工开挖等)进行确认并采取有效动作，是可行的解决方案。

(4)智慧配光技术

路面在不同气象条件下对配光要求差别较大:干燥路面以漫反射为主，雨天湿路面镜面反射较多，若采用相同配光类型，路面亮度分布变化很大，均匀度差，还会产生眩光；能见度较高情况下采用中高色温为宜，雨雾天气下以低色温为宜。现有的路灯产品配光曲线和色温是固定不可调的，气候适应性不佳。在LED 芯片成本不断下降的趋势下，可以开发出具备多重配光曲线和可变色温的灯具，根据运行范围内气象条件智能调节。

(5)未来道路照明评价体系

随着车路协同技术和智慧基础设施的推进，未来的道路照明评价体系可能会面临颠覆性的变革。驾驶者对行驶视距范围内小目标障碍物的识别，完全可以通过低照度摄像机对周边运动物体及其光影进行智能识别分析来实现，利用车路协同系统进行实时信息推送，或者局部针对目标物进行加强照明，都可以达到即时识别障碍物做出有效反应措施的目的。而自动驾驶的实现，在不需要人来进行判断和操作的条件下，更是会彻底颠覆现有道路照明理论体系，相信届时道路照明评价应是关注健康、舒适和以人为本。

5.2 智慧基础设施构建全面感知体系

以上分析均是聚焦于智能化技术在城市照明的应用前景，实际上路灯是城市中最密集且排布规整的基础设施，有管道、供电、网络等基础条件，为实施智慧照明系统还附设有物联感知设施，进一步布设AI 摄像机、地基北斗、5G 微基站、交通监控设施等多种传感器和通信设备，并通过物联网连接周边的市政设施，将构建出泛在的智慧市政基础设施。通过大数据、云边计算等进行数据及服务融合，可以产生智能交通路况分析、交通拥堵智能疏导、市政管网运行侦测、结构健康监测等一系列的智慧应用，形成智慧城市的基础平台，最终发展至全场景AI 的格局。智慧照明仅是其中的一个小应用，多系统复合能减少资源占用，激发更大的效益，在科学规划实施时序、构建闭环应用场景后，将能为生态城市节能环保、可持续发展的建设目标提供更为智慧的解决方案。