低碳照明设计的实现途径研究

李荣芳，曹景玉

水发规划设计有限公司，山东 济南 250100

0 引言

低碳照明设计是指采用科学合理的照明灯光计划，使用高效率、寿命长、安全和性能可靠的光照产物，运用科学技术手段改善室内外的工作、学习、生活环境，构造舒适、快捷、经济、安全、对环境友好和尊崇现代灯光科技的室内环境。

1 低碳照明设计的原则

1.1 绿色环保

低碳照明设计应坚持绿色环保的基本原则，并以此推动人、经济和自然三者之间的平衡发展。在满足人们的生活用电需求时，要控制耗电量，选用适当的灯具和设备等；同时，要建设节能管理系统，加强供电可靠性[1]。

1.2 适用性

低碳照明设计应满足建筑的正常用电需求，不能因为追求节电而影响建筑的总体功能利用。这要求设计者熟悉建筑的应用范围、使用条件、功能指标、用电负荷等，并优化灯光控制系统的供配电方案，在一定程度上保证建筑室内的光照时间、色度、均衡性、对照度、显示指标等满足要求，进行眩光控制等[2]。

1.3 经济性

虽然建筑的低碳照明设计要以节能设计为主，但节能设计也必须充分考虑成本支出的经济性。设计者必须按照整个建设项目的计划和实际状况，对整个建筑的照明设计作出综合性的分析，并且要合理地选用照明设施、材料；按照建筑内的空间结构和规模优化线路的走向，科学布局灯具，且数量要合理；按照现实的建设状况做好实施方案的编制，尽量节约施工方的投入费用和养护费用。

2 低碳照明设计的实现途径

2.1 合理使用天然采光

2.1.1 天然采光标准

为了合理使用自然光，自1991年，全球光照理事会开始实施IDMY计划，在全世界共48个观测地点开展高频率、高品质的自然光和太阳辐射观测，在15个观测地区开展天空光照分布的测定。观测为建筑师提供了详细的日光气候信息，也为天空光度分布模式的确立、建筑物的采光设计和计算等提供了基础。

在美国绿色建筑协会的认证规定中，关于建筑物采光条件有以下条款：对新建建筑来说，在9月21日上午9点至下午3点，75%以上的使用空间面积的自然太阳光照度水平必须超过25 fc，并且在晴天条件下，新建建筑的自然太阳光照度水平也不能超过500 fc。同时，建议采取西侧窗采光和东部采光相结合的方法，开窗面积和空间进深比例必须符合一定的空间配比关系，以确保总采光区域占据全部使用区域的75%以上。对其他建筑物而言，上述的使用空间比率规定为50%，其他照度条件基本一致。

在中国建筑设计照明标准中，关于自然采光的标准主要是指《建筑采光设计标准》（GB 50033—2013）和《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）。《建筑采光设计标准》中明确规定了各种建筑物内部、户外的自然光临界照度值，以及相关的通风系数设计标准值，并且针对房间内的通风系数或通风窗地建筑面积比给出了设计要求。在《建筑照明设计标准》的“利用自然光”篇章，提议在居室随户外自然光的改变而自动调整人工灯光照度，通过各种导光材料和透光设备把自然光直接导入居室实现照明，以及使用太阳能作为采光能源等。尽管在技术规范中有相关条款和明文规定，但自然采光的采光系数、采光窗底面积比条件等未在建筑设计与照明工程设计中得到认真严格的实施。

2.1.2 天然采光的主要手段

（1）传统的天然采光方法。传统的天然采光方法一般指房顶采光与侧面采光。在房顶采光时，由于光照自上而下，可以得到相对丰富而均衡的室内外光线。虽然光效适宜，但面临直射太阳和放射热的问题。在某些宗教信仰建筑物中，对房顶采光的运用也被认为带有宗教意味，如意大利的罗马万神殿的房顶采光。在现代建筑中，更多的建筑物在中庭设计上使用了玻璃天窗，以提高空间透光度。

侧面采光是最常用的采光方法，但往往需要处理空间深度和光照均匀度的问题。如今，大规模的玻璃幕墙建设可使采光面积大大增加，将大部分的自然光导入居室中，但也造成了很大的空间辐射热问题[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关设备和导光系统。相关设备利用对遮阳板的手动调整，与室内暖气和制冷系统的控制器相连，以确保室内的温度最适宜，同时功耗也较少；导光系统利用在屋顶的采集设备捕捉天然光线，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内。导光系统基本不消耗能源，体现了建筑环保的概念。

导光系统包括主动式和被动式二类，主动式导光系统内有可以跟踪太阳光的定日镜，能够同时将太阳光和天空光都带到室内外，但结构复杂，生产成本高昂，无法普及；被动式导光系统结构简单，造价低，但进光度大，重点是吸引天空光。导光系统一般由集光器（或发光设备）、导光管、照明器等三部分构成，如图1所示。其中，集光器的重要功能是获取尽量多的光源，从而成为整个控制系统的光源；导光管是传递光的途径与媒体，一般包括金属反光型、非金属反光型、透镜组型、棱镜型和光纤型，各类别导光管的工作原理、传输效果、应用前景和限制如表1所示；照明器在整个控制系统的末端，可以把光线均匀地排列在室内空间[4]。

图1 导光系统的组成

表1 各类别导光管的工作原理、传输效率、应用前景和限制

在各种导光管中，被动式的金属反射型导光管结构比较简单，造价低廉，且采光效果好，特别适合大面积场合的采光。相应产品技术也已经相当完善，在全球很多城市已达到商业化水平，实现了设计标准化，因而得到普遍使用。利用现代科技开发的遮光装置、导光体系等，可以推动城市自然采光利用的发展，这也是城市低碳照明设计的主要内容。

2.2 使用高效、节能的照明装置

2.2.1 荧光灯

高照明效果的气体放电灯是低碳照明设计的首选。在进行灯光选型时，应当综合考虑灯具的光效、特性、价位、维修等。

（1）紧凑型荧光灯。紧凑型荧光灯的使用寿命长达8 000～10 000 h，而且照明效率比白炽灯高出不少，功耗仅为同样光通量的普通白炽灯的约四分之一，故选用紧凑型荧光灯能够节省更多电能。

（2）T5荧光灯。T5荧光灯应用了三基色固汞，着色性好，保护环境，更省电，逐渐形成用细管T5型或T8型荧光灯替代粗管T10型和T12型荧光灯的发展趋势。

2.2.2 LED灯具

在绿色照明设计中，必须主动、稳妥地引进LED灯具，因为LED光源在可控制性方面具有突出优点，并且效率较高、节能；LED的感光方式较多，可以适应各种灯光分布需要，但是LED的光色一致性很差。在具体使用中，还必须重视LED的寿命问题。在实验室或特定的高温、潮湿环境下推算出来的寿命并不能代表在具体使用时的实际寿命，尤其当LED灯具放置于露天环境时，其寿命会减少。对此，LED的开发重点必须聚焦在如下领域：提高LED的照明效率，达到150～200 lm/W；提高LED的感光清晰度和显色指数，并提高其散热性；研究与LED生产工艺有关的电子控制系统和设备等；针对居住区及非住宅建筑物，研究新型LED工艺技术，以实现较好的光分布；促进LED的商品化进程，以逐步降低生产成本等。

2.3 使用智能灯光控制器

低碳照明设计需要适应人类在不同活动时期对光照的需要。在进行建筑灯光设计时，照度、亮度、眩光值、照度功率密度限值等技术参数均须满足建筑标准。还应当按照用户的实际需要设定相应的环境照度与任务照明，并利用智能灯光控制器完成调光工作，为空间内的使用者提供各种场景，满足更多功能的应用，以符合用户的不同需要和偏好。

在智能灯光控制器中，可预先设定不同的情景模型，通过相关管理界面操纵可实现及时、适地、适人、合适灯光下的情景调入和更改。智能灯光控制器可以对所有照明系统实现智能调光，包含白炽灯、日光照明、配以特别镇流器的钠电池、LED灯具等。通过智能照明控制，一般能够节省约20%～40%的家庭电力，不仅减少了用户电力开支，而且降低了家庭电源压力。同时，智能灯光控制器还可以通过软启动的方法调节电网中的冲击电压和浪涌电流，在一定程度上延长了灯光寿命[5]。

2.4 重视照明器具的全寿命周期评估

低碳设计注重对全生命周期、全过程、整个系统碳排放量的可测量，也重视各个环节、各种对象的碳排放量，设计低碳照明时必须重视对所有照明器具的全寿命周期评估。全寿命周期评估是对商品在产品设计、原料生产、加工制造、商品储运、生产使用、商品报废处理和最后处置过程中的能量消耗、物料损耗、废水排出量及其对周围环境的影响程度等作出全面的分析和判断，从而得出商品对社会环境影响程度的客观结果。

在照明领域有专门的低碳照明设计规范，需要在现行照明设计规范的基础上进一步加强对照明用具产品的全寿命周期评估。通过测算各种常见照明器材和产品在设计制造过程中的成本投入、资源投入、在实际应用过程中的消耗量，以及在废弃物处理中的环境污染、处理损耗等数值，得到产品对环境影响程度的客观结果，为特定空间的光源选择和排布方案的选择提供评价基础[6]。以LED照明为例，需要计算LED照明在全寿命周期中单个灯具的单位应用价值和要花费的资源总量，以评估LED照明的价值。

2.5 出台低碳照明条例及政策

2.5.1 低碳照明条例

低碳照明的推进要求政府部门以相关能源产业法规为基础，避免质量差的商品进入交易市场。经典的案例是我国国家发展和改革委员会关于逐渐消灭白炽灯，并尽快普及节能灯的行动计划[7]。

2.5.2 经济激励政策

低碳照明的推进要求中央或全国各地人民政府以国家经济发展鼓励政策为导向，针对低碳照明工程的科技创新、低碳照明工作成效显著的重点工程项目，实施财政补助、税收优惠政策，划分确定楼宇低碳灯光示范性工程项目、高速公路低碳灯光示范性工程项目等，并继续利用新闻媒体、互联网、政府刊物、展会等多种形式开展宣传推广活动，以促进整个城市的低碳照明设计的健康发展[8]。

3 结束语

实现绿色低碳是中国城市照明科技发展的全新跨越，让低碳照明技术渗透到低碳公司、低碳经济环境、低碳社会，可以实现真正意义的城市可持续发展。因此，应把自然采光放在第一位，积极促进导光系统的广泛使用，并积极研究和照明设备、系统相配套的新技术手段，呼吁国家低碳照明设计规范、法规、政策的出台，以引导人们的意识升级和行动变革，并推动能耗较少、碳排放量小的照明行业和照明方式的优先发展。