低碳照明設計途徑

顧玲玲 袁 樵

(復旦大學環境科學與工程系，上海 200433)

1 綠色照明到低碳照明的新要求

從《京都議定書》到《哥本哈根協議》，一場改變生產、生活方式乃至價值觀的低碳革命正在發生，它涵蓋了低碳技術、低碳經濟、低碳生活甚至所有產業領域的最新潮流。而在照明領域，強調的重點也從“綠色照明”轉變為“低碳照明”。從關注節能、環保、安全、舒適這四項指標，進而深入到節約資源、降低能耗、減少溫室氣體的排放，這一轉變向我們提出了更高層次的可持續發展要求。

2 實現低碳照明的技術途徑

2.1 天然采光

天然光是一種取之不盡，用之不竭的綠色能源。天然光不僅可以改善室內環境氣氛，保證較高的視覺功效，并且對于人類的身心健康有益。低碳照明設計應將優化天然采光放在最重要的位置。合理利用天然光，既可以減少照明用電，降低能耗，同時可以有效地減少溫室氣體的排放，緩解環境危機。

優化天然采光，首先需要重新思考建筑流程。在傳統的建筑設計流程中，建筑師會在設計初期對建筑布局、建筑結構等做一些無法變更的決定，而這些決定不可避免的會對天然采光造成影響。接著，建筑師將工作移交給照明顧問和電氣工程師去做照明設計，使得照明設計嚴格依賴于建筑設計和電氣設計。因此，照明設計師應在建筑設計初期即加入設計團隊，與建筑師一同完成方案設計，從而實現天然光的高效利用。

圖1 新建建筑窗與進深空間的關系

(1)有效利用天然光的條例與舉措:

為了有效利用天然光，自1991年，國際照明委員會 (CIE)開始實行 IDMY計劃 (International Daylight Measurement Programme)，全球共計48個觀測站進行高頻率、高質量的天然光以及太陽輻射測量，15個觀測站進行天空光線分布的測量［1］。這些測量數據為建筑師提供很好的光氣候信息，同時為天空亮度分布模型的建立、建筑物的采光設計與計算提供了依據。

美國的綠色建筑先鋒獎 (LEED)認證條例2009版中，對于建筑采光有如下規定:對于新建建筑來說，在9月21日上午9時到下午3時之間，75% 以上的使用空間至少達到25 fc的天然光照度水平，而在晴天空條件下新建建筑的天然光照度水平不得超過500 fc［2］。同時建議采用側窗采光與頂部采光相結合的方式，開窗面積與空間進深需滿足一定的比例關系 (如圖1)，從而保證總的采光區域占所有使用區域的75%以上。而對于既有建筑來說，上述使用空間比例規定為50%，其余照度要求基本一致［3］。

我國照明標準中對于天然采光的規定主要是《建筑采光設計標準》GB/T 50033—2001和《建筑照明設計標準》GB 50034—2004。 《建筑采光設計標準》中規定了各類建筑室內、室外天然光臨界照度值，及相應的采光系數標準值，同時對于房間的采光系數或采光窗地面積比提出了要求［4］。《建筑照明設計標準》在充分利用天然光這一章節，建議室內隨室外天然光的變化自動調節人工照明照度，利用各種導光和反光裝置將天然光引入室內進行照明，利用太陽能作為照明能源等［5］。雖然標準中有相關規定，但是對于天然采光諸如采光系數、采光窗地面積比要求等，并沒有在建筑設計和照明設計中得到認真嚴格的實施和執行。

(2)天然采光的主要手段

傳統的天然采光方式，主要是指頂部采光和側向采光。頂部采光時，光線自上而下，有利于獲得較為充足與均勻的室外光線，光效果自然宜人，但存在直射陽光和輻射熱的問題。在一些宗教建筑中，頂部采光的運用被認為極富宗教含義，如意大利的羅馬萬神殿。在現代建筑中，越來越多的建筑中庭設計廣泛采用天窗，以增加空間透光性。而側向采光是最常見的采光方式，往往要解決空間進深與光線均勻度的問題。如今大量的玻璃幕墻建筑可以使采光面大大提高，將大量天然光引入室內，但也帶來嚴重的空間輻射熱問題［6］。

新型的天然采光方式，主要依靠于遮陽設備與導光系統。遮陽設備通過遮陽板的自動調節與室內供暖和制冷系統的控制連接，保證室內有舒適的溫度，并且能耗較低。而導光系統通過屋頂的采集裝置捕獲陽光，然后通過反射管道向下改道，透過光線漫射器，將自然光分布到建筑內部的區域。導光系統基本不涉及能耗，極盡建筑節能之概念。導光管系統主要由集光器或發光裝置、導光管、照明器3部分組成，如圖2所示。

圖2 導光管系統組成

集光器的作用是收集盡可能多的光線，作為整個系統的光源。主要分為主動式和被動式兩種:主動式導光系統有追蹤日光的定日鏡，可以把日光和天空光都引入室內，但結構復雜，成本高，不易普及;而被動式導光系統結構簡單，進光量大，主要是引進天空光，成本低［7］。導光管是傳輸光線的通道和媒介，主要分為金屬反射型、非金屬反射型、透鏡組型、棱鏡型、光纖。表1列出了各類別導光管的工作原理、傳輸效率、應用前景及限制。照明器是整個系統的末端，將光均勻分布到室內空間。

在所有導光管系統中，被動式金屬反射型導光管系統比較簡單，造價低，采光效果好，適用于大面積場所的照明。其相關產品也較為成熟，在世界很多地方已實現商品化和設計標準化，應用較廣［8］。現代科技研發的遮光設備、導光系統，將極為顯著地促進天然采光利用，這將是低碳照明的重要應用方向。

表1 各類別導光管的工作原理、傳輸效率、應用前景及限制

2.2 使用高效、節能的照明裝置

高光效的氣體放電燈是低碳照明的優選產品。在進行光源選擇時，應綜合考慮燈的光效、性能、價格、維護等關系。緊湊型熒光燈壽命長達8000～10000 h，而且光效比白熾燈高很多，能耗僅為輸出相同光通量的白熾燈的1/4，所以使用緊湊型熒光燈可以顯著地節約能源。而T-5熒光燈全部采用三基色固汞，顯色性好，高效環保，更節能省電，用細管T5或T8型熒光燈取代粗管T10和T12型熒光燈的趨勢漸成。

此外，需積極穩妥地推廣LED光源技術，LED在光源可控性方面有明顯優勢，且高效、節能。LED的發光角度可以有多種選擇，滿足不同光線分布需求，然而其光色一致性較差，如同一批次生產的LED光源色溫偏差較大。實際應用中，需注意LED的壽命問題，應認識到在實驗室一定溫度、濕度環境下推算出來的壽命，并不代表實際安裝應用時的壽命，特別是當LED燈具安裝在室外時，其壽命將大大降低。LED的進一步研發主要集中于以下幾個方面:進一步提高LED的光效至150～200 lm/W;進一步提高LED的發光亮度和顯色指數，并改善其散熱性能;開發與 LED相關的控制與設備技術;在住宅或非住宅建筑中，開發新型LED系統以獲得較好的光分布;推動LED的商業化進程，進一步降低生產成本等。

燈具的主要功能是合理配光，滿足環境和作業要求，及防止眩光。光源與燈具組合使用所利用的光通量依賴于燈具的效率和照明系統在特定空間的利用系數，只有燈具效率高，照明系統在空間的利用系數高，才能充分利用光源發出的光。如熒光燈的燈具設計錯開重光部分，可有效提高光效。

另外，應選用與燈的光電參數相匹配的高效節能的電器附件，推廣使用功率因數高的電子鎮流器，或用節能型電感鎮流器取代老式電感鎮流器。氣體放電燈應通過電容補償，使功率因數不低于0.9。

2.3 智能照明控制系統

照明必須滿足人們在各種活動時對光線的要求。在進行照明設計時，照度、亮度、眩光值、照明功率密度限值等參數應符合建筑照明標準規定，同時應根據使用者的實際需求，設置適當的環境照明和任務照明。通過智能照明控制系統進行調光，為一個空間內用戶，創造不同的場景，適應多功能的用途，滿足使用者不同的需求與喜好。

智能照明控制系統可預先設置不同的場景模塊，在相應控制面板操作可實現適時、適地、適人、適量照明場景的調入與切換。智能照明控制系統能對大多數燈具進行智能調光，包括白熾燈、日光燈、配以特殊鎮流器的鈉燈、LED等。實現智能照明控制一般可以節約20～40% 的電能，不但降低了用戶電費支出，也減輕了供電壓力。同時，智能照明控制系統采用軟啟動的方式，能控制電網沖擊電壓和浪涌電壓，在一定程度上可延長光源壽命。總而言之，智能照明控制系統在保證舒適宜人的光環境的同時，可以顯著提高用戶的工作效率，充分展示了其在照明運行環節最大限度挖掘節能減排的潛力。

3 低碳照明設計標準

低碳強調全壽命、全過程、全系統碳排放的可量化，關注每個環節、每個對象的碳排放，因而低碳照明需關注各種照明器具的全壽命周期評價結果。所謂“全壽命周期評價”(Life Cycle Assessment)，即對產品從其設計、原料使用、生產、產品運輸、產品使用、產品廢棄到回收或最終處置過程中的能量消耗、物質消耗、污染物排放等對環境的影響程度進行全面分析評價，而得到的產品對環境影響程度的客觀結論［9］。

照明領域需專門的低碳照明設計標準，在現有照明設計標準的基礎上，增加照明器具全壽命周期的環境影響評價指標，計算出各常用照明器具在生產過程中的成本投入、資源投入，在使用過程中的能耗，以及在廢棄物處理過程中的環境污染、處理消耗等數據，得出產品對環境負面影響程度的客觀結論，為某個空間的光源燈具選用與排布方式的優劣提供評定依據。以LED燈具為例，應計算LED燈具全壽命期內，用一款燈具的單位使用價值 (比如以每百萬流明小時為計)所需支出的資源總量(包括資金投入、有色金屬消耗、電力消耗、溫室氣體排放、生產廢水處理、污染物處理等)來評價燈具選用的優劣。

4 低碳照明領域條例及政策指引

4.1 能源產品條例

低碳照明的推動，需要政府以相關能源產品條例為支撐，將最差的產品移除市場。典型的例子如中國發改委的逐步淘汰白熾燈，加快推廣節能燈的行動計劃。

4.2 經濟激勵政策

低碳照明的推動，還需要中央政府或地方政府以經濟激勵政策為指引，對于低碳照明技術新穎、低碳照明效果顯著的項目，進行財政補貼、稅收優惠政策，建議分類評定“建筑低碳照明示范工程”，“道路低碳照明示范工程”等，并進一步通過媒體、網絡、雜志、會議等形式進行宣傳，以推動整個城市低碳照明運動的開展。

4.3 低碳照明意識活動

在企業框架下，需借助企業政策的影響力，進行員工低碳照明意識運動，鼓勵用戶離開房間的時候，及時關閉不必要的照明設備，并建議企業建立完備的電能計量系統，保證實時、精確的讀數，并通過一些終端方式 (比如網絡、電視、顯示器)告知使用者他們的使用情況，以期對人們的行為產生正面的影響。

5 結語

從綠色到低碳，是城市照明科學發展的新突破，將低碳照明融入低碳城市、低碳經濟、低碳社會，共同實現真正意義的可持續發展。應該將天然采光置于首位，推廣遮陽設備與導光系統的應用，并積極研發高效照明設備與控制系統相關的技術手段，呼吁低碳照明設計標準、條例、政策的頒布，鼓勵人們的意識提升與行為轉變，以促進耗能低、碳排放少的照明產業和照明方式優先發展。

［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，建筑采光設計標準 ［S］.

［5］GB 50034—2004，建筑照明設計標準 ［S］.

［6］庾晉.充分采用天然光——綠色照明的重要通途 ［J］.光源與照明，2003，(1):8～11.

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

［8］羅濤，林若慈，王書曉.天然光導光系統分類及全年采光動態模擬 ［J］.建筑科學，2007，23(6):4～8.

［9］聶祚仁，高峰，陳文娟等.材料生命周期的評價研究［J］.材料導報，2009，23(7):1～6.