生態城市建設語境下城市照明設計探索

戴文濤， 許 彪

(深圳市市政設計研究院有限公司，深圳518029)

0 引言

春節本應是一個歡慶祥和的節日，但是隨著2020 年春節前夕新型冠狀病毒肺炎的出現，全國進入抗擊疫情的一級響應狀態中。 盡管病毒源頭尚未最終探明，但某種程度上，這次疫情的出現也是生態環境再一次對人類敲響的警鐘。

隨著人類技術能力的不斷進步，人類對生態環境的破壞也一直在持續。 直到畸形、瘟疫等環境的報復顯現威力，現代人類才開始意識到生態環境的重要性，并對人類行為進行約束。 最有可能對環境產生直接影響的工程行為首當其沖，工程具體目標是短期利益，其根本目的是創造更為美好的生活，而生態環境是我們美好生活得以持續的基本條件，是長期利益。 在工程行為中把握短期利益與長期利益的平衡，采用技術手段來獲取長期利益，是工程師要思考的首要問題。

據統計，中國城鎮人口占總人口比重近60%，157 個地級以上城市GDP 占全國GDP 比重達82%，而中國城市化進程還在持續推進中。 城市既是大部分人的美好家園，同時也是工程行為最集中、環境問題最突出的地方。 上世紀的城市建設側重于建設，注重工業化、產業化、現代化，更多關注的是城市內生需求，但忽視了城市的管理和可持續發展，沒有考慮城市外部環境與城市建設的相互影響。 進入新世紀前，人們在大城市普遍遭遇到交通擁擠和污染噪音，生態城市的概念應運而生，現代城市建設進入了高級階段。

1 環境倫理與生態城市建設總體目標

生態城市是城市發展的理想模式，包含自然、經濟和社會三重維度，三者融合發展，共同構建出環境和諧、經濟高效、可持續發展的人類聚居地。三個維度指標緊密聯系，從環境影響控制方程式(1)可見，為盡量降低環境影響，減少能源及資源損耗及污染物排放量，在維持一定人口規模及良好的GDP 增長條件下，需要盡可能地提高生態效率，即降低單位GDP 的環境影響。

式中，I 為環境影響(資源消耗或污染物排放量)；P為人口；A 為人均GDP；T 為單位GDP 環境影響。

對于生態城市，以下指標均非常重要:(1)GDP總量與人均GDP；(2)能源(資源)消耗總量與單位GDP 能源(資源)消耗；(3)污染物排放總量與單位GDP 污染物排放量；(4)廢棄物循環利用率；(5)城市空間環境平衡。

在保持環境與自然和諧、經濟良好增長的同時，實現資源消耗減量化，及廢棄排放物無害化、減量化、循環化，是生態城市的總體目標。

2 環境倫理與生態城市建設規劃設計

良好的規劃設計是實現生態城市的前提。 規劃對城市內部組成、外部環境和生態系統進行系統性分析，從空間布局、產業導向、資源配置等方面進行統籌，是最能體現節能環保宏觀控制效果的。 例如以組團式規劃盡量實現片區職住平衡、減少跨組團交通量，可以一定程度上緩解交通擁堵、降低交通能耗。 通過工程設計落實規劃意圖，每一個環節中盡量做到節能環保，降低工程在建設、運維全壽命周期的能源和物質損耗，并利用先進技術做到各類廢棄物循環利用，可實現物質減量化。 事實上，目前建筑物、基礎設施的能耗水平還相當高，科學的節能環保技術路線、評價指標和實施策略有助于在保證達到設計功能的前提下顯著降低能耗及排放水平。

城市照明是市政工程設計工作的重要內容之一，與生態城市建設息息相關，但從業人員更傾向于從工程技術或藝術景觀角度對其進行解讀，本文從生態城市的角度對城市照明節能、環保和智慧應用作深入分析。

3 城市照明節能

3.1 基本原則

顧名思義，節能即是降低能源消耗，但如果片面追求某一技術環節做到能耗最低并不科學，還需遵循以下原則:(1)節能應是在滿足系統功能要求，及安全、健康、環保、舒適等基本要求的前提下再進行考慮；(2)節能應是針對系統而言，除關鍵耗能部件外，還應考慮電源、線路、附件等綜合能耗及其他資源消耗；(3)節能應考慮系統全壽命周期，包括建設、運維及物質循環各個階段；(4)節能還應注重經濟性，與“節錢”并重，示范項目可考慮規?；瘧煤蟮某杀窘档汀?/p>

3.2 道路照明節能工程實踐中的誤區

城市照明遍布于城市每一條街道上，其總能耗約占照明能耗總量30%，相當于全國年發電量的3%～4%， 相當可觀。 因其存量巨大，技術演進相對緩慢，雖然也強調節能，但由于缺乏系統性思考，在工程實踐中還存在以下誤區。

(1)節能未以道路照明評價體系為前提

道路照明核心目的是保障交通安全，其中機動車道照明是讓駕駛員在移動過程中，通過路面反射亮度與障礙物之間的對比，及時做出反應。 通過大量目標人群在路面上的測試實驗，得出亮度分布與小尺寸目標辨識度的概率分布曲線，在安全性(跨越辨識度躍變線后達到較為穩定的高辨識度)和經濟性(較高能耗未帶來辨識度的顯著提升)之間取得平衡，再結合不同道路等級(車速、交通量和交通組成復雜程度存在變化)，最終形成了現行CJJ 45-2015 《城市道路照明設計標準》中規定的道路照明評價體系，以路面平均亮度(或路面平均照度)、路面亮度均勻度和縱向均勻度(或路面照度均勻度)、眩光限制、環境比和誘導性為評價指標。

道路照明評價體系中各項指標具有強相關性，雖然以路面平均亮度為關鍵指標，在工程實踐中以路面平均照度檢測為主(間接指標，檢測相對簡便)，但其他未達要求的指標也會對目標辨識度產生不利影響。 早年在道路照明節能工程實踐中，為大幅降低照明功率密度，不少地區出現過人為降低路面照度或者隔盞滅燈的節能措施，直接影響了路面亮度或均勻度，且實質上都未能滿足照明評價體系要求，這種節能措施是不可取的。

LED 燈具以其高光效、精準配光、靈活可控等特性成為道路照明領域革命性技術產品。 但在其推行過程中，尤其是在光效尚未大幅提升期間，也出現過在機動車道控光以降低功耗(導致環境比未滿足要求)、片面關注路面照度而忽視亮度分布(未充分進行新型光源的路面反射特性研究)等誤區。目前LED 燈具光效及配光已經有了長足進步，結合光譜分布與人體反應在不同光環境下(亮環境、暗環境、多重環境等)的基礎研究，從發光、配光、控光多個環節進一步開發技術，能夠顯著提升照明安全、舒適度與節能空間。 因此節能應從工藝需求的第一性原理出發，深入分析各項指標要求，才能做到真正有效。

(2)節能未考慮道路照明系統組件能耗

道路照明系統是以路燈為核心構成的，系統內還包括燈具電器附件(如LED 燈具的電源模塊或氣體放電燈的鎮流器)、線路、變壓器等組件，這些組件都存在一定程度的能耗。 如氣體放電燈上的普通電感型鎮流器，其功耗接近燈具功率的15%～20%(如400W 高壓鈉燈電感鎮流器功耗為66W)，與節能型電感鎮流器約8%燈具功率(如400W 高壓鈉燈節能型電感鎮流器功耗30W)相去甚遠。 LED燈具電源模塊功耗也由于技術路線和器件差異存在較大變化。 變配電系統、電纜選擇也對系統能耗產生影響。 節能設計應考慮系統主要組件能耗，在接入條件相當的市電網絡、工作環境、工作時間與工作模式下進行比選。

(3)節能未考慮道路照明系統全壽命周期成本

道路照明系統全壽命周期包括建設期、運營期和壽命終結后的回收利用。 建設期時間較短，但初次投資較高；運營期時間較長，維護成本相對建設而言較低，與照明水平、節能效果和公眾安全息息相關，卻是在工程設計階段容易被忽視的環節；而照明系統各組件的回收利用則涉及到環境成本，在后文進行詳述。

道路照明的運營維護工作主要包括燈光控制管理、光源(或燈具)更換、電器更換、路燈巡視、電源及線路檢修。 路燈開關基本上實現了集中自動控制，或者通過地理時鐘按照當地測算日落、日出時間進行控制，或者通過網絡進行實時控制。 目前產生問題較多的是城市隧道照明，普遍未納入城市燈光控制網絡，而在管理中忽視了視覺明暗適應過程，經常出現夜間照明采用白天照明模式、加強照明全部開啟，維持洞口及過渡段超高照度(數百至上千lx，而正常夜間照明僅需數十lx)的情況發生，造成極大能耗，同時也形成了“白洞”不舒適眩光。隧道照明基本模式控制經常不到位，隨洞口亮度變化的智能調光模式更無法實現。 光源(或燈具)并非到其壽命終結期才進行更換，一般是在光通維持率低于70%、路面亮度分布低于標準要求時就要更換。 傳統氣體放電燈壽命較短，鎮流器壽命較長；而LED 燈具光源模塊壽命較長，驅動模塊可能故障率較高。 路燈作為戶外用電設備遍布城市每個角落，容易被公眾接觸，而其布點分散、線路長的特征使得難以套用室內配電設備保護辦法，接地系統型式、配電開關選型、漏電動作閾值、電纜線徑及防護、接線做法等，需要在用電安全、照明可靠和經濟性之間取得平衡，目前想要兼顧并非易事，還需要引入新技術進行解決。 路燈巡視要確認路燈亮燈率、燈桿及線路狀況。

由于城市中路燈數量龐大，這些看起來較為簡單的維護工作依然要耗費巨大的人力和物力成本，而一旦維護不及時、不到位，引發的交通安全和用電安全隱患也會產生很高的社會成本。 工程設計、集成及運維在管理工作上還存在較大的節能和成本控制空間。

(4)節能不節錢

復雜系統的全壽命周期成本往往難以定量分析，而采用工程經濟方法計算系統在一定周期內初始投資與運行費用的總和相對簡便。 總費用最小者，才是真正節能的技術方案。 在LED 路燈推廣初期，燈具光效對比大功率高壓鈉燈路燈并未顯著提升，而由于每瓦LED 成本較高，在主干路及以上道路應用時節能空間有限，總體造價遠高于傳統路燈，即使計入運行維護成本，也無法平衡節能帶來的效益，故在當時并不是可取的方案，而是應實事求是從支路等小路場合應用推廣做起。 隨著支路應用規模的上升，加上政策補貼的引導，引起了LED 成本持續下降，而光效的進一步提升更加大了節能效果，為后續全面推廣LED 路燈奠定了基礎。因此新技術推廣過程中也應注重前瞻性、經濟性的平衡，做好實施時序控制。

4 城市照明環保

4.1 光環境污染

光環境是自然界最天然的環境屬性之一，在城市中隨著人工照明的興起，光環境也正遭受巨大的破壞，事實上光污染已經成為城市中一種新型的環境污染源。 但與土壤、大氣和水環境等污染不同的是，只要有意識地以技術手段改善，還有條件能夠局部恢復寧靜的自然夜空。

首先是光環境規劃控制，深圳是國內首個編制照明專項規劃的城市，明確劃出了暗區域，除天文觀測區域外，將生態控制區域也納入其中，嚴格控制上射光通；城市其他區域也有亮度分級控制。 深圳市燈光環境管理中心將樓宇夜景照明納入管理范圍，嚴格控制立面亮度。 令人痛心的是，近兩年全國范圍內興起的夜景照明工程中，出現了不少以綠化樹木甚至是自然山體為燈光載體的項目，與生態城市要求背道而馳。

其次是加強公益宣傳，如“地球一小時”熄燈活動，喚起公眾減少對人工照明的依賴和濫用，加強對光污染的警醒，更多回歸自然。

然后是技術手段，針對需要人工照明的場合開發適用燈具，嚴格控制外溢光通。 LED 精準配光的特性提供了技術可能性。 對比傳統路燈截光型和半截光型配光，LED 路燈可以輕易達到最大光強分布，滿足路面亮度分布且截止80° 以上光通的要求。 值得注意的是城市橋梁領域，立交區域采用高桿燈照明產生較多的溢出光通，會對周邊建筑產生光污染，高架橋梁采用常規燈桿也同樣會對橋下及橋外建筑造成溢出光。 針對城市橋梁開發精準配光而又不受車輛遮擋的低位照明燈具是行之有效的技術路線。

除了白晝污染外，城市照明帶來的光污染還包括彩光污染。 在夜景照明項目中要根據照明區域屬性和燈光主題，慎用或少用彩光和快節奏變幻的跑馬燈；確有需要使用的，也應對視場和時段做出嚴格控制。 道路照明應注重色溫適宜性和穩定性，在技術成熟、成本可控情況下，建議采用雙色溫燈具。

4.2 回收處理

城市照明系統的主要部件中，金屬桿件、線纜等非常便于回收，燈具、電池等部件包含有害成分，需要關注其產生的物質循環和環境成本問題。

新能源路燈曾一度作為有力的節能措施進行示范推廣，通過太陽能電池板、微風啟動風力發電機，部分或全部取代市電電源為路燈供電。 受制于地理條件，即便是成本較高的風光互補路燈，為保證在連續微風陰雨天等不利氣候條件下也能夠正常工作，仍需要配置蓄電池組。 而蓄電池既要耗費一定成本，而且以當時的電池技術條件電能循環壽命較短，約2～3 年即需更換。 從整個照明系統全壽命周期來分析，不論是以道路約20 年進行修繕或更新，還是以LED 燈具約7 年使用壽命(按70%光通維持30 000h，每年開燈時間約4 280h，LED 路燈壽命約為7 年)來計算，蓄電池的更換成本都較高，而且這些電池的處置也會產生很高的環境成本。 事實上，在市電電源容易獲取的城市道路上，新能源路燈并不具優勢，這類產品更適合于無法取得市電電源的場合，或者是新能源能夠方便接入形成智能微電網的場合。

從道路照明系統全壽命周期物質循環來看，LED 燈具的應用也還存在一定隱憂。 由于LED 燈具一體化的特性，其粘合劑多、集成度高、形狀各異且有害物質多樣化，難以采用機械方法分類分離。隨著LED 在照明應用的全面推廣，其廢棄物也將日益增多。 據外媒統計，目前在英國超過90%的熒光燈管材料已經回收使用，而LED 燈具的設計將使這一比例難以達到50%。 一段時間后LED 廢棄物的環境成本已不容忽視。 目前可采用的技術措施包括盡量統一模塊化以減少整體更換數量，采用光衰智能預控技術進一步延長使用燈具壽命。 但這些措施只能在一定程度上減緩LED 廢棄物的產生，根源性的解決方案還需要從LED 類產品設計方法和電子產品無害化回收方法入手進行深入研究。

隨著網絡經濟的不斷發展，未來五到十年后，社會消費群體將以90后、00后為主流，他們更能運用網絡技術手段滿足自己的需求，他們對實體店的依賴度會更加低。同時，他們更追求個性化，追求自我需求，不盲目跟從，傳統的營銷方法難以吸引這類人群。另外，由于網絡的全天候和全球性，加上無線互聯技術的逐步成熟，消費者可以隨時隨地傳達自己的需求信息，只有互聯網經濟能滿足消費者在碎片化時間購物的需求。

5 人工智能等新技術在城市照明中的應用前景

人工智能、大數據、云計算、物聯網、5G 等新技術快速發展，對各行各業都正在產生積極影響。 城市照明行業也不例外，采用傳統技術難以徹底解決的一些問題，在引入創新技術后正在迎來突破方向。 從生態城市的角度出發，融合綠色創新技術，更有可能開創全新的解決方案。

5.1 智慧照明系統

目前各大城市基本都實施了城市照明集中控制系統，能夠進行片區或路段回路開關燈控制，收集回路電量數據，隨著物聯網技術不斷推進，以下智慧照明場景已經在陸續實施或有可行前景。

(1)單燈控制系統

每盞路燈均設置單燈控制器，通過NB、LoRa 及PLC 等物聯網技術組建成智能照明控制系統，可實現對每一燈具的通斷和調光控制，精準把握亮燈及運行狀態，進而通過人工智能優化的場景管理模式，實現按需照明的深度節能模式。

(2)智能光衰補償技術

路燈初始光通較高，隨運行時間增加產生光衰，為維持路面亮度，設計初始燈具功率相對較高，相當于在運行初期會有近30%的不必要能耗。 根據LED 芯片運行光衰曲線，采用自適應技術調整驅動電流，使之保持恒定光通輸出，既能保證路面亮度穩定，又能減少不必要的運行能耗。

(3)智能漏電保護技術

前文中提到，道路照明電擊防護技術方案未盡如人意，其主要原因是戶外配電線路長，線纜自有泄漏電流較大，遠超保護人體的漏電動作電流30mA。 通過人工智能技術，密集分析泄漏電流變化趨勢，并與當地氣象數據(如濕度、雷電等)、電纜運行情況(絕緣電阻、過電壓等)進行比對，可以篩查出電擊特征值進行預警和定位，結合定位周邊的事件監測(如施工開挖等)進行確認并采取有效動作，是可行的解決方案。

(4)智慧配光技術

路面在不同氣象條件下對配光要求差別較大:干燥路面以漫反射為主，雨天濕路面鏡面反射較多，若采用相同配光類型，路面亮度分布變化很大，均勻度差，還會產生眩光；能見度較高情況下采用中高色溫為宜，雨霧天氣下以低色溫為宜。 現有的路燈產品配光曲線和色溫是固定不可調的，氣候適應性不佳。 在LED 芯片成本不斷下降的趨勢下，可以開發出具備多重配光曲線和可變色溫的燈具，根據運行范圍內氣象條件智能調節。

(5)未來道路照明評價體系

隨著車路協同技術和智慧基礎設施的推進，未來的道路照明評價體系可能會面臨顛覆性的變革。駕駛者對行駛視距范圍內小目標障礙物的識別，完全可以通過低照度攝像機對周邊運動物體及其光影進行智能識別分析來實現，利用車路協同系統進行實時信息推送，或者局部針對目標物進行加強照明，都可以達到即時識別障礙物做出有效反應措施的目的。 而自動駕駛的實現，在不需要人來進行判斷和操作的條件下，更是會徹底顛覆現有道路照明理論體系，相信屆時道路照明評價應是關注健康、舒適和以人為本。

5.2 智慧基礎設施構建全面感知體系

以上分析均是聚焦于智能化技術在城市照明的應用前景，實際上路燈是城市中最密集且排布規整的基礎設施，有管道、供電、網絡等基礎條件，為實施智慧照明系統還附設有物聯感知設施，進一步布設AI 攝像機、地基北斗、5G 微基站、交通監控設施等多種傳感器和通信設備，并通過物聯網連接周邊的市政設施，將構建出泛在的智慧市政基礎設施。 通過大數據、云邊計算等進行數據及服務融合，可以產生智能交通路況分析、交通擁堵智能疏導、市政管網運行偵測、結構健康監測等一系列的智慧應用，形成智慧城市的基礎平臺，最終發展至全場景AI 的格局。 智慧照明僅是其中的一個小應用，多系統復合能減少資源占用，激發更大的效益，在科學規劃實施時序、構建閉環應用場景后，將能為生態城市節能環保、可持續發展的建設目標提供更為智慧的解決方案。

6 結束語

生態城市建設著眼于人類文明的發展方向，為科學研發和工程應用給出了宏觀指引。 市政工程設計與公眾利益息息相關，更應立足于生態城市要求，全方位進行系統思考。 相關結論可以總結為以下三點。

(1)生態城市是自然-經濟-社會復合體，在力求經濟高效的同時，注重節能、環保，提高生態效率，是各行各業應始終遵循的宗旨，而規劃設計更有舉足輕重的影響。

(2)以城市照明行業為例，在每一細分行業中，以生態城市的要求重新審視，都能夠發現進一步實現節能環保的技術路線，開拓行之有效的行業應用。

(3)智慧路燈在市政基礎設施建設行業的引入，不僅可以在單獨場景中提升效率，更能將基礎設施在全壽命周期內貫穿起來，充分聯動協調，構建更為完善的智慧型生態城市。