環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能數字化輔助設計

陳思達，孔德政

(河南農業(yè)大學 風景園林與藝術學院，河南 鄭州 450002)

隨著我國當前城市建設的逐漸發(fā)展，城市生態(tài)景觀照明工程逐漸在各個城市廣泛應用。但由于城市生態(tài)景觀大量采用夜景照明燈具，越來越多的光污染產生，影響人們的生活環(huán)境[1]，且生態(tài)景觀照明與管理較為落后，許多重大節(jié)日的景觀照明設施需要耗費許多人力物力，很難保障照明設施的開啟效率，導致城市生態(tài)景觀形象無法完全展現出來。因此，研究城市景觀生態(tài)照明節(jié)能方法尤為重要[2-3]。

通過現代化計算機操控等數字化輔助技術，精確實現照明設備的開啟與關閉，能夠有效降低照明設施的費用，還能夠保障照明設施的開啟效率[4]，并且能夠精準跟蹤照明設備的運行狀態(tài)，以便于故障維修，使城市形象能夠完美展現[5-6]。因此，通過數字化輔助設計實現景觀照明節(jié)能，能夠提升城市管理效益以及經濟效益，還能夠促進城市快速發(fā)展，保障城市環(huán)保理念的精準實施。許多學者針對照明節(jié)能方面進行研究，例如相關研究人員[7]研究基于日光和用戶需求的照明節(jié)能控制方法，相關研究人員[8]提出城市軌道交通全直流照明系統(tǒng)設計，但針對環(huán)保型城市全方位的生態(tài)景觀照明節(jié)能設計，依然具有較高能耗。本文依據環(huán)保型城市中需要達到的照明效果，提出環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能數字化輔助設計。通過設定照明標準以及照明功率密度值，通過數字化輔助設計環(huán)保型城市所需照明指標，并設計燈具選取指標，完成生態(tài)景觀照明節(jié)能過程。

1 生態(tài)景觀照明節(jié)能數字化輔助設計

1.1 照明標準

城市生態(tài)景觀照明的作用是實現環(huán)境優(yōu)化以及提升城市氛圍感，通過生態(tài)景觀的照明，體現城市的文明水平。因此，如何進行照明以及照明程度是環(huán)保型城市需注意的問題[9]。城市中景觀特性、景觀建筑外層涂料以及外圍光亮狀態(tài)均與生態(tài)景觀照明值存在聯系。需依據照明景觀的各種特性以及規(guī)模，設計匹配相應的照明亮度標準，實現環(huán)保節(jié)能效果。依據我國城市綠色照明工程有關規(guī)定，還需依據以下兩點規(guī)定值進行設計。

(1)確定居民室內能夠看到的光源強度以及居民建筑中的映射光源強度，不能超過表1中的限制值。通過自發(fā)光進行生態(tài)景觀照明時，自發(fā)光面平均亮度需依據表2的限制。

表1 城市住宅防控干擾光強度限制值Tab.1 Limiting value of interference light intensity for urban residential control

表2 自發(fā)光面的亮度限制值Tab.2 Brightness limit value of self luminous surface

(2)在生態(tài)景觀區(qū)域內，建筑物所選取的燈光照明工具中的射光通量與全部光通量(ULR)比值應等于0；城市中心亮度(12 cd/m2)區(qū)域為25%，該區(qū)域屬于商業(yè)區(qū)范圍；城鎮(zhèn)中等亮度(6 cd/m2)為15%；城市低亮度區(qū)為15%。

2.2 照明功率密度值

單位面積內，裝置照明設備的功率，其中涵蓋變壓器、光源等，即為照明功率密度值(Lighting Power Density，LPD)，單位為W/m2。

在1975年左右，美國國家標準協(xié)會(ANSI)制定了單位面積安裝功率相關標準。通過ASHRAE標準中的相關規(guī)定，設定了被照建筑的照明功率范圍值，使建筑照明用電能夠達到相應的節(jié)能標準[10-12]。當前我國環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能地方標準限制為3.5 W/m2。

由于環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明的表層亮度或照度和反射比以及潔凈狀態(tài)存在關聯，當環(huán)境亮度出現改變時，燈具安裝效果也有所不同，因此，通過表3所示的功率安裝標準進行設計。

表3 單位面積安裝功率限制Tab.3 Power limits per unit area

2.3 景觀照明節(jié)能數字化控制指標體系

依據以上照明標準規(guī)范，采用數字化輔助設計相應環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明原則與控制指標，使本文通過數字化輔助設計的生態(tài)景觀照明情況能夠滿足環(huán)保型城市所需標準。同時，細化設置燈具擺放種類，保障城市中的燈具均具有相應指標，并通過“點、線、面”形式進行區(qū)別控制[13-15]。

依據國家《景觀工程設計》等理論研究，設計數字化節(jié)能指標控制標準見表4。

表4 生態(tài)景觀照明節(jié)能控制體系設計Tab.4 Design of energy-saving control system for ecological landscape lighting

依據表4中的指標控制標準，設計環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能燈具的選取指標，實現生態(tài)景觀照明節(jié)能數字化[16-17]，具體設計如下。

(1)道路燈光。①道路1：太陽能高桿燈，LED燈、亮燈時間：依據城市日照情況6～12 h、連續(xù)工作陰雨5～7 d。②道路2：LED庭院燈，功率45 W、色溫3 000 K、防護等級IP55。③道路3：LED草坪燈，功率13 W、色溫3 000 K、防護等級IP65。④道路4：LED景觀燈，防護等級IP55。⑤道路5：LED燈帶，功率60 W、防護等級IP65、外殼塑料、波長585～595 nm黃白光。

(2)綠化燈光。①綠化1：投光燈，功率12 W、色溫3 000 K、防護等級IP65、光束角30°、含防眩罩。②綠化2：LED照樹燈，功率12 W、色溫3 000 K、防護等級IP65、光束角30°、含防眩罩。③綠化3：LED草坪燈，功率12 W、色溫3 000 K、防護等級IP65、光束角30°、含防眩罩。④綠化4：投光燈，功率60 W、防護等級IP35、外殼塑料、波長585～595 nm黃白光。

依據所設定控制指標中光源、動態(tài)照明、眩光等各個指標，實現環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能數字化輔助設計，并依據設計結果，提出相應改進意見：①需添加智能照明控制系統(tǒng)，針對深夜時間段的燈光亮度進行調控，或直接設定為聲控模式；②減少生態(tài)景觀周圍區(qū)域動態(tài)彩光頻閃，防止夜間動物活動時無法感應方向[18-20]。

3 實驗分析

通過仿真的形式分析應用本文方法后的節(jié)能效果。本文以河南省鄭州市某小區(qū)城市道路為例進行實驗節(jié)能效果分析。在城市道路中安裝128 W的LED燈，高度為4.5 m，燈具放置角度30°，依據現有照明設計規(guī)范，所需亮度為105 cd/m2。對比3種布燈過程的平均照度以及路面總均勻度。對3種布燈照度進行5次計算，以防止1次計算結果不夠精準，分析結果如圖1所示。

圖1 布燈方式分析Fig.1 Analysis of light distribution mode

根據圖1可知，當處于一致的布燈環(huán)境中時，交錯布置形式的路面平均照度明顯高于對稱布置，對稱布置的總均勻度高于交錯布置，中央布置的平均照度和總均勻度效果明顯好于其他兩種布置方式。所以，在設置路面景觀燈時，通過中央布置方式能夠有效提升路面平均照度和總均勻度，合理降低能耗。

分析不同場景下的能耗節(jié)約占比，分析結果如圖2所示。根據圖2可知，應用本文方法設計所布置的照明燈具具有較高的節(jié)能效果，其中白天場景下的節(jié)能效果要好于夜間場景節(jié)能效果，且均保持在30%以上。因此，本文設計的景觀照明節(jié)能效果相對較高。通過仿真設置綠化范圍燈光，分析不同布燈間距下不同燈具角度的平均照度，分析結果如圖3所示。

圖2 不同場景能耗節(jié)約占比Fig.2 Energy consumption saving ratio in different scenarios

圖3 不同燈具角度平均照度Fig.3 Average illumination from different lighting angles

根據圖3可知，不同燈具在布燈間距為50 cm時平均照度最高，說明選取50 cm間距最為節(jié)能，而燈具角度為0°時，平均照度要高于10°與20°的燈具角度，因此選取0°的燈具角度以及50 cm的布燈間距最為節(jié)能。

分析本文布燈過程中應用燈具的具體性能，分析結果見表5。

表5 燈具性能分析Tab.5 Performance analysis of lamps

根據表5可知，本文設計方法中所選取的燈具均具備抗電磁干擾性，能夠有效防止意外失效情況，且安裝過程較為簡便，不需要耗費過高人力成本，且費用消耗較低，能夠節(jié)約生態(tài)景觀布燈過程中的花費用。

據此提出以下措施：①根據燈光調控策略，實現燈光的遠程調控，根據節(jié)假日等相關信息實現不同亮燈方式；②通過季節(jié)和天氣變化，不同位置、不同時間的照明需求，制定燈光控制策略，從而大幅度減少路燈照明的電能消耗；③巡檢與派工管理。對照明設備進行巡檢，并記錄計劃管理歷史數據庫中，以供操作人員查詢。

4 結論

生態(tài)景觀照明能否實現更高的節(jié)能效果是評價環(huán)保型城市生態(tài)文明建設的一項重要指標，依據環(huán)保型城市的需求，本文研究環(huán)保型城市生態(tài)景觀照明節(jié)能數字化輔助設計。通過設計相應評價指標以及照明節(jié)能改進意見提升生態(tài)景觀照明節(jié)能效果，采用仿真實例分析形式，分析本文不同布燈方式在不同場景下的節(jié)能效果，經仿真分析后，可知本文方法能夠降低能耗。