城市光环境中照明节能的研究

　　1 序言

　　伴随着国民经济的飞速发展，我们国家城市光环境中的照明行业发展非常迅速，整个照明效果也越来越丰富多彩、漂亮绚烂起来。夜间城市靓丽起来了，人们夜生活更加多姿多彩，城市百业更加兴旺发达。但是与此同时也存在了不少的问题。如“光污染”问题，照明的能耗巨大问题等。其中要解决能耗巨大问题更是重中之重。

　　城市光环境中的照明按照作用的不同可以分为功能性照明和装饰性照明;另外，按照照明用途和对象的不同还可以分为城市夜景照明、道路照明和隧道照明等种类。由于城市光环境中的照明所涉及的范围特别广泛，如公共建筑，居住建筑，道路，隧道，景观等，而且数量和功率也是相当的庞大。举一个隧道照明的例子而言，仅陕西西(安)汉(中)高速公路隧道全年照明电费就接近2300万元[1]。伴随着数量庞大照明功率的是高的照明能耗，现在照明能耗占到了国民经济总能耗的12%[2]。照明节能就是其中非常重要的组成部分。本文希望能够从更为全面的角度对照明节能进行梳理，综合出自己的方法和结论。

　　2 城市光环境中照明节能的方法

　　现在，城市光环境中的照明节能的方法有很多，现根据自己的研究进行梳理，理解并综合出如下几点：

　　2.1 采用节能型的光源和灯具

　　自从白炽灯逐步退出民用市场之后，越来越多的老百姓纷纷使用荧光灯，紧凑型荧光灯，LED灯等光源。而在道路照明、广场照明和隧道照明等领域多采用的是高压钠灯、金属卤化物灯、LED灯等光源。现在比较主推的是节能效果比较明显的第三代光源：LED光源。LED是发光二极管的简称。它是由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成的二极管。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点。由于这些优点的存在使得如今逐渐进入了一个属于LED的时代，LED广泛应用于各种城市光环境的照明场所和对象。例如：在山西平榆特长隧道照明设计中，采用了全面的LED与高压钠灯的对照，其中对照了灯具费用、电缆费用、变压器费用、6年电费、6年维护费用、总费用等多个项目，得出了虽然LED光源隧道灯在建设初期总投资高，但由于耗电少，维护量小，在使用6年之后，总体可节约505.87万元[3]的结论。节电和节能效果是非常明显的。另外，重庆市交科院在研究山区高速公路隧道节能型照明系统研究与应用中就指出，通过基于隧道照明的中间视觉理论和对目标物体反应时间的视觉功效法的研究方法，采用“道路照明反应时间测量系统”，通过对测试者的实验，得出基本段LED灯对高压钠灯的亮度对比系数，在背景亮度要求为4.5cd/m2时，LED产生0.3941cd/m2亮度效果与高压钠灯产生约1.0cd/m2亮度的照明效果是等效的[4]。也就是说仅仅在这一点上LED就节能60%。这是跟LED显色指数高密切相关的。

　　2.2 采用更好的照明设计

　　好的照明设计是照明节能的前提，它能够在充分满足使用和舒适的前提下更好地节约电能。严格按照功能性照明的需求，找到更加适合室外夜景照明和道路隧道照明的光学参数如照度、亮度、色温、显色指数等以及分布的均匀度等。从而确定灯具的分布以及个数。更好地通过研究找到更适合现今发展的国家各行各业的照明规范，寻求更安全、适用条件下的节能。

　　(1)在城市景观照明中充分贯彻“见光不见灯”的原则，减少灯具不必要的发光功率，使灯具在减小眩光的同时节约能源。在采用好的光源之余，还应当注意的是，还需要各方面配置好的灯具，也就是要有好的综合参数，如：采用透镜或者灯罩等附件使光源有更好的配光曲线，采用更加适合所适用环境的色温，采用尽可能符合参照光源(如：白炽灯)光谱分布的光源来产生更好的显色指数。在没有必要的情况下尽量减少对于天空过多的扩散光，这些光源很容易造成过多的“光污染”，使人们在使用的过程中感受到不舒适眩光，尤其是对于夜里扩散光照射到的居民的窗口和夜间的天文观测，都会造成不同程度的“光污染”。另外，“不夜城”现象会造成生态环境的破坏，如鸟类和虫类的生物钟紊乱等现象。对于夜间休息的人来说，由于褪黑激素分泌的紊乱，也会导致其他更加严重的问题出现。

　　(2)在道路和隧道工程总体设计方面，如隧道入口应采取减光措施，该项措施就可以减少L20(隧道入口处20度视角内的景物亮度)，进而可以减小入口段的照明，在符合照度标准保障交通安全和驾驶员视觉的舒适性的前提下依次可以减少内部各段的照明。统计数据表明，对于一般长隧道而言，隧道入口段和过渡段的照明用电量可以占到隧道总用电量的40%以上，对于短一些的隧道这个比例则更大。合理的选用隧道入口处的洞口材料、岩石、土壤以及绿化等的种类(如采用深色的绿化和外饰面)，可以有效地减少驾驶员视野内的L20，更好地减少入口段的照明量。选用好道路和隧道内部的材料，尤其是反射比等参数对于照明的节能也能够起到很好的作用。如在隧道照明中，采用水泥混凝土路面(反射系数高)会比沥青混凝土路面节能30%以上[1]。积极采用诱导式照明设计，尤其是没有采用照明的短隧道等情况下。

　　2.3 针对不同的工况采用不同的照明

　　针对不同的时间段，不同的对象，采用不同的照明方式、照明功率以及灯具的开关灯时间和顺序。如：

　　(1)在室外景观照明中存在着不同工况照明;出于照明艺术效果、使用人群数量、时间段等综合因素考虑。景观照明(夜景照明)通常都是按照各种时间段来开启的。首先在每天里面，18点到19点是华灯初上的时候，大多数人都在吃饭，或者刚刚吃完饭，还没有进入到晚间锻炼或者出门散步的时候，这个时候的灯具是逐步亮起的，有一部分灯具是不亮的，还没有进入全面点亮的阶段;19点～22点，这个时间段是观看夜景的主要时间段，这段时间里面的灯具全部亮开，所有的艺术效果全面展示，进入顶峰阶段;22点～24点，这个时间段要依城市的规模和“夜生活”的持续时间来定，小城市在这个阶段多数都已经进入睡眠状态了，有些大城市，一线二线的城市丰富的夜生活也才刚刚开始，这时候迎来了第二个高峰，这个时候的夜景效果在这类城市会起到促进人们消费，增强人们的安全感的效果。一般的城市在半夜24点，也就是凌晨零点之后，人们大都进入了梦乡，这个时候，很多的灯具就需要适时的关闭了，尤其是很多具有扩散光的灯具和多彩的霓虹灯。天津大学学者在研究“光侵扰”问题的时候就指出，霓虹闪烁对于夜间休息的人的光侵扰是最明显的。所以应该关掉这些灯具，而只保留一部分基本照明，保证夜间车辆和行人的基本安全感。而在这些使人更加安全、更加舒适的过程中，照明的节能也很好的完成了。另外，不仅每天有着不同的工况，而且根据每年的不同时段，还有不同的工况。如：节假日工况。这时候灯具的开启时间和开启方式都会相应的延长。还有周末工况，当然还有“视察工况”，这一点在我国同样是不可回避的。

　　(2)道路照明中，由于夜间，尤其是深夜使用人数减少，而且越是深夜路灯照明的“光污染”越严重，所以可以针对当地的该条路段的照明状况，采用随着时间和天色变化逐步减小照明功率的做法，从而减小照明的能耗。另外，更多的在道路上采用智能照明技术，在黄昏的时候尽可能地通过灯具探头的感知，而不是通过固定的时间点来开关灯。因为在不同的季节，太阳的高度角和方位角会变化，导致每一天下午道路上照度降低到不足以满足要求，或者说需要开灯的界限不同。如果按照冬季每天18点，夏季19点开灯的策略就会导致很大的照明能源消耗，当然如果当阴天而且是较为严重的阴天，则会因为照明严重不足，进而导致容易出现交通安全事故。

　　(3)隧道照明也是如此，隧道照明存在着各个不同照明段。包括：接近段，入口段，过渡段，中间段(又叫基本段)和出口段。每一段的照明的路面亮度要求是借鉴了CIE(国际照明委员会)的标准的。如：CIE公路隧道交通照明设计规范(88-2004)的规定。我们国家又做了符合我国国情的更加适合操作的一些改动，如：公路隧道照明通风设计规范(JTJ026.1-1999)及其实施细则：公路隧道照明设计细则(JTJ/T D70/2-01-2014)。对于除较短的可通视的隧道和较为特殊的隧道之外，公路隧道是全天候照明的，但是白天驾驶员在驶入隧道的过程中经历的是“暗适应”，时间会比较长;晚上驾驶员则经历是的明适应，适应时间相对比较短。虽然，规范仅仅是规定了最低值，但是很多的实际案例中，在晚上和白天的路面照度的需求值是不同的，尤其是在深夜，行驶的车辆少，相应的照明是存在着很大的节能空间的。另外，还有一类特殊的情况，在刚刚开通的公路隧道和道路上，一开始的行驶车辆是非常少的，要经历一个逐渐增多的过程。这一方面主要是因为很多的司机已经习惯了走原来的路线，另一方面也跟新的道路很多设施(包括照明设施)的不完善有关，很多的道路刚一开始都是试运行阶段，所以，夜间减少一部分照明是十分必要的。如：在平钟2号隧道照明设计的实践中，设计者按照功能将灯具分为加强灯、全日灯以及应急灯3种。应急灯在正常市网供电情况下做全日灯使用。全日灯为全日24h工作。加强灯根据洞口不同亮度分晴天、云天、阴天及重阴天4种工作状态。深夜关闭一路全日灯，照度将为原照度的一半[5]。最终节能效果也是非常显著的。

　　2.4 采用照明新技术

　　(1)采用智能控制技术，根据外部光线的强弱调整隧道照明。例如在隧道照明中，有所谓的“黑洞”效应和“白洞”效应，以及“视觉滞后”现象都是跟人眼在出入隧道的时候的暗适应和明适应密切相关的。当隧道外是晴天的时候，隧道入口段为了适应这种高亮度的隧道外状况必然需要更高的隧道内亮度。但是当隧道外是阴天的时候，这种效应是没有那么明显的，甚至当在黄昏或者夜里的时候，这种亮度的对比和过度是没有那么明显的。所以，采用智能控制技术，结合当地的主导天气状况，在隧道洞口外部设置感光的仪器设备，随时控制隧道内相关的照明，不仅减少了进出隧道的亮度对比，从而更加的安全和舒适，同样也可以起到很大的节能作用。

　　(2)采用光导照明等新技术。把日光引入到景观照明或隧道照明中来。随着人类的发展，人的视觉更多的适应了日光照明，所以在白天尽可能多地采用日光照明，不仅仅是节约能源的需要，更是出于提高安全性和舒适度的考虑。而在那些没有办法接收天然光的地方如：地下景观(如：地下车库、地下商场等)以及隧道内，可以采用开天窗、镜面反射、光导管技术、“光电效应”间接采光或者采用光导纤维技术来解决日光照明的引入问题。该类技术目前尚属于前沿性的技术，建成实际项目相对比较少。许景峰在多篇文章中指出了光导照明在隧道照明和景观照明中的应用。其通过对光导照明系统组成、类型和特点的分析，结合景观照明的特点，系统介绍了光导照明系统在建筑、广场、水景、绿化及道路等景观照明方面的应用实例，展现了其特有的优势，并指出了光导照明系统在景观照明中良好的应用前景[6]。另外其结合隧道照明的特点，还探讨了光导照明技术应用于隧道照明的可行性，提出了适宜在隧道照明中采用的光导照明技术，为光导照明技术今后在隧道照明中的应用提供了思路和依据[7]。

　　3 结论

　　综合上述的建筑光环境中照明的节能问题，得出以下四点结论：

　　(1)采用更加节能的光源和灯具，是照明节能的基本措施和坚实基础;

　　(2)采用合理的照明设计，是城市光环境照明当中的当务之急和照明人最应该做到的贡献，也是照明能够切实节能的重要一环;

　　(3)做好不同工况下的照明，也是照明节能中需要着力研究和推广应用的方面，应当在城市夜景照明和公路隧道照明方面广泛应用;

　　(4)积极采用新技术，虽然诸多的新技术尚存在不足和欠缺的地方，如：价格贵、效率低等问题，但是随着技术的进步，这些是可以更好的解决的。

　　4 展望

　　(1)照明的节能必须是在充分满足功能性和安全性的基础上进行的，所以我们的节能工作必须以此为基础。由此对于我们国家的规范也提出了更高的要求，如LED灯具普遍认为很好，但还是缺乏相关的规范。隧道照明和道路照明中的很多规范操作性和准确性还值得我们进一步的研究;

　　(2)适合我们国家国情的照明产品和设计才是最好的，要切实改变很多国外的产品和技术“水土不服”的问题。当然，随着我国研究照明节能，从事照明节能的有识之士越来越多的涌入，越来越多适合我国国情的产品和设计必将在我国的城市照明中发挥更大的力量;

　　(3)国家应当加大对于城市照明科研的投入力度和支持程度。我们国家城市光环境中照明的发展还是过于快速了，有些照明项目甚至是先上马再有图纸。很多的规范都直接借鉴、照搬照抄国外经验。这些都需要科研的付出和投入。相信随着国家对于城市光环境中照明的重视程度的加深，这些问题可以更好的解决。

　　参考文献

　　[1] 涂耘,王少飞,等.“低碳经济”背景下公路隧道照明节能策略[J]现代隧道技术,2006.10,(5):14-21.

　　[2] 韩直.基于等效亮度的公路隧道照明需求研究[J]中国交通信息产业,2007(11),24-26.

　　[3] 孙继洋,颜静仪,齐中文.LED灯在山西平榆特长隧道照明设计中的探讨[J]公路隧道,2008(4):41-46.

　　[4] 重庆市交通科学研究院.山区高速公路隧道节能性照明系统研究与应用[J]公路隧道.2008(4).

　　[5] 荣美,胡建科.LED节能照明灯在平钟2号隧道的应用[J]西部交通科技,2011(3):20-24.

　　[6] 许景峰，胡英奎，尹轶华. 光导照明系统在景观照明中的应用[J]新建筑，2014(2):135-138.

　　[7] 许景峰,翁季,胡英奎.浅探光导照明系统在隧道照明中的应用[J]灯与照明,2012(6):5-9,35.

　　[8] 国际照明委员会(CIE),公路隧道交通照明设计规范[S](88-2004).

　　[9] 中华人民共和国交通部.公路隧道照明通风设计规范[S](JTJ026.1-1999),北京.

　　[10] 中华人民共和国交通部.公路隧道照明设计细则[S](JTJ/T D70/2-01-2014),北京.