照明节能是一项系统工程,实施综合策略才能取得良好效果。改革开放三十年以来,我国的城乡建设和照明工业已经取得飞跃发展,经济实力大大增强;与此同时,能源需求快速增长和能源供应紧张的矛盾也日益突出,照明节能逐渐受到各方面重视。
三、照明标准
照明标准的高低首先要适应视觉功效的需要,同时也要受经济水平和能源的制约。七十年代我国只有《工业企业照明设计标准》TJ 34-79,九十年代进行修订并增加了《民用建筑照明设计标准》GBJ 133-90和《城市道路照明设计标准》CJJ 45-91。进入二十一世纪以来,随着我国城市建设飞速发展的需要和经济实力的增强,新修订和补充的照明标准日趋完善,并且基本上与国际接轨。新标准的特点是照度水平大幅度提高;照明质量要求更加全面,同时增加了节能和防止光污染的内容。在建筑照明和城市道路照明标准中还把照明功率密度限值规定为强制性条款,严格执行这一规定将会引导照明设计采用高效能的灯和灯具,节约可观的电力。
表3是我国照明标准中照度水平的变迁,照度水平呈迅速上升的趋势。表4是美国历年照明标准中照度的变化,可以看到波动较大,也反映他们节能理念的变化。
照明功率密度限值是规范照明节能要求的一项强制性标准;它也是一个动态标准,随着照明科技的进步,光源和灯具效能的提高,照明功率密度也会相应地紧缩。自1975年美国空调、制冷和供暖工程师学会与北美照明学会联合提出这一标准以来(ASHRAE/IES 90-75),已在1980、1989、1999、2001、2004和2007年进行多次修订,2001年以后打算每三年修订一次。美国能源部已决定2010年12月30起将以ASHRAE/IES 90.1-2004作为新的国家能源标准替代现行的90.1-1999。表5是基于建筑类型综合计算照明功率密度(建筑面积方法)90.1-2004与90.1-1999的差别。
重视自动调光控光也是照明节能标准的一个重要趋向。仅控制照明安装功率是不够的,还应在不需要照明的时间和地点把灯自动关掉或调暗,才能达到真正节电的目的。ASHRAE/IES 90.1-2004新增了教室、会议室和职员餐厅使用人走后30分钟要自动关灯的条款。美国绿色建筑领先的环境和能源设计等级评定方法(LEED)要求照明必须达到ASHRAE/IESNA 90.1-2004的相关规定,同时若有完善的个人或成组的调光控光设施,可以加分。
四、照明形式
随着城市、建筑和室内设计理念的不断更新和照明技术的进步,照明形式也日益丰富;不过单从节能技术角度来看,室内照明形式还没有发生重大的变化和革命性的创新。二十一世纪重视照明质量的趋势使照明设计更重视工作照明与环境照明的平衡,因此,能提高垂直面照度的间接照明同有智能化控制的作业/环境照明方式结合可能是一个很好的选择。将来如果OLED和白光LED能以寻常的价格进入市场,以任意形状的面光源漫射光一般照明和LED点光源重点照明相结合可能是理想的室内节能照明形式。
调光控光技术为一个空间创造多种照明场景,展现不同的照明形式,使灯光发挥其最佳效能;可以适时、适地、适人、适量地提供灯光,从而获得可观的节能效益。智能化调光控光技术的普及应用将对照明形式的革新和照明节能产生深远影响。
城市景观照明节能的一个趋势是尽量不用大功率投光灯远程照亮建筑立面,而改用小功率投光灯近距离照射,这样可以大大减少逸散光,有利于节能和环保,对建筑细部也能有更细致的表现。
近年来LED在城市景观照明中非常盛行,特别是在中国。由于LED的成本高,大都采用点和线的表现手法,借助LED天生的彩色光,五光十色,再加上动态控制,变光、变色,飞虹流彩非常热闹。奥运会、国庆活动中运用LED作灯光表演的成功和展现的魅力更促进了这种潮流。但是照明工作者应当清醒认识到,第一、城市景观照明是展现城市文化,为市民创造休闲环境的固定设施,不是光表演。到处都营造成灯红酒绿、花花世界,形成一种浮躁的社会心态,对于观赏的人会产生视觉疲劳,对于邻近的居民则是严重的光侵扰;第二、如果图便宜使用低劣的LED 器材,时间不久就断“线”,灭“点”,损坏的面目全非,对于城市夜景观反而是破坏;第三、不能因为LED节能,就无节制的滥用。例如,用LED为建筑物穿上“媒体表皮”的照明手法,好像很“时尚”,但它是不节能的。
五、天然采光
天然光对于人类身心健康的益处众所周知,但是天然光照明的节能效益国人研究的不多。图7是德国人推算的一间照度要求500 lx的办公室开窗面积大小(占外立面面积的百分比)对完全利用天然光照明,不用开灯的时间(占办公室年利用时间的百分比)的影响及对该办公室人工照明耗电量的影响(KWh/m2)。从图上可以看到,50%的开窗面积只能有30%的时间不用开灯,窗面积增加到65%,充分利用天然光和减少照明用电方面都达到最佳值。再扩大开窗面积则会导致夏季过热,增加空调负荷,于节能不利。
我国早在70年代就颁布了《工业企业采光设计标准》,1991年进行了修订,2001年更名为《建筑采光设计标准》GB/T 50033-2001。标准中规定了对工业和民用建筑天然采光的数量和质量要求及简易采光计算方法,但是没有在建筑设计和照明设计中得到认真实施执行。主要原因是对天然光对人身心健康和节约能源的意义认识不够;没有研究开发各种控光和导光的系统产品;自动补充天然光的灯光智能化控制技术也不普及。
为了增加和调节室内天然光,实践中已经有各式各样的控光装置。德国Wiesbaden市的一组办公楼南向采用自动调节的复式遮阳板,日光强烈时遮蔽大部分日光,阴天时则把天空光反射到室内,北向采用固定式反光板(图8)遮阳板的自动调节与室内供暖和制冷系统的控制连接,保证室内有舒适的温度,并且低能耗。
图7 开窗面积与完全利用天然光照明的时数%(a)及人工照明用电量(b)的关系
另一类增加室内天然光的方法是利用管式天然光导光系统,它可以把天然光输送到不能直接受天然光的空间。按照安装方式天然光导光系统可分为屋顶安装和立面安装两类;按装置的构造形式则可分成主动式和被动式。主动式管式天然光导光系统有追踪日光的定日镜,可以把日光和天空光都引入室内,但结构复杂,成本高,不容易普及。(图9)
被动式管式天然光导光系统结构简单,进光量大,主要是引进天空光,成本低。我国奥运会中心区地下车库和北京科技大学柔道馆运用被动式导光管采光效果很好,节能成效显著。奥运会中心区地下车库安装19套直径1.2米的国产导光管,夏季白天完全可以替代人工照明,全年可节电24472度。为我国推广导光系统取得了宝贵经验。
加拿大自然科学工程研究委员会和3M公司支持的一个双功能(采光/照明合一)水平导光管研究项目用装在窗上沿的定日镜收集光线汇集到水平导光管入口,经水平导光管的反射传输到10米远的进深。导光管断面为矩形,像荧光灯灯具一样,其左右与上面的内壁贴了3M公司生产的反射比大于0.98的多层光学薄膜;顶板置两根灯管,在天然光不足时自动打开补充天然光。天然光和灯光都通过导光管下口覆盖的光学照明薄膜传到室内。实验结果表明,在有日光的晴天,室内天然光明亮均匀,在房间深处也不需要开灯。见图10 。
图8a 南向有日照时天然光的控制
b 南向在阴天时天然光的控制
c 北向在阴天时天然光的控制
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