城市照明系統多因素節能技術研究

楊春宇，梁樹英，張青文

(重慶大學建筑城規學院，重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045）

0 引言

城市照明包含道路照明、隧道照明、廣場照明、商業步行街照明、人行步道照明、建筑物照明、橋梁等構筑物照明、公園及水景園林綠地照明、交通信號、廣告與標識照明等除室內照明外所有功能性照明與景觀照明，這是一個綜合的城市照明系統。我國不少城市歷來將城市照明系統劃分為道路照明和景觀照明，人們習慣將其分開研究。近年來，隨著城市夜景照明等多性質的城市照明全面開展，城市內部夜間亮度大大提高，城市夜間整體耗能增加。如何在保障城市功能照明和保持城市夜景美感的前提下節約能源，從道路照明、景觀照明等城市多因素相互影響相互關聯的照明系統考慮，將其作為一個綜合系統進行節能研究，從城市夜間統一的光環境角度研究其相互關系和節能方案，是當前研究中被忽略的一個問題，是挖掘節能潛力的一個重要方面，也是實現低碳城市、節約能源，走可持續發展道路急需解決的一個重要問題。

筆者從整個城市室外照明系統出發，分析國內外照明節能的研究現狀，同時研究道路照明與隧道出入口段符合視覺功效的照明銜接的節能方案，研究城市區域亮度劃分節能和各種性質光增量關系及其對區域亮度值確定的影響，研究根據建(構）筑物飾面材料光反射性能確定照明方式，這是我國城市照明節能的一條新路徑。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

1973年世界發生石油危機后，隨著能源緊張加劇，世界各國對節能問題越來越重視。美國1975年就開始制定節能標準，20世紀90年代初進行推廣高效照明器具節能計劃的“綠色照明”，在全球引起積極響應。全球GEF通過聯合國開發計劃署在全球資助高效節能照明項目。歐洲許多國家都制定了照明標準，對道路照明、隧道照明及室外景觀照明都有相關規定，如北美照明協會提出夜間照明的區域相關性影響，包括亮度和視亮度與環境的關系，并提出背景亮度、燈具亮度、人視感覺，視野內表面和區域之間過大的亮度差異會降低視看能力。英國除對有關道路照明、夜景照明提出了規定值外，還對環境亮度方面提出了市區中等周圍亮度、中心區亮度值。美國、加拿大、德國、荷蘭、日本、芬蘭等還對有關照明與視覺關系做了深入研究，對夜間交通照明下視覺功能、視覺視銳度與周圍視野的關系與影響、中間視覺條件下環境照明的關系等作了研究。日本制定的《隧道照明指南》、國際照明委員會(CIE）制定的《室外環境照明》、《城區照明指南》、《隧道照明國際建議》、《隧道入口段照明》、CIE 2004年的《公路隧道和地下通道照明指南》等文件，對照明標準、人視看條件和環境的關系等方面提出了建議。同時，歐盟的綠色照明計劃由政府和企業共同參加，提出了高效照明水平和節能環保措施。日本1993年、1998年的《節能法》規定了照明節能的措施和方法。國外發達國家對道路照明、隧道照明(入口段、過渡段、中間段、出口段照明標準）、景觀照明等都進行了深入的研究，規定了具體指標。總的來講，國外城市照明節能研究的發展總趨勢是以視覺功效為基礎，從人的視覺特性出發研究與照明的關系，在滿足功能需求前提下節約能源。

1.2 國內研究現狀

我國1998年制定的《中華人民共和國節約能源法》，1996年制定的《中國節能技術政策大綱》、1996年“中國綠色照明工程”等推動了我國照明節能的發展，我國現行的《公路隧道通風照明設計規范》，國家2006年制定的新的《城市道路照明設計標準》、2008年制定的《城市夜景照明設計規范》以及四直轄市的地方照明標準、城市照明相關技術規范等都對照明節能設計、施工、管理等提出了具體要求。

目前國內除進一步深化規范標準外，其發展趨勢主要是視覺科學與環境照明、夜間適應度及照明規劃、照明設計等方面，同時研究如何在滿足功能的前提下節約能源、保護環境。如重慶大學學者承擔的《用中間視覺理論研究道路照明安全》、《視覺理論在公路隧道照明節能中的應用研究》、《主城區道路照明數字化研究》等5項國家自然科學基金和重慶市科技攻關計劃項目《山地城鎮光環境節能控制關鍵技術》等課題。重慶大學學者們還研究了城市區域亮度控制節能、建筑飾面材料光反射性能照明方式節能。另外，國內清華大學、復旦大學、同濟大學、天津大學等學校的學者從道路、隧道、景觀等方面進行了節能相關研究。

總的來講，目前國際國內主要有三個方面的研究成果有助于節能的深入研究:一是有關道路、隧道、廣場、建(構）筑物、園林綠地等功能照明與景觀照明的相關規范、標準，可以用來限定人們的照明行為，向節能環保的低碳方向發展。二是對視覺科學及相關科學的研究，明暗視覺、光生物效應、中間視覺理論、司辰視覺理論、環境覺察對比、視亮度、視覺反應速度、可見度、眩光、光譜光視效率、城市大氣與照明、可見光大氣衰減與照明、建筑材料光反射性質與照明等方面的研究。三是照明光源、燈具及附件器具供配電、控制系統進行的研究，如光譜能量、光源光色、顯色指數、均勻度、燈具配光、LED、供配電系統、控制方案等。

2 城市照明系統節能關鍵技術

2.1 道路照明與隧道出入口段照明節能

重慶主城區城市隧道24座、內環高速隧道8座、全市高速公路隧道150余座，里程達280公里，用于照明的電費約2億元。隧道照明分為入口段、過渡段、中間段、出口段照明，各段對路面亮度要求不同。其主要原因是洞外亮度復雜性需要洞內亮度與之適應，以保證良好的視覺效果和符合安全要求。白天，洞外亮度L20(S）在20000 cd/m2～6000 cd/m2之間變化，而洞內入口加強段的照明要求各國并不相同。其中，日本規定車速為40～60 km/h時，隧道亮度在24～108 cd/m2之間，而我國規定車速為40～80 km/h時，隧道亮度在30～80 cd/m2。晚上，有道路照明時，道路平均照度為20/30 lx，平均亮度為1.5/2.0 cd/m2(瀝青、水泥混凝土路面略有不同），隧道洞內基本段大約在4.5 cd/m2左右，照度值大約在68 lx左右。根據研究者對貴州、重慶隧道進行實測的情況來看:貴州黃果樹隧道平均照度74 lx(黃果樹隧道設計照度中間段為99 lx），尾納隧道67.1 lx，孫家寨隧道79.0 lx(孫家寨隧道為99 lx）;重慶鵝嶺隧道平均照度124 lx，向陽隧道為 328.6 lx，黃沙溪隧道為93.4 lx。按照折算照度、設計照度和實測照度，隧道照明分別是道路照明的2.2倍、3.3倍和10.9倍，加上隧道內的照明光反射增量，其比值將更高。這種隧道洞內外照明差別較大的情況不僅不利于行車安全，同時對能源也是一種浪費，當隧道外道路無照明時其問題更加突出。目前，關于道路照明和隧道照明的標準都已具備，但還應該對夜晚的隧道出入口段與洞外夜晚道路照明進一步深入研究。城市隧道出入口段夜間亮度應該怎樣規定，應研究隧道內照明光反射增量以及入口、過渡、中間、出口段與洞外道路照明及人視覺特點的關系，確定科學的照明值，這樣對節能才有實際意義。總之，這是一個值得多角度深入研究的課題。

2.2 城市區域亮度確定節能

確定城市區域亮度值是照明節能的重要方面。城市夜間光環境不能到處都亮，在功能方面如道路、橋梁、廣場等應嚴格按照國家標準進行照明，在城市景觀方面，要有暗有亮，相互襯托才顯美感，不是越亮越好，要亮得適度，既達到美感又減少能耗。因此，根據城市不同區域的功能性質確定其夜間光環境亮度，是城市夜景照明的重要內容，也是節能的重要方面。我國2009年5月實施的標準規定:大城市的工業或居住區等平均亮度為5 cd/m2，城郊工業或居住區平均亮度為10 cd/m2，城市中心和商業區平均亮度為25 cd/m2。重慶市地方標準對主城區和其他區、縣、城邊或城鄉結合部確定了不同的亮度值:規定重慶主城中心商業區最高亮度不超過25 cd/m2，城市中心一般區亮度為10 cd/m2，一般區亮度為5 cd/m2，城鄉結合部亮度為2.5 cd/m2。如果隨意提高亮度等級，就會浪費電能。如果都市區按亮度均值10.6 cd/m2(重慶地方標準規定的亮度均值）和功率密度值8.9 W/m2為基數進行計算，每1 cd/m2亮度，將耗能0.84 W，按人均占有建筑外立面和都市中心區25%建筑外立面進行夜景照明和其他功能照明，城市區域亮度每提高2 cd/m2，重慶市全年將增加耗電量近9125萬kW·h，全國將增加的耗電量就更驚人了。但是，研究表明在城市夜景中提高1～2 cd/m2的亮度人眼是很難區分出來的。因此，提高的亮度對夜景美感不起作用，對功能照明也沒有幫助，但對整個城市而言能源消耗卻大大增加。同時，如果將道路照明產生的環境亮度納入到區域亮度評價中(以前沒有），還可進一步降低區域照明亮度值，節約能源。目前，關于城市區域亮度值的確定，還需要根據人視功能對亮度的敏感度進行深入研究。

2.3 建筑物飾面材料照明節能

城市夜景照明中大多數是城市建(構）筑物景觀照明。不同建筑飾面材料具有不同的光反射性質，相同的照明條件對不同的材料會產生差異很大的物理亮度。因此，研究材料反射光亮度是研究照明節能的關鍵之一。國際照明委員會(CIE）推薦的E=Lπ/ρ傳統漫反射計算公式，材料間的區別主要是由反射比ρ決定。但是，國際照明委員會(CIE）推薦的計算公式是基于材料為漫反射性質，現代建筑飾面材料發展迅速，不同品種的外墻面磚、涂料、鋁塑板等已不是傳統漫反射性質而是屬于混合反射性質，CIE第94號出版物也認為其光反射特性需要通過實驗確定。根據建筑材料的反射光特性的有關實驗可知，光澤度越大的材料，在混合反射中定向反射所占的比例就越大，其反射光方向上的峰值越大，越接近于標準黑玻璃反射面(鏡面反射）的光功率分布特性。另外，從材料反射比測量得知，其整體亮度水平與反射比ρ密切相關，反射比ρ越大則整體亮度水平就大，反之則小。可見材料反射比ρ對整體亮度具有很大的影響。因此，反射比ρ是一個影響亮度值計算的重要因素。按照建筑物立面夜景照明功率密度值(LPD）的節能評價指標，當建筑物飾面材料反射比ρ為0.3～0.6時，功率密度值為8.9 W/m2;材料反射比ρ為0.6～0.8時，功率密度值為6.7 W/m2;材料反射比ρ為0.2～0.3時，功率密度值為13.3 W/m2。總的來講，研究城市建(構）筑物景觀照明的節能需要對城市常用建筑飾面材料進行實驗測試，根據建筑飾面材料的光反射性質采用不同的照明方式和照明功率，才能有效節約電能。

3 小結

隨著我國城市化率的不斷提高，城市建設快速發展，城市夜景照明規模將進一步擴大，在能源日益緊張的今天，如何在保障城市功能照明和保持城市夜景美感的前提下節約能源，需要從道路照明、景觀照明等城市多因素相互影響相互關聯的照明系統考慮，將其作為一個綜合系統進行節能研究。具體而言包括三個方面:對道路照明與隧道出入口段進行照明節能研究，研究隧道內照明光反射增量以及入口、過渡、中間、出口段與洞外道路照明的關系，確定科學的照明值;根據人視功能對亮度的敏感度進行深入研究，確定科學合理的城市區域亮度值，并在城市夜景照明規劃中予以明確，用以指導城市夜景照明建設;通過對城市常用建筑飾面材料的實驗測試，根據建筑飾面材料的光反射性質采用不同的照明方式和照明功率，并根據相關影響因素進行科學的照明計算。只有這樣，才有可能在城市夜間光環境塑造中做到既滿足美觀要求，又達到節約能源的目標。

［1］中華人民共和國行業標準.JTJ 026.1－1999.公路隧道通風照明設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2000

［2］中華人民共和國行業標準.CJJ45－2006.城市道路照明設計標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2006

［3］中華人民共和國行業標準.JGJ/T163－2008.城市夜景照明設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008

［4］張青文，楊春宇，黃彥.沿江山地城市景觀照明設計理念及方法探究［J］.重慶建筑大學學報，2007(4）:27～30

［5］重慶市標準.城市夜景照明技術規范［S］.重慶市質量技術監督局，2007

［6］楊春宇，鄭文崇，陳士群.城市照明規劃的區域亮度與建筑物夜景照明節能［C］.中國照明論壇——城市照明節能規劃、設計與和諧發展科技研討會專題報告文集，2009:69～75