環保型城市生態景觀照明節能數字化輔助設計

陳思達，孔德政

(河南農業大學 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展，城市生態景觀照明工程逐漸在各個城市廣泛應用。但由于城市生態景觀大量采用夜景照明燈具，越來越多的光污染產生，影響人們的生活環境[1]，且生態景觀照明與管理較為落后，許多重大節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，導致城市生態景觀形象無法完全展現出來。因此，研究城市景觀生態照明節能方法尤為重要[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，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展，保障城市環保理念的精準實施。許多學者針對照明節能方面進行研究，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設計，但針對環保型城市全方位的生態景觀照明節能設計，依然具有較高能耗。本文依據環保型城市中需要達到的照明效果，提出環保型城市生態景觀照明節能數字化輔助設計。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保型城市所需照明指標，并設計燈具選取指標，完成生態景觀照明節能過程。

1 生態景觀照明節能數字化輔助設計

1.1 照明標準

城市生態景觀照明的作用是實現環境優化以及提升城市氛圍感，通過生態景觀的照明，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均與生態景觀照明值存在聯系。需依據照明景觀的各種特性以及規模，設計匹配相應的照明亮度標準，實現環保節能效果。依據我國城市綠色照明工程有關規定，還需依據以下兩點規定值進行設計。

(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。通過自發光進行生態景觀照明時，自發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 自發光面的亮度限制值Tab.2 Brightness limit value of self luminous surface

(2)在生態景觀區域內，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)區域為25%，該區域屬于商業區范圍；城鎮中等亮度(6 cd/m2)為15%；城市低亮度區為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能標準[10-12]。當前我國環保型城市生態景觀照明節能地方標準限制為3.5 W/m2。

由于環保型城市生態景觀照明的表層亮度或照度和反射比以及潔凈狀態存在關聯，當環境亮度出現改變時，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 景觀照明節能數字化控制指標體系

依據以上照明標準規范，采用數字化輔助設計相應環保型城市生態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景觀照明情況能夠滿足環保型城市所需標準。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，設計數字化節能指標控制標準見表4。

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

依據表4中的指標控制標準，設計環保型城市生態景觀照明節能燈具的選取指標，實現生態景觀照明節能數字化[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、動態照明、眩光等各個指標，實現環保型城市生態景觀照明節能數字化輔助設計，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，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減少生態景觀周圍區域動態彩光頻閃，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能效果。本文以河南省鄭州市某小區城市道路為例進行實驗節能效果分析。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能效果，其中白天場景下的節能效果要好于夜間場景節能效果，且均保持在30%以上。因此，本文設計的景觀照明節能效果相對較高。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，能夠節約生態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，根據節假日等相關信息實現不同亮燈方式；②通過季節和天氣變化，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

生態景觀照明能否實現更高的節能效果是評價環保型城市生態文明建設的一項重要指標，依據環保型城市的需求，本文研究環保型城市生態景觀照明節能數字化輔助設計。通過設計相應評價指標以及照明節能改進意見提升生態景觀照明節能效果，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能效果，經仿真分析后，可知本文方法能夠降低能耗。