建筑照明节能设计与灯具选型——访北京市建筑设计研究院电气副总工程师、北京照明学会副理事长汪猛

■ 王春光

我国是世界上能源短缺的国家之一，但能源浪费却很严重，无论是照明供电系统或照明设备都存在着节能的巨大潜力。为了实现“节电能、降电耗”的目的，在建筑照明设计中以“绿色照明”理念为指导，选用节能型的照明电气产品，对构建舒适、安全的光环境，保护与提高人们工作和生活质量都将有很大的实际意义。针对建筑照明节能设计与灯具选型的相关问题，本刊记者专门采访了北京市建筑设计研究院电气副总工程师、北京照明学会副理事长汪猛先生。

科学设计 至标至精

记者：“绿色照明”是我国贯彻落实科学发展观，建设节约型社会的一项重要措施。请您谈谈“绿色照明”的概念和建筑照明在节能方面的实际意义。

汪猛： GB50034《建筑照明设计标准》中定义绿色照明是保护环境、节约能源、有益于提高人们工作和生活质量、保障身心健康的照明。

它包含了几个方面的内容：①降低在制造照明系统设备时消耗的材料。②通过优化照明设计和恰当选用照明设备，合理控制照明系统的溢散光，降低光干扰和光污染。③研发并推广使用高效光源及其电器附件，研发并推广使用高效灯具。④优化照明系统的配电设计和控制设计。⑤提高照明质量，根据不同场所和活动性质选择适当的光色、显色性、照度、均匀度、对比度和眩光控制。⑥保护视力并营造使人身心愉悦的光环境。

记者：建筑照明设计是一项系统工程，设计方案是否合理、是否真正能够达到设计标准至关重要，请您对建筑照明如何进行系统设计做一下介绍。

汪猛：应该说一个完整的建筑照明设计工程大概分成几个方面，第一是考察照明对象，第二是确定照明种类、方式和指标，第三是选择照明器具，验证设计结果，最后是供电系统的配线。实际上考察照明对象我们要考察的就是首先要确定这个场所里边的活动性质，包括视觉工作时间的长和短，视觉工作精细程度，即视觉对象的尺寸和与背景的对比，视觉工作的环境要求和视觉对象的移动速度。时间长的对眼睛的要求跟工作时间短的对眼睛的要求是不一样的，比如说在走廊里边的活动，它是需要视觉的，但是它很短暂，看所有东西的精力都是很短暂的，而且不要求很精细，这时候照度就可以比较低，如果在办公室的办公桌上要看文章或者报纸，这时一个是时间比较长，第二分辨的东西比较细致，就要求照度比较高，这个场所的活动性质决定了要采取什么样的照明系统。其次，考虑被照场所内的服务对象。一般来说老人需要较高的照度，对眩光不敏感；儿童需要提高均匀度，降低亮度比，防止眩光；病人要避免高照度和眩光。然后就是被照场所的环境特征，包括场所形状、场所内表面和场所的构造。比如说一个房间里有很多窗户，在设计照明系统的时候一定要考虑在夜间如果还要使用的话，这些窗户是不会反光的，光全部要透出去。如果窗户很小，全部都是白墙，这个时候同样夜间使用照明器具的应用量上会有很大的差别。还有它的反射、材质和颜色，都可能会对我们整个场所照明系统的设计产生一些影响。

有了活动的性质和确定的对象之后，我们就要确定采用什么样的照明种类，比如视觉工作可能采用一般照明，而装配手表这一类精细工作，可能一般照明就不行了，还需要加局部照明等。可能还会有其它的一些需求，还有根据环境特征，或者需要的氛围会考虑采用直接照明或者间接照明的不同方式。然后是根据活动性质和照明方式确定照明的控制方式。最后把这些都了解清楚了，再根据它们来确定照明系统的照明指标，包括服务对象、工作时间、视觉工作的精细程度、对象的移动速度、活动性质要求的颜色和氛围，还有眩光对人的活动产生什么影响。

第三个方面，要确定选用什么样的照明器具能够满足照明指标。在选择照明器具的时候要考虑色温、显色性、亮度、光通量、灯具尺寸或者光源尺寸以及它的寿命等。还有到底采用热辐射光源、气体放电光源还是热触发光源都需要进行考虑。例如在体育馆里边气体放电灯熄灭了之后，由于它要很长的再启动时间，但应用热触发光源之后，它可以在很短的时间再重新启动。另外根据环境的特征，照明方式和光源来选择灯具，因为一定要先确定了光源再选择灯具，灯具都是配合光源的，它的作用就是控制光源发出来的光照到需要的地方。

最后根据确定的照明控制方式选择照明器具，确定支路的数量，控制功能和它的信息显示。照明方式、灯具、光源都确定了之后就要进行验算了，就是来看看我们的设计是不是一个合适的设计。实际上过去很多照明设计当中，有很多人认为照明计算是最重要的方面，其实从近两年照明界的发展来讲，更多的体现在创意和对现场及对象的分析上面，真正的照明计算只是设计方案的一种验证，所以现在已经把照明计算放到了次要的位置，当然必须要经过验算，只有通过验算才能够确定设计是不是真正达到标准，根据验算结果再调整开始的设计方案是否合理，最后就根据全部做完的照明系统进行配电，这样就大概完成了一个照明工程的设计。

记者：那么，在建筑照明系统设计过程中哪些环节可以节能呢？

汪猛：第一个方面应该说从光源选择上要考虑节能的问题，实际上灯具是为光源服务的，一个高效的光源装在任何一个灯具里边，它可能有的时候效率会降低，但是它的本质是不会变的，因为光是从光源发出的而不是从灯具里，所以光源是重要的一个方面。

另外一个方面要考虑整个场所活动的需求。在 20世纪60年代日本出版的照明手册中提到了一个抹消实验，这个实验就是在一张纸上有数百个字母，要求在规定的时间里边把相同的字母挑出来，用笔把它抹掉，通过反复的多个人来做这种实验，可以得出一种平均数据，就是人视力的分辨能力是多少。通过在多个场所，按抹消视觉作业实验结果照不同的照度来做这个实验，从抹消视觉作业实验结果可以看出，照度低于 200 lx时分辨视觉对象的时间会明显增加，随之则是视觉疲劳的产生； 200～ 500 lx时会随照度改变呈线性变化； 500 lx以上时变化很小。所以， 200 lx通常作为连续视觉工作场所的最低照度， 500 lx通常作为连续视觉工作场所的适宜照度。

对于对比度大的和对比度小的实际上都一样，对比度大是指白纸黑字，对比度小比如说黄纸绿字，或者是不太白的纸上的黄字，这种就是分辨不太清楚的时候，但是也可以看得出来都是 200～ 500 lx的一段呈线性关系，而且这一段的变化率是最大的。实际上各国的照明标准都是根据实验制定，分析了这些功能之后得出来的。

还有就是照明控制系统，应该说本身照明控制的一个基本作用，除了一些特殊需求外，很大一部分是为了能够随时关掉不需要的灯光，就是要节约能源。当然现在的控制，尤其是有了自动控制或智能控制之后，控制体现的更深化了，比如在不需要更多光的时候可以减掉一部分，不像过去全关掉。另外，可以随着时间和需求进行调节，比如在一个会议室的控制系统可以直接监测投影仪发出来的光线，投影结束把投影仪一关，灯自动地逐渐亮起来，或者投影仪一开，灯逐渐暗下来，这些都是控制系统可以做到的事。

能耗节约 多重适求

记者：照明负荷电流在配电线路要产生电能损耗，我们如何合理地选择导体材料和导体截面以降低损耗？

汪猛：照明系统的配电设计应由具备电气设计资质的专业设计人员来完成。在设计时要根据照明负荷的容量和输送距离正确计算线路的电压损失和电能损耗。由于铜具有较高的强度和较稳定的化学性能，建议在末端配电线路以及安装在室外或者潮湿场所的线路最好采用铜芯导线；而敷设于室内的较大截面的供电干线当需要降低造价时可采用铝芯或覆铜铝芯母线和电缆。当照明工程的造价控制不是很紧时，供电干线可按照经济电流密度来选择导线的截面积，来进一步降低供电线路上的电能损耗。

记者：由于功率因数低，致使大量的无功功率增大了照明线路电流和变压器容量，也加大了电压损失，降低了照明质量。请您谈谈功率因数对节能的影响，照明负荷的功率因数补偿要求又是什么？

汪猛：目前大部分照明设备使用的是交流供电，都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递，而为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，所谓的“无功”并不是无用的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能或热能。在照明配电系统的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。不同照明负荷的补偿主要有以下几类：

1）热辐射光源自身的功率因数接近 1，原则上可以不考虑针对光源的功率因数补偿。但若在系统中设置了调光装置的话，就要考虑系统的功率因数补偿问题。

2）荧光灯、金卤灯、钠灯和汞灯都属于气体放电光源，需要配置镇流器等电器附件，其功率因数一般较低，多数需要设置功率因数补偿措施。

3）近年来荧光灯大量采用电子镇流器，已将补偿电容集成在镇流器内部，因此不必再采用单灯设置电容的方式，同时外加电容器也有可能影响电子镇流器的正常工作。

4）大功率气体放电光源通常都是用电感镇流器，建议采用单灯设置电容的就地功率因数补偿方式，可以有效降低末端线路上的无功电流。

记者：建筑照明的照度值与环境的明暗程度、建筑物的性质和特点等因素有关，如何合理确定照度标准和照明功率密度值呢？

汪猛：我国 2004年颁布执行的 GB50034《建筑照明设计标准》中规定了各类建筑主要室内场所的照度标准。在制定过程中，编制组对 40多种不同工作性质的 3 000多个室内照明场所进行了调查，并对 600多个场所进行了重点测量，掌握了大量第一手数据。同时搜集整理了相关国际标准和其他国家的照明标准，经过多次广泛征求意见和深入讨论形成了现行的标准。

若实际照度低于标准值，阅读速度明显下降，会导致视觉疲劳的现象加剧，长此以往必然会危害视力健康。若实际照度高于标准值，视觉疲劳的现象当然不会加剧，但阅读速度也不会有明显提高，只是增加了照明系统的能耗。

国标制定了包括居住、办公、商业、旅馆、医院、学校和工业等七类建筑 108种常用场所得最大允许照明功率密度值。并将其中除居住建筑以外的其余六类建筑内常用场所的LPD限值列入强制性实施条文，力求用较少的用电功率满足较高的照度标准和照明质量指标，达到节约能源、保护环境和提高照明质量的目标。

记者：然后，与节能相关的光源和灯具如何进行选择呢？

汪猛：与节能相关的光源和灯具的选择分以下几种情况：

1）热辐射电光源（白炽灯、卤钨灯等）发光效率很低，接近 85%的电能都在发光的过程中转变成热能，只有 10%左右转变成可见光，因此我国的规范中已明确规定在建筑照明设计中非必要时不应使用普通白炽灯。现在包括欧美和澳大利亚的很多发达国家已经制定了禁止销售白炽灯的时间表。

2）作为白炽灯的替代品，单端紧凑型荧光灯（也称节能灯）使用越来越广泛。这种形式的光源体积小，发光效率高（约 25%的能量转变为可见光），光线柔和，安装使用方便，由于采用电子整流器因此功率因数也较高。

3）气体放电光源中使用最广泛的是直管荧光灯。

4）金属卤化物灯光效比荧光灯更高（约 25%～ 30%的能量转变为可见光）。由于再启动时间较长，通常应用于不需要频繁开关的高照度场所，比如体育场馆、空港车站和室外广场等。

5）钠灯是光效最高的常规应用光源。但由于光源显色性不好，很少用于室内场所，它通常应用于道路照明和建筑景观照明。

6）LED作为新兴的应用光源这几年发展迅速，发光效率和显色性都有了很大改善。它的优点是体积小、控制灵活、寿命长和表面温度低，可以应用在很多有特殊要求的场所，特别是在标志灯和室外显示屏等应用方面尤其适合。

应用广泛 探索发展

记者：最近，国家商务部办公楼改造工程比较受到好评，其中采用了松下的一套系统，请您介绍一下这项工程的节能应用。

汪猛：国家商务部办公楼改造工程，它采用下开放式的高效荧光灯，因为过去的办公室里，为了降低表面亮度灯的照明基本上下边都加了格栅，但是新的松下的灯把格栅去掉了，另外光源藏的更里一些，且缩小了灯具出光口的面积。在吊顶上的设计是嵌入式的灯，都采用单管式，所以它看上去是很窄很细的一条，尽管它的表面亮度会比格栅灯略高一点，但它在视线里的发光面积小了，所以对人眼产生的眩光实际没有增加，可是它对于桌面上得到的光通量却比格栅的灯要高，这是节能的一个方面。

记者：为庆祝新中国成立 60周年，天安门地区进行了大规模的照明升级改造。作为古建筑的天安门城楼红墙泛光照明改造，它是如何保证墙面的亮度和照度，并且最大限度地降低眩光？

汪猛：天安门照明工程改造了几次，厂家也确实下了很大的工夫，因为天安门照明不仅要求给天安门照亮，同时不能让站在天安门城楼上的领导人往下看的时候产生眩光，所以这是一件很麻烦的事。而给天安门照亮本身就跟给别的其他地方照亮不一样，比如布达拉宫很容易就能给它照得很均匀，很突出，因为布达拉宫的周边是黑的，而天安门正好在北京市的中心，是北京城最亮的一个区域，前面有天安门广场，也是很亮的一个场所，所以在天安门广场比较亮的背景下，还要让天安门更亮，又不能让领导人往下看的时候产生眩光，所以照明设计师选用了一款特殊配光的灯具，从而保证了既不对城楼上的人有较强的眩光，又能保证城楼墙体被均匀照亮。既可以有效地遮挡较强烈的直射光线，又能发电。

记者：最后，请您谈谈今后建筑照明发展的趋势。

汪猛：当然现在最主要的趋势是 LED，因为这个东西发展得很快。我国是世界上能源短缺的国家之一，为了实现‘节电能、降电耗’的目的，在建筑照明设计中以‘绿色照明’的理念为指导，选用节能型的照明电气产品，对构建舒适、安全的光环境，保护与提高人们工作和生活质量都将有很大的实际意义。

记者：在现代建筑节能理念中，可再生能源（太阳光）的应用越来越受到重视，建筑设计中采光方面追求自然光的思想发展迅速。在自然采光与空间照度设计方面如何体现节能理念？

汪猛：太阳能作为这个世界最基本的能源，已经被人们越来越多的认识和应用，在应用中与建筑照明直接相关的可分为两大方面：一是建筑采光及其应用；二是光—电—光的直接转换，即太阳能光伏发电系统在照明领域的应用。

建筑采光是随着建筑设计和建筑材料应用发展的，特别是玻璃和人造膜在建筑领域的应用，使得现代建筑在自然采光应用方面是古代建筑无法比拟的。但是也应注意到在日照强烈的地区，大面积的直接采光会导致建筑物夏季制冷能耗的大幅升高，解决这个问题的一个方法是导光系统的应用；另外一个方法是将半透明的非晶硅膜（光伏电池的一种）与采光天棚结合，包括在国内有很多厂家就开始用 LED作为光源来替代常规光源。当然在室内由于造价、显色性或者光色的原因， LED的推广没那么快，但是我认为很快就会推广起来。只要能够解决这些问题，只要批量生产了，它的造价就会下降，现在造价比较高是制约 LED发展的一个因素。

另外一个趋势是导光技术。过去我们只是直接靠窗户或者天棚采光，它本身要受天气的影响，现在有了导光系统后，我甚至可以把它像灯具一样来使用。像奥林匹克公园里的地下停车库，就是在上面装一个类似于透镜的孔，然后再装上透镜，光线照射到孔里之后，通过导光系统把它导到下面作为光源来使用。它也解决了建筑节能的问题，有了导光系统窗户可以开得小些，但是通过导光补充其他部分的用光，所以，这种技术再发展下去可能会有更多的应用。

现在还有一个领域，就是人体在不同时段对照明的需求是不一样的，真正的照明系统在人长期呆的室内环境，应该根据人跟照明的契合时间段来调整照明强度和光色，来真正适合人体在环境当中的活动，这也是将来要探讨的东西，是将来的一个发展方向。