城市照明系统多因素节能技术研究

杨春宇，梁树英，张青文

(重庆大学建筑城规学院，重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045）

0 引言

城市照明包含道路照明、隧道照明、广场照明、商业步行街照明、人行步道照明、建筑物照明、桥梁等构筑物照明、公园及水景园林绿地照明、交通信号、广告与标识照明等除室内照明外所有功能性照明与景观照明，这是一个综合的城市照明系统。我国不少城市历来将城市照明系统划分为道路照明和景观照明，人们习惯将其分开研究。近年来，随着城市夜景照明等多性质的城市照明全面开展，城市内部夜间亮度大大提高，城市夜间整体耗能增加。如何在保障城市功能照明和保持城市夜景美感的前提下节约能源，从道路照明、景观照明等城市多因素相互影响相互关联的照明系统考虑，将其作为一个综合系统进行节能研究，从城市夜间统一的光环境角度研究其相互关系和节能方案，是当前研究中被忽略的一个问题，是挖掘节能潜力的一个重要方面，也是实现低碳城市、节约能源，走可持续发展道路急需解决的一个重要问题。

笔者从整个城市室外照明系统出发，分析国内外照明节能的研究现状，同时研究道路照明与隧道出入口段符合视觉功效的照明衔接的节能方案，研究城市区域亮度划分节能和各种性质光增量关系及其对区域亮度值确定的影响，研究根据建(构）筑物饰面材料光反射性能确定照明方式，这是我国城市照明节能的一条新路径。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

1973年世界发生石油危机后，随着能源紧张加剧，世界各国对节能问题越来越重视。美国1975年就开始制定节能标准，20世纪90年代初进行推广高效照明器具节能计划的“绿色照明”，在全球引起积极响应。全球GEF通过联合国开发计划署在全球资助高效节能照明项目。欧洲许多国家都制定了照明标准，对道路照明、隧道照明及室外景观照明都有相关规定，如北美照明协会提出夜间照明的区域相关性影响，包括亮度和视亮度与环境的关系，并提出背景亮度、灯具亮度、人视感觉，视野内表面和区域之间过大的亮度差异会降低视看能力。英国除对有关道路照明、夜景照明提出了规定值外，还对环境亮度方面提出了市区中等周围亮度、中心区亮度值。美国、加拿大、德国、荷兰、日本、芬兰等还对有关照明与视觉关系做了深入研究，对夜间交通照明下视觉功能、视觉视锐度与周围视野的关系与影响、中间视觉条件下环境照明的关系等作了研究。日本制定的《隧道照明指南》、国际照明委员会(CIE）制定的《室外环境照明》、《城区照明指南》、《隧道照明国际建议》、《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，对照明标准、人视看条件和环境的关系等方面提出了建议。同时，欧盟的绿色照明计划由政府和企业共同参加，提出了高效照明水平和节能环保措施。日本1993年、1998年的《节能法》规定了照明节能的措施和方法。国外发达国家对道路照明、隧道照明(入口段、过渡段、中间段、出口段照明标准）、景观照明等都进行了深入的研究，规定了具体指标。总的来讲，国外城市照明节能研究的发展总趋势是以视觉功效为基础，从人的视觉特性出发研究与照明的关系，在满足功能需求前提下节约能源。

1.2 国内研究现状

我国1998年制定的《中华人民共和国节约能源法》，1996年制定的《中国节能技术政策大纲》、1996年“中国绿色照明工程”等推动了我国照明节能的发展，我国现行的《公路隧道通风照明设计规范》，国家2006年制定的新的《城市道路照明设计标准》、2008年制定的《城市夜景照明设计规范》以及四直辖市的地方照明标准、城市照明相关技术规范等都对照明节能设计、施工、管理等提出了具体要求。

目前国内除进一步深化规范标准外，其发展趋势主要是视觉科学与环境照明、夜间适应度及照明规划、照明设计等方面，同时研究如何在满足功能的前提下节约能源、保护环境。如重庆大学学者承担的《用中间视觉理论研究道路照明安全》、《视觉理论在公路隧道照明节能中的应用研究》、《主城区道路照明数字化研究》等5项国家自然科学基金和重庆市科技攻关计划项目《山地城镇光环境节能控制关键技术》等课题。重庆大学学者们还研究了城市区域亮度控制节能、建筑饰面材料光反射性能照明方式节能。另外，国内清华大学、复旦大学、同济大学、天津大学等学校的学者从道路、隧道、景观等方面进行了节能相关研究。

总的来讲，目前国际国内主要有三个方面的研究成果有助于节能的深入研究:一是有关道路、隧道、广场、建(构）筑物、园林绿地等功能照明与景观照明的相关规范、标准，可以用来限定人们的照明行为，向节能环保的低碳方向发展。二是对视觉科学及相关科学的研究，明暗视觉、光生物效应、中间视觉理论、司辰视觉理论、环境觉察对比、视亮度、视觉反应速度、可见度、眩光、光谱光视效率、城市大气与照明、可见光大气衰减与照明、建筑材料光反射性质与照明等方面的研究。三是照明光源、灯具及附件器具供配电、控制系统进行的研究，如光谱能量、光源光色、显色指数、均匀度、灯具配光、LED、供配电系统、控制方案等。

2 城市照明系统节能关键技术

2.1 道路照明与隧道出入口段照明节能

重庆主城区城市隧道24座、内环高速隧道8座、全市高速公路隧道150余座，里程达280公里，用于照明的电费约2亿元。隧道照明分为入口段、过渡段、中间段、出口段照明，各段对路面亮度要求不同。其主要原因是洞外亮度复杂性需要洞内亮度与之适应，以保证良好的视觉效果和符合安全要求。白天，洞外亮度L20(S）在20000 cd/m2～6000 cd/m2之间变化，而洞内入口加强段的照明要求各国并不相同。其中，日本规定车速为40～60 km/h时，隧道亮度在24～108 cd/m2之间，而我国规定车速为40～80 km/h时，隧道亮度在30～80 cd/m2。晚上，有道路照明时，道路平均照度为20/30 lx，平均亮度为1.5/2.0 cd/m2(沥青、水泥混凝土路面略有不同），隧道洞内基本段大约在4.5 cd/m2左右，照度值大约在68 lx左右。根据研究者对贵州、重庆隧道进行实测的情况来看:贵州黄果树隧道平均照度74 lx(黄果树隧道设计照度中间段为99 lx），尾纳隧道67.1 lx，孙家寨隧道79.0 lx(孙家寨隧道为99 lx）;重庆鹅岭隧道平均照度124 lx，向阳隧道为 328.6 lx，黄沙溪隧道为93.4 lx。按照折算照度、设计照度和实测照度，隧道照明分别是道路照明的2.2倍、3.3倍和10.9倍，加上隧道内的照明光反射增量，其比值将更高。这种隧道洞内外照明差别较大的情况不仅不利于行车安全，同时对能源也是一种浪费，当隧道外道路无照明时其问题更加突出。目前，关于道路照明和隧道照明的标准都已具备，但还应该对夜晚的隧道出入口段与洞外夜晚道路照明进一步深入研究。城市隧道出入口段夜间亮度应该怎样规定，应研究隧道内照明光反射增量以及入口、过渡、中间、出口段与洞外道路照明及人视觉特点的关系，确定科学的照明值，这样对节能才有实际意义。总之，这是一个值得多角度深入研究的课题。

2.2 城市区域亮度确定节能

确定城市区域亮度值是照明节能的重要方面。城市夜间光环境不能到处都亮，在功能方面如道路、桥梁、广场等应严格按照国家标准进行照明，在城市景观方面，要有暗有亮，相互衬托才显美感，不是越亮越好，要亮得适度，既达到美感又减少能耗。因此，根据城市不同区域的功能性质确定其夜间光环境亮度，是城市夜景照明的重要内容，也是节能的重要方面。我国2009年5月实施的标准规定:大城市的工业或居住区等平均亮度为5 cd/m2，城郊工业或居住区平均亮度为10 cd/m2，城市中心和商业区平均亮度为25 cd/m2。重庆市地方标准对主城区和其他区、县、城边或城乡结合部确定了不同的亮度值:规定重庆主城中心商业区最高亮度不超过25 cd/m2，城市中心一般区亮度为10 cd/m2，一般区亮度为5 cd/m2，城乡结合部亮度为2.5 cd/m2。如果随意提高亮度等级，就会浪费电能。如果都市区按亮度均值10.6 cd/m2(重庆地方标准规定的亮度均值）和功率密度值8.9 W/m2为基数进行计算，每1 cd/m2亮度，将耗能0.84 W，按人均占有建筑外立面和都市中心区25%建筑外立面进行夜景照明和其他功能照明，城市区域亮度每提高2 cd/m2，重庆市全年将增加耗电量近9125万kW·h，全国将增加的耗电量就更惊人了。但是，研究表明在城市夜景中提高1～2 cd/m2的亮度人眼是很难区分出来的。因此，提高的亮度对夜景美感不起作用，对功能照明也没有帮助，但对整个城市而言能源消耗却大大增加。同时，如果将道路照明产生的环境亮度纳入到区域亮度评价中(以前没有），还可进一步降低区域照明亮度值，节约能源。目前，关于城市区域亮度值的确定，还需要根据人视功能对亮度的敏感度进行深入研究。

2.3 建筑物饰面材料照明节能

城市夜景照明中大多数是城市建(构）筑物景观照明。不同建筑饰面材料具有不同的光反射性质，相同的照明条件对不同的材料会产生差异很大的物理亮度。因此，研究材料反射光亮度是研究照明节能的关键之一。国际照明委员会(CIE）推荐的E=Lπ/ρ传统漫反射计算公式，材料间的区别主要是由反射比ρ决定。但是，国际照明委员会(CIE）推荐的计算公式是基于材料为漫反射性质，现代建筑饰面材料发展迅速，不同品种的外墙面砖、涂料、铝塑板等已不是传统漫反射性质而是属于混合反射性质，CIE第94号出版物也认为其光反射特性需要通过实验确定。根据建筑材料的反射光特性的有关实验可知，光泽度越大的材料，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，越接近于标准黑玻璃反射面(镜面反射）的光功率分布特性。另外，从材料反射比测量得知，其整体亮度水平与反射比ρ密切相关，反射比ρ越大则整体亮度水平就大，反之则小。可见材料反射比ρ对整体亮度具有很大的影响。因此，反射比ρ是一个影响亮度值计算的重要因素。按照建筑物立面夜景照明功率密度值(LPD）的节能评价指标，当建筑物饰面材料反射比ρ为0.3～0.6时，功率密度值为8.9 W/m2;材料反射比ρ为0.6～0.8时，功率密度值为6.7 W/m2;材料反射比ρ为0.2～0.3时，功率密度值为13.3 W/m2。总的来讲，研究城市建(构）筑物景观照明的节能需要对城市常用建筑饰面材料进行实验测试，根据建筑饰面材料的光反射性质采用不同的照明方式和照明功率，才能有效节约电能。

3 小结

随着我国城市化率的不断提高，城市建设快速发展，城市夜景照明规模将进一步扩大，在能源日益紧张的今天，如何在保障城市功能照明和保持城市夜景美感的前提下节约能源，需要从道路照明、景观照明等城市多因素相互影响相互关联的照明系统考虑，将其作为一个综合系统进行节能研究。具体而言包括三个方面:对道路照明与隧道出入口段进行照明节能研究，研究隧道内照明光反射增量以及入口、过渡、中间、出口段与洞外道路照明的关系，确定科学的照明值;根据人视功能对亮度的敏感度进行深入研究，确定科学合理的城市区域亮度值，并在城市夜景照明规划中予以明确，用以指导城市夜景照明建设;通过对城市常用建筑饰面材料的实验测试，根据建筑饰面材料的光反射性质采用不同的照明方式和照明功率，并根据相关影响因素进行科学的照明计算。只有这样，才有可能在城市夜间光环境塑造中做到既满足美观要求，又达到节约能源的目标。

［1］中华人民共和国行业标准.JTJ 026.1－1999.公路隧道通风照明设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2000

［2］中华人民共和国行业标准.CJJ45－2006.城市道路照明设计标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2006

［3］中华人民共和国行业标准.JGJ/T163－2008.城市夜景照明设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008

［4］张青文，杨春宇，黄彦.沿江山地城市景观照明设计理念及方法探究［J］.重庆建筑大学学报，2007(4）:27～30

［5］重庆市标准.城市夜景照明技术规范［S］.重庆市质量技术监督局，2007

［6］杨春宇，郑文崇，陈士群.城市照明规划的区域亮度与建筑物夜景照明节能［C］.中国照明论坛——城市照明节能规划、设计与和谐发展科技研讨会专题报告文集，2009:69～75