环保型城市生态景观照明节能数字化辅助设计

陈思达，孔德政

(河南农业大学 风景园林与艺术学院，河南 郑州 450002)

随着我国当前城市建设的逐渐发展，城市生态景观照明工程逐渐在各个城市广泛应用。但由于城市生态景观大量采用夜景照明灯具，越来越多的光污染产生，影响人们的生活环境[1]，且生态景观照明与管理较为落后，许多重大节日的景观照明设施需要耗费许多人力物力，很难保障照明设施的开启效率，导致城市生态景观形象无法完全展现出来。因此，研究城市景观生态照明节能方法尤为重要[2-3]。

通过现代化计算机操控等数字化辅助技术，精确实现照明设备的开启与关闭，能够有效降低照明设施的费用，还能够保障照明设施的开启效率[4]，并且能够精准跟踪照明设备的运行状态，以便于故障维修，使城市形象能够完美展现[5-6]。因此，通过数字化辅助设计实现景观照明节能，能够提升城市管理效益以及经济效益，还能够促进城市快速发展，保障城市环保理念的精准实施。许多学者针对照明节能方面进行研究，例如相关研究人员[7]研究基于日光和用户需求的照明节能控制方法，相关研究人员[8]提出城市轨道交通全直流照明系统设计，但针对环保型城市全方位的生态景观照明节能设计，依然具有较高能耗。本文依据环保型城市中需要达到的照明效果，提出环保型城市生态景观照明节能数字化辅助设计。通过设定照明标准以及照明功率密度值，通过数字化辅助设计环保型城市所需照明指标，并设计灯具选取指标，完成生态景观照明节能过程。

1 生态景观照明节能数字化辅助设计

1.1 照明标准

城市生态景观照明的作用是实现环境优化以及提升城市氛围感，通过生态景观的照明，体现城市的文明水平。因此，如何进行照明以及照明程度是环保型城市需注意的问题[9]。城市中景观特性、景观建筑外层涂料以及外围光亮状态均与生态景观照明值存在联系。需依据照明景观的各种特性以及规模，设计匹配相应的照明亮度标准，实现环保节能效果。依据我国城市绿色照明工程有关规定，还需依据以下两点规定值进行设计。

(1)确定居民室内能够看到的光源强度以及居民建筑中的映射光源强度，不能超过表1中的限制值。通过自发光进行生态景观照明时，自发光面平均亮度需依据表2的限制。

表1 城市住宅防控干扰光强度限制值Tab.1 Limiting value of interference light intensity for urban residential control

表2 自发光面的亮度限制值Tab.2 Brightness limit value of self luminous surface

(2)在生态景观区域内，建筑物所选取的灯光照明工具中的射光通量与全部光通量(ULR)比值应等于0；城市中心亮度(12 cd/m2)区域为25%，该区域属于商业区范围；城镇中等亮度(6 cd/m2)为15%；城市低亮度区为15%。

2.2 照明功率密度值

单位面积内，装置照明设备的功率，其中涵盖变压器、光源等，即为照明功率密度值(Lighting Power Density，LPD)，单位为W/m2。

在1975年左右，美国国家标准协会(ANSI)制定了单位面积安装功率相关标准。通过ASHRAE标准中的相关规定，设定了被照建筑的照明功率范围值，使建筑照明用电能够达到相应的节能标准[10-12]。当前我国环保型城市生态景观照明节能地方标准限制为3.5 W/m2。

由于环保型城市生态景观照明的表层亮度或照度和反射比以及洁净状态存在关联，当环境亮度出现改变时，灯具安装效果也有所不同，因此，通过表3所示的功率安装标准进行设计。

表3 单位面积安装功率限制Tab.3 Power limits per unit area

2.3 景观照明节能数字化控制指标体系

依据以上照明标准规范，采用数字化辅助设计相应环保型城市生态景观照明原则与控制指标，使本文通过数字化辅助设计的生态景观照明情况能够满足环保型城市所需标准。同时，细化设置灯具摆放种类，保障城市中的灯具均具有相应指标，并通过“点、线、面”形式进行区别控制[13-15]。

依据国家《景观工程设计》等理论研究，设计数字化节能指标控制标准见表4。

表4 生态景观照明节能控制体系设计Tab.4 Design of energy-saving control system for ecological landscape lighting

依据表4中的指标控制标准，设计环保型城市生态景观照明节能灯具的选取指标，实现生态景观照明节能数字化[16-17]，具体设计如下。

(1)道路灯光。①道路1：太阳能高杆灯，LED灯、亮灯时间：依据城市日照情况6～12 h、连续工作阴雨5～7 d。②道路2：LED庭院灯，功率45 W、色温3 000 K、防护等级IP55。③道路3：LED草坪灯，功率13 W、色温3 000 K、防护等级IP65。④道路4：LED景观灯，防护等级IP55。⑤道路5：LED灯带，功率60 W、防护等级IP65、外壳塑料、波长585～595 nm黄白光。

(2)绿化灯光。①绿化1：投光灯，功率12 W、色温3 000 K、防护等级IP65、光束角30°、含防眩罩。②绿化2：LED照树灯，功率12 W、色温3 000 K、防护等级IP65、光束角30°、含防眩罩。③绿化3：LED草坪灯，功率12 W、色温3 000 K、防护等级IP65、光束角30°、含防眩罩。④绿化4：投光灯，功率60 W、防护等级IP35、外壳塑料、波长585～595 nm黄白光。

依据所设定控制指标中光源、动态照明、眩光等各个指标，实现环保型城市生态景观照明节能数字化辅助设计，并依据设计结果，提出相应改进意见：①需添加智能照明控制系统，针对深夜时间段的灯光亮度进行调控，或直接设定为声控模式；②减少生态景观周围区域动态彩光频闪，防止夜间动物活动时无法感应方向[18-20]。

3 实验分析

通过仿真的形式分析应用本文方法后的节能效果。本文以河南省郑州市某小区城市道路为例进行实验节能效果分析。在城市道路中安装128 W的LED灯，高度为4.5 m，灯具放置角度30°，依据现有照明设计规范，所需亮度为105 cd/m2。对比3种布灯过程的平均照度以及路面总均匀度。对3种布灯照度进行5次计算，以防止1次计算结果不够精准，分析结果如图1所示。

图1 布灯方式分析Fig.1 Analysis of light distribution mode

根据图1可知，当处于一致的布灯环境中时，交错布置形式的路面平均照度明显高于对称布置，对称布置的总均匀度高于交错布置，中央布置的平均照度和总均匀度效果明显好于其他两种布置方式。所以，在设置路面景观灯时，通过中央布置方式能够有效提升路面平均照度和总均匀度，合理降低能耗。

分析不同场景下的能耗节约占比，分析结果如图2所示。根据图2可知，应用本文方法设计所布置的照明灯具具有较高的节能效果，其中白天场景下的节能效果要好于夜间场景节能效果，且均保持在30%以上。因此，本文设计的景观照明节能效果相对较高。通过仿真设置绿化范围灯光，分析不同布灯间距下不同灯具角度的平均照度，分析结果如图3所示。

图2 不同场景能耗节约占比Fig.2 Energy consumption saving ratio in different scenarios

图3 不同灯具角度平均照度Fig.3 Average illumination from different lighting angles

根据图3可知，不同灯具在布灯间距为50 cm时平均照度最高，说明选取50 cm间距最为节能，而灯具角度为0°时，平均照度要高于10°与20°的灯具角度，因此选取0°的灯具角度以及50 cm的布灯间距最为节能。

分析本文布灯过程中应用灯具的具体性能，分析结果见表5。

表5 灯具性能分析Tab.5 Performance analysis of lamps

根据表5可知，本文设计方法中所选取的灯具均具备抗电磁干扰性，能够有效防止意外失效情况，且安装过程较为简便，不需要耗费过高人力成本，且费用消耗较低，能够节约生态景观布灯过程中的花费用。

据此提出以下措施：①根据灯光调控策略，实现灯光的远程调控，根据节假日等相关信息实现不同亮灯方式；②通过季节和天气变化，不同位置、不同时间的照明需求，制定灯光控制策略，从而大幅度减少路灯照明的电能消耗；③巡检与派工管理。对照明设备进行巡检，并记录计划管理历史数据库中，以供操作人员查询。

4 结论

生态景观照明能否实现更高的节能效果是评价环保型城市生态文明建设的一项重要指标，依据环保型城市的需求，本文研究环保型城市生态景观照明节能数字化辅助设计。通过设计相应评价指标以及照明节能改进意见提升生态景观照明节能效果，采用仿真实例分析形式，分析本文不同布灯方式在不同场景下的节能效果，经仿真分析后，可知本文方法能够降低能耗。