照明技术在生态建筑中的应用

实现节能照明需要保证电子控制设备、光源及灯具的整个系统都运行良好。然而，我们不仅要考虑能源效率，还需要重点考虑的是光照需求和质量。在工作场所控制亮度对于节能很有帮助。最近几年，节能型电子控制装置和光源都有所发展。此外，全新的照明技术正在被测试中。

1）照明规划

照明规划需要考虑在整个电力系统中，从房间需要多少瓦的照明到某一点的照度和质量。照明系统的组成包括电子控制装置、光源、灯具、房间和照明目标周围的环境（图2-133）。

（1）灯具。灯具的作用是将光照导向所需的位置。通常由四个部分组成：带控制系统的框架、反射器、电灯以及灯罩。

（2）光源。照明的质量，即光的分布和颜色，很难描述（图2-134，表2-6）。日光是最完美的，应该成为调节人工照明的标准。

（3）白炽灯。长期以来，白炽灯因其良好的显色性深受欢迎。然而它有两个问题：耗能大（只有8 lm / W）以及含铅。因此，2008年10月，欧盟能源部门作了最后核准，到2012年前淘汰所有白炽灯。

图2-133　照明系统的组成

生态建筑试图减少用于照明的电力。与过去一样，将日光引入建筑再次成为考虑的重点。与此同时，需要仔细选择节能灯及反射良好的灯具。良好的照明应符合以下四个标准：数量、方向、分布和光谱

图2-134　不同光源的显色性和亮度比较

一些光源的发光量和质量是相反的。显色指数（Ra index）是对光源的显色性进行分类的一种指标。然而，有些光源的亮度很高而显色指数很低。因此，选择节能照明，例如高速公路照明中，可能会出现奇怪的色彩还原。人们长时间待的地方需要良好显色性的照明，因此应该选择显色指数超过80的光源。资料源于《室内外照明：瓦特和伏特》，马尔默能源公司

表2-6　不同光源的发光效率

注：2008年的概算值。这些数值根据实际灯具和放置情况的不同会偏高或偏低。通常每年都会公布几次新数值。需要注意的是，LED灯的光通量控制在160°到180°的扇形区域内，因此对某个表面或者物体的照明比其他光源更高效。资料源于Det nya LED-ljuset – Ett kompendium från Annell Ljus + Form公司，2009。

（4）卤素灯。将卤素加到普通灯泡里就制成了卤素灯。它们的能效更高（比白炽灯提高了一倍），同时光线更明亮。每个光源由白炽灯换为卤素灯可以降低30%的能耗，因为玻璃上有红外线涂层可以反射热量。红外线反射涂层技术（IRC）控制热量辐射使其在灯泡内部重复利用，从而降低了能量消耗。它们的使用寿命更长。欧盟将在2016年形成详细的规范。

（5）节能灯泡。节能灯泡是紧凑型荧光灯泡和其他微型荧光灯泡。灯座决定了应该选择的灯泡类型。节能灯泡含有汞，因此从环境的角度来说不是最好的选择。每个灯泡含有1—5 mg的汞，不能回收利用，最后要放到专用的垃圾存放设施处。从普通灯座的功能角度看，节能灯泡仍然是最好的替代品。新技术使调光紧凑型荧光灯泡可以拥有普通灯座适用的紧凑型设计，而且光线跟白炽灯很相似（图2-135）。紧凑型荧光灯泡能够开关数次，使用寿命很长。它们比早期的型号节能10%，可以亮16 000 h。欧盟在2013年制定了详细的规范。

（6）荧光灯管。奥拉（Aura）照明公司开发了一种名为“Eco-Saver”的新型灯管原型，声称是世界上使用寿命最长最节能的荧光灯管。它能够节约12%的能源，寿命是普通荧光灯管的3倍。通用电气公司生产的荧光灯“T5 WattMiser”比普通荧光灯管节能5%。

2）发光二极管（LED）

LED是一种与其他光源发光方式不同的小光源。发光二极管利用不到1/4 mm2大小的半导体晶片实现电致发光。半导体材料的结构决定了光的颜色。LED产生了160°—180°散射角的聚焦光束。二极管光的特性跟人们以往使用的光完全不同。它是一种光谱范围狭窄的单色光。使用LED照明相对来说是比较新的方式。直到1997年，关于高效白光LED的研发才开始活跃。考虑到颜色的稳定性和发光效率，暖白光二极管尽管不及冷色光二极管，显色指数（以100为最高指标）也已经超过了80—85。冷色光二极管的显色指数已经达到了90。普通的高效二极管大小只有几毫米，跟针头差不多大（图2-136）。为实现照明目的，二极管需要反射器或者高性能的塑料光学透镜辅助（图2-137）。需要注意的是，无遮挡的高效二极管一般极其明亮，看上去很不舒服，因此需要仔细考虑灯具的设计和放置（图2-138）。白炽灯或荧光灯朝各个方向发出光，而发光二极管发出聚焦光束，所以需要反射器或透镜来分散光线，适合LED技术的新型灯具正在研究中（图2-139）。二极管灯光在其使用寿命内的衰减不是线性的而是加速的。因此在LED完全损坏（会持续很长时间）之前就必须进行更换。当灯具发出的光少于最初使用时的70%—80%时，就需要进行更换。通常使用寿命超过50 000 h，但跟具体环境有关。在25 ℃时，发光二极管的使用寿命在20 000—40 000 h之间。

发光二极管是冷光源，发光不产生热辐射，但是跟所有电器一样，能量的输入会产生多余的热量，如果灯具散热不足，二极管的发光量将会减半且使用寿命也会大大缩短。LED使用直流电需要镇流器。可以将镇流器安装在灯具内，便于直接连接到220 V的交流电（AC）上。有些LED灯配有内置的转换器，可以直接代替白炽灯。还有些发光二极管可以代替荧光灯管。镇流器可以外置，用于一个或者多个灯具。LED灯也可以安装调光开关。高频发光二极管可用于照明。最高功率的发光二极管可以达到3.6 W，相当于35 W的卤素灯。LED灯发出的光比白炽灯更集中，所以可以测量从灯具中发出的发光总量而不用测量单个二极管的光通量。目前，即使设计得最好的灯具，实际发出的光也会比理论值少10%—20%。

图2-135　带内置镇流器的可调光型紧凑型荧光灯

资料源于Govena照明公司

图2-136　发光二极管

资料源于列夫　欣德格伦（Leif Kindgren）

图2-137　发光二极管的横截面

资料源于Det nya LED-ljuset-Ett kompendium från Annell Ljus+Form公司，2009

（1）LED灯的优点。① 效率高，耗能低，最好的LED灯目前已经跟最节能的荧光灯的能效相当，不久以后会更加节能。而且技术还在迅速提高。② LED灯是最小的光源，使小型和方便放置的灯具成为可能。③ 可以立刻达到最大亮度，适于安装调光设置。④ 对重复开关、碰撞和震动敏感。⑤ 比白炽灯和荧光灯使用寿命更长。

（2）LED灯的缺点。① 价格相对较高。② 对热很敏感，要求灯具有良好的散热性。③ 发光会随着时间而衰减，在完全损坏前就应该换掉。④ 可能会造成眩光，由于不能直视而影响视线。⑤ 暖白光的LED灯泡不如白炽灯的颜色稳定，且光效低30%。

白炽灯泡的一大优点是光质量高。LED灯提供了多种颜色的光。正在加强对LED灯的研究使其发出跟白炽灯一样高质量的光。有同时含有绿色、红色和蓝色二极管的LED灯，根据需要可以调出满意的光色（图2-140、图2-141）。

（3）控制系统。计算机总线系统可以在设备之间传递信息。每个灯具中有一个小型通信单元可以跟计算机“对话”。这种系统可以控制每一个灯泡的工作情况以及消耗了多少电，还可以控制灯泡的开关及亮度。这种系统在电子化控制所有功能方面是独一无二的。可以通过计算机的键盘控制光线。经验显示，所谓的按需照明能够将街道照明的耗电减半。控制系统也用于节能建筑。软件显示根据当前的活动水平对房间内的照明进行自动调整，系统可以控制在不需要照明的时候进入待机模式。

图2-138　不同类型的LED灯

各种装配的LED灯，可以替换白炽灯和节能灯（分别含有铅和汞）。资料源于Kloka Hem 2008 &www.varuhuset.etc.se

图2-139　LED灯支架

该种支架用于斯德哥尔摩城市博物馆内。使用该房间的员工对光的质量很满意，而且相比以前头疼的状况也减少了。资料源于拉尔斯 比隆德（Lars Bylund）——挪威卑尔根建筑学校教授

图2-140　不同光源的发射光谱和生物视觉感受器的吸收光谱

所谓的V曲线显示了眼睛的视觉敏感性，跟植物的反射光谱曲线很吻合。生物吸收曲线跟漫射日光（全阴天天空光）光谱很吻合。资料源于《人与建筑都需要阳光》，汉斯 阿维德松（Hans Arvidsson）与拉尔斯 比隆德（Lars Bylund），ÅF-基础设施公司，斯德哥尔摩

3）节能照明

（1）办公照明。由高亮度长寿命光源和反光良好的灯具组成的节能照明，加上日光和更有效的控制系统，可以在提供良好照明的同时节省电力和减少环境影响。照明从可持续发展的角度来说最重要的是减少电力消耗。节能照明往往有30%—80%的节能潜力。照明系统是一个连续系统，由变压器、电子控制设备、电灯、灯具、房间和目标物体组成，从电源插座到最终照亮，每个环节的损失都应当最小化（图2-142至图2-144）。

（2）楼梯照明。厄勒布鲁市（Örebro）住房局正在研发用于楼梯照明的LED灯具，因为市场上的灯具不符合要求。他们想要更稳定可靠的灯具，采用耗能少的二极管，可以使用几十年，提供三个级别的光：全亮、休眠和关闭。还有价格要低。

（3）街道照明。与当前技术相比，使用LED灯可以节约大量能源。它比高压钠灯的效率高60%—70%。新安装的系统所需的电缆规格更小，因为用电少，所以整个电力系统的安装更加便宜。显色指数高达80的高质量光源提供了更好的视觉感受和色彩。LED灯的寿命长达50 000 h，可以减少维护从而节约资金。低热辐射性意味着光源不需要通风，甚至能够完全封闭。它们对于太阳能电池或者风力发电机的运行来说是理想的选择。灯具需要良好的散热，这样可以延长使用寿命（图2-145）。

（4）调节。控制设备可以大幅降低照明的耗电量，而且这些控制设备已经变得越来越便宜、越来越精密。运动探测器可以在人们离开房间一段时间后自动控制关灯，或者当人们进入楼梯间时开灯（图2-146）。这可以避免不必要的开灯。运动探测器很容易安装在现有的电力系统上。该探测器可以控制自动开灯，也可连接到控制通风、采暖和空调系统上。日光传感器根据日光的亮度调整电力照明，这可以在日间照明中节约大量电力（图2-147至图2-149）。

图2-141　白色和彩色LED灯的光谱

白色LED灯的光谱令人联想到日光光谱和植物的反射光谱。这可能是考虑将白色LED灯作为高质量光源的原因。资 料 源 于LED–Ljus ur lysdioden 17，Belysningsbranschen与Ljuskultur联合出版，2008(www.xing528.com)

图2-142　荧光灯与荧光灯插座

市场上的多种节能灯。如细荧光管灯、内置镇流器的荧光灯和带独立适配器的紧凑型荧光灯

图2-143　不同光源亮度增加与灯效率的关系

图中的数字代表光源的瓦数。资料源于《室内外照明：瓦特和伏特》，马尔默能源公司

图2-144　不同照明强度的办公室

节能照明技术发展迅速。现在已经有节能光源、电子控制装置以及更好的灯具和照明设计。过去办公室的常用照明强度为45 W/m2。现在15 W/m2就可达到相同的光照条件，而当前处于原型研究阶段的新技术只需7.5 W/m2就可满足要求。资料源于2000年瀑布项目，列夫 欣德格伦（Leif Kindgren）绘制

图2-145　采用LED技术的街道照明灯具

这一类型灯具不容易积灰和积水。资料源于意大利AEC照明设备公司，瑞典经销商Tivalux公司

图2-146　运动探测器

运动探测器可以用来关闭无人房间的灯、探测到房间里的人的热量和运动。最新的探测器还可以对声音/次声作出反应，据此控制灯的开闭。用于楼梯和车库照明等可以节省75% 95%的电力

图2-147　采用阳光传感器的控制调光所节省的能源示意图

资料源于《先进的灯光指南：1993年》，美国能源部，加州能源委员会；电力科学研究院

图2-148　阳光传感器工作原理示意图

阳光传感器根据日光的亮度调节电力照明，可以在日间照明时段节约大量电力

图2-149　不同的探测、感应和控制系统节省电力的比较

资料源于彼得　珀特拉（Perter Pertola），WSP

（5）镇流器。气体放电灯，如荧光灯管，必须连接一个镇流器。镇流器有两个功能：提供必要的启动电压和将电流限制在适当的水平上。常规（磁性）和现代（电子）镇流器有明确区分，磁性镇流器有沉重的铁芯，价格便宜，但耗电量大。电子高频镇流器耗电更少，更轻便，能耗更低。应使用高频镇流器以便获得高效长寿和无闪烁的光。高频镇流器也允许亮度控制、日光控制、运动检测以及连接到不同类型的控制系统。这意味着高频镇流器可以根据需要调节光源，这是一种极好的节约用电的方式（图2-150、图2-151）。

图2-150　常规镇流器和电子高频镇流器

用电子高频镇流器代替常规镇流器能够使光效提高20%，同时提供没有噪音的无频闪光线。另外，荧光灯管启动更快速，寿命更长，而且有缺陷的荧光灯管会自动切断连接

图2-151　可调光LED灯的镇流器

资料源于飞利浦公司

小贴士2-11　新光源

照明改善的方向包括发展高能效的可提供优质光源的无汞气体放电灯，可替代高压汞灯的有等离子灯、电子束灯和微纤（纳米）灯。目前正在研制提供多种照明功能的灯具。天花板上的一条灯管可以照亮整条走廊；利用一束光纤，光源可以制造出星空般的效果；借助定向集中反射装置，提供普通照明的灯具也可以用于工作照明。

1）光管

光管是一种不透明的灯具。强烈高效的光源被导入不透明管。管道中，每个反射器使2%的光线通过，最终为房间内提供连绵不断的光照（图2-152）。

2）无汞紧凑型荧光灯泡

无汞紧凑型荧光灯泡有光明的发展前景。在瑞典，每年所有出售的荧光灯管和紧凑型荧光灯泡中共含有75 kg的汞，2/3的汞污染来源于这些灯。现在有一种无汞荧光灯管在原型阶段，跟电视显像管中的电子管原理一样。荧光灯管提供了新型的更像日光的白光。中间的荧光管设置了金属丝，金属丝由铁铝钴耐热电阻合金制成，覆盖了一层极小的纳米碳纤维。电流导入金属丝和真空玻璃管内部薄薄的锡氧化物（发光材料）导电层。电压激发出纳米纤维层的电子，刺激玻璃管内部的发光材料发光（图2-153）。

3）有机发光二极管（OLED）

有机发光二极管（OLED）是一种新型的LED灯（图2-154）。不久将会有可能用于公寓照明。目前已知的有机材料可以产生可见光光谱内的所有颜色，甚至白色。白色可以通过混合各种颜色的光在有机层中产生。利用这种混合个色光的方式，白色和彩色有机LED灯可以在关掉后完全变成透明的。

4）LED灯的发展潜力

许多机构正在研究使LED灯更便宜的技术，例如隆德大学的Qunano项目、美国的Nanosys项目，都是研究将硅酮纳米细丝应用于LED的技术。美国普度大学的研究者正在研究一种新技术，使明亮的白光LED灯生产更便宜，来取代昂贵的硅胶蓝宝石衬底。在尼雪平（Nyköping），TD照明瑞典公司正在生产一种二极管灯管。该产品看上去像是一个灯管，但其实是在玻璃里面有一排白色LED灯。使用寿命大约10 15年，耗电量不到普通灯管的一半，光线接近自然光，而且灯管不含有汞，然而，它的价格更高。Aluwave公司正在研制一种用陶瓷材料替代聚合物的电路板材料。这些发光二极管能够更好地冷却，所以使用寿命更长，可以在更长时间内保持高质量的光。

图2-152　光管

图2-153　无汞紧凑型荧光灯管

资料源于列夫 欣德格伦（Leif Kindgren）

图2-154　有机发光二极管的剖面

资料源于LED-Ljus ur lysdioden 17，Utgiven av LED-gruppen i Belysningsbranschen i samarbete med Ljuskultur