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詹庆旋-低碳照明展望

2009年12月在哥本哈根召开的联合国气候变化框架公约缔约国会议虽然没有达成有法律效力的决议，但是会议警示我们，全球气候变化异常已经严重危及人类生存安全。由于世界各国的社会经济活动排放过量的二氧化碳，破坏了自然界的生态平衡，致使地球温度逐年升高，影响到气候变化异常。北冰洋的冰山在加速融化，海平面上升，世界各地的暴雪、干旱、水灾、飓风等自然灾害连年不断。应对这些严重的后果，我们必须立即加快行动，控制和降低碳的排放，发展低碳经济，倡导低碳生活，一个“低碳时代”已经到来。

在现代产业中，能源生产和建筑业排放的二氧化碳量最大。我国电力的80%是火力发电，每发1千瓦时（1度）电要排放约1公斤的二氧化碳。2009年我国的发电量为37146.5亿千瓦时，这意味着全年向大气排放了37亿吨的二氧化碳！建筑业从建材生产、施工建设到建成使用的整个周期所耗用的能源占社会总耗能的25%左右，而二氧化碳的排放量则接近社会总排放量的一半。照明既要耗用可观的电能（全球为总发电量的20%，中国为12%～13%），又是城市和建筑不可缺少的要素，为了适应低碳时代的低碳生活，我们必须选择“低碳照明”。

我国在1996～2005年“九五”、“十五”期间，曾先后开展了两期绿色照明项目，累计节电590亿千瓦时，建少二氧化碳排放1700万吨（碳计），二氧化硫53万吨，取得了显著的经济和环保效益。绿色照明“环保、节能、健康”的宗旨已深入人心。低碳照明是在应对全球气候变化的形势下，对绿色照明的发展和深化。它是以促进人的身心健康、提高工作效率和生活质量为目标，低排放、低污染、低能耗、省资源的照明系统和照明方式。

低碳照明的特点在于：

1.低碳照明可以提供一个能与各行各业比较环保效益的定量评判指标，一旦做到产业和生活环境各方面的碳排放计量指标标准化，就会通过“碳交易”的经济手段优胜劣汰，推动耗能低、碳排放少的照明产业和照明方式优先发展。

2.低碳照明的评估不仅要考核照明应用环节的耗电量，而且涵盖从照明器材、照明电源、全寿命使用周期以及废弃物处理等全过程的能效及二氧化碳和各种有害物的排放。例如，太阳能路灯不能认为是“零能耗”，因为制造太阳能光电板要耗用大量电能；此外，蓄电池如果维护处理不当，会对环境造成严重污染。

3.低碳照明的概念不仅考虑节约能源，还延伸到节约资源，因为资源节省的直接好处之一就是减少碳排放。省材料、寿命长、耗能少的耐用照明器材将是低碳时代的宠儿。例如，T5荧光灯管的体积只有T8灯管的1/2.7，T12灯管的1/5.8，而且光效高于后者，就省材节能而言，它是目前当之无愧的低碳照明光源。发展中的LED成熟产品还可能有更好的低碳指标。

发展低碳照明技术，有许多工作等待我们去开拓。展望低碳照明的前景，预计以下几方面的科技进步将是推动低碳照明的核心动力。

一、 白炽灯谢幕 固态照明（SSL）登场

电光源的发展经历了三个阶段：热辐射光源（白炽灯、卤钨灯）、气体放电光源（荧光灯、高压汞灯、金卤灯、高压钠灯）和半导体光源（LED、OLED）。

白炽灯使用方便，价格低廉，它温暖华丽的光色尤其受到人们的青睐，已经普及使用了一百多年。但是白炽灯光效太低，按照节能减排的要求，淘汰普通白炽灯已势在必行。许多国家制定了淘汰白炽灯的时间表，2009年9月欧盟国家已开始停售白炽灯。我国国家发改委也在2009年7月与联合国开发计划署（UNDP）、全球环境基金（GEF）签订了“中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯”的合作项目。当前紧凑型荧光灯（CFL,俗称节能灯）是替代白炽灯的最适宜光源，高光效的卤钨灯和颜色质量优良的LED灯可能是未来的选择。

新世纪兴起的发光二极管（LED）照明光源在我国室外照明领域已有广泛应用，并且正在被大力推广，LED装饰彩灯和路灯的市场占有率增长很快。国外更加专注白光LED在室内照明应用的潜力。LED是新一代固体光源，具有光效高、寿命长、比气体放电灯更环保（无汞）的前景优势，技术发展很快。但是，应用LED的固态照明（SSL）是一项发展中的新兴技术，还有许多阻碍市场接受的问题需要解决，主要是LED产品的不一致性和不确定性，没有建立统一完善的产品规格和标准以及价格过高。

新一代LED灯具和替代灯是由芯片模组、控光器件、热管理装置、驱动电源、调光电路等一系列部件组成的照明系统，每个部件的质量都会影响到照明灯具的照明效果、节能效益和使用寿命。为了精准考核SSL照明器材的真实能效，美国能源部在SSL商业产品试验项目中采用了“灯具效能luminaire efficacy”的概念，即以LED照明系统的输出总光通与其输入电功率之比（lm/W）作为衡量这一系统（灯或灯具）的能效指标，这是十分合理的。

图1 美国SSL质量保证产品标签

美国在LED的上游技术发展方面处于世界领先位置，同时也十分重视下游技术和LED的应用推广。SSL的应用推广工作由权威的能源部（DOE）统筹实施，严格控制进入市场的LED灯和灯具的质量，包括对经检测获准的产品贴“Lighting Facts”质量保证标签（图1），主持DOE固态照明商业产品试验项目（CALiPER）及LED室外照明示范等。自2006年底至2009年9月DOE已经举办9轮CALiPER随机抽样检测，累计检测来自市场或产品库的SSL样品177件。检测结果向社会公布，反映LED替代灯和各类LED灯具的实用技术水平和发展趋势。图1是2006至2009年DOE固态照明商业产品试验灯具效能检测的综合结果，可以看到LED照明产品的性能在逐年快速提高，但是同一类产品性能的差距仍然很大。2009年第9轮各类LED灯具和替代灯产品的光效能范围为17～79lm/W，平均46 lm/W，已接近“能源之星”要求的标准。

图2 SSL灯具及替代灯的效能持续增长（竖线表示最差和最好的效能范围）

我国的半导体照明工业发展迅猛，LED照明产品推广应用的声势浩大，特别在室外照明领域。从长远看，半导体固态照明肯定是低碳照明的发展方向。但是也应该清醒认识到，目前我们还缺乏LED的核心技术和专利，产业整体水平较低，LED照明的相关标准和测试体系尚未建立。LED照明是一项成长中的技术，LED照明产品在光效能、寿命、颜色质量和价格方面都能同现在普遍使用的气体放电光源及配套灯具竞争也许还要有十年左右时间。与此同时，另一种固态照明光源——有机发光二极管（OLED）也在迅速发展进步，预计2012年前后会进入市场（图3）。与发光面积极小、指向性很强的LED相反，OLED是半透明薄膜状、表面亮度低（1000～4000cd/m2）的漫射面光源，光效可达100lm/W。它轻巧、安装使用灵活性大、不产生眩光、能够大幅度降低灯具成本等优点未来在照明应用上具有很强的竞争力。

图3 GE公司生产的OLED板

第二代电光源荧光灯、金卤灯、高压钠灯及其电气附件和配套灯具是当前普遍使用的低碳照明器材，它们的性能也在不断地提升以适应节能减排与时俱进的要求。例如光效达100lm/W 以上，寿命超过40000小时的荧光灯；光效达123lm/W，显色指数92，寿命20000小时的新一代陶瓷金卤灯等。这一类电光源与固态光源优势互补，是近期低碳照明的主力光源。

二、 天然采光— 最理想的低碳照明

天然光是维系人的身心健康不可缺少的光源，也是最清洁的低碳照明光源。

天然光零能耗、零排放、零成本，而且取之不尽、用之不竭。无论是绿色建筑还是生态建筑都十分重视天然光的利用。美国的绿色建筑先锋奖（LEED）认证条例2009版规定新建筑75%以上的使用空间都要有充分的天然光，即在9月21日（秋分）上午9时至下午3时期间至少有250lx的天然光照度，并且在晴天空条件下照度不超过500lx。这就要求建筑物不仅要有适当的开窗面积，而且要对进入的天然光进行有效的控制。

我国早在20世纪70年代就颁布了《工业企业采光设计标准》，1991年进行了修订，

2001年更名为《建筑采光设计标准》GB/T 50033-2001。标准中规定了对工业和民用建筑天然采光的数量和质量要求及简易采光计算方法，但是没有在建筑设计和照明设计中得到认真实施执行。主要原因是建筑师对天然光有益人的身心健康和节约能源的意义认识不够，随意开窗了事；没有研究开发各种控光和导光的系统产品；天然光和灯光一体化智能控制技术也很落后，缺乏有效调节和控制天然光的设备和手段。

图4是德国Wiesbaden市的一组办公楼的天然光控制设备示意。其南向采用自动调节的复式遮阳板，日光强烈时遮蔽大部分日光(a)，阴天时则改变遮阳板的角度，把天空光反射到室内(b)，北向采用固定式反光板(c)增加室内深处的反射光。遮阳板的自动调节与室内供暖和制冷系统的控制连接，保证室内有舒适的温度，并且低能耗。

另一类增加室内天然光的方法是利用管式天然光导光系统，它可以把天然光输送到不能直接接受天然光的空间。按照安装位置天然光导光系统可分为屋顶安装和立面安装两类；按导光装置的构造形式则可分成主动式和被动式。主动式天然光导光系统有追踪日光的定日镜，可以把日光和天空光都引入室内，但结构复杂，成本高，不容易普及。被动式管式天然光导光系统结构简单，进光量 大，主要是引进天空光，成本低。北京奥运会中心区地下车库和北京科技大学柔道馆使用被动式导光管采光效果很好，节能效益显著。地下车库安装19套直径1.2米的国产导光管，夏季白天完全可以替代人工照明，全年可节电24472千瓦时。为我国推广导光系统取得了宝贵经验。

图4利用自动控制的遮阳板调节天然光

图5所示为加拿大的一个双功能（采光/照明合一）水平导光管研究项目。

该实验用装在窗上沿的定日镜收集光线汇集到水平导光管入口，经水平导光管的反射传输到10米远的进深。导光管断面为矩形，像荧光灯灯具一样，其内壁贴了3M公司生产的反射比大于0.98的多层光学薄膜；顶板置两根灯管，在天然光不足时自动打开补充天然光。天然光和灯光都通过导光管下口覆盖的光学透光薄膜传到室内。实验结果表明，在有日光的晴天，室内天然光明亮均匀，在房间深处也不需要开灯。见图5c 。

b a

图5 双功能水平导光管实验（a—实验室外观；b—实验室内景； c—晴天有日照时的天然光照明效果）

利用现代科技研发适用于建筑采光和节能的功能性透光材料，控光装置和导光设备，天然光自动补偿的照明系统将是低碳照明的一个重要研究方向，具有广阔的应用市场。

三、 适时、适地、适人、适量的照明——智能化的照明控制

低碳照明要求用户最大限度地节省使用灯光，也就是在需要灯光的时间和地点，按照使用人的视力和行为要求提供合适的照明。这就要有能调节的智能化照明控制。

按照使用人（个人或群组）的需求和爱好调节灯光可以使光环境更加舒适宜人，并且提高工作效率；此外，借助调光控制还可以在一个空间内创造不同的场景，适应多功能的用途。还有，智能化调光控制的最大好处是能在照明运行的环节最大限度挖掘节能减排的潜力。图6分析了不同程度的照明控制所获得的节能效益，完备的自动化调光在改善照明质量的同时，能比没有调光节省高达80%的电力。

美国绿色建筑先锋奖评判条例要求90%以上的使用人能够单独或分组调光以适应个人的需求和爱好。相比之下，我国的室内照明控制技术和设备还相当落后，目前除了部分公共空间设有声控、光控、或红外线控制的照明开关外，绝大部分的建筑照明还是手动开关。为了实施低碳照明，室内照明用的智能化调光控制技术和设备今后肯定会有很大的发展。

图6 不同调光方式的节能效果比较

我国城市照明已经普遍实现按季节变化自动开关路灯。许多城市建设了道路照明的监控中心，远程监控路灯的运行情况，部分城市还采取在交通量减少的后半夜调低电压等措施节约照明用电。由于道路照明单灯功率大，线路容量也大，特别是大功率高强气体放电灯的调光难以实现，给道路照明通过调光节能造成困难，留下了很大的技术发展空间。

四、 低碳照明的评估和设计标准

近年来我国的照明设计标准已经逐步完善，现行的主要国标、部标有：

1、《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2001

2、《建筑照明设计标准》GB 50034—2004

3、《城市道路照明设计标准》CJJ 45－2006

4、《城市夜景照明设计规范》JGJ/T 163－2008

这些新标准适应我国经济发展水平和城市建设的需要，基本与国际相关标准接轨，并且特别关注环保和节能，增加了照明功率密度限值（LPD—W/m2）和防止光污染的条款，其中照明功率密度限值规定为强制性条款。

照明功率密度限值是一个动态标准，随着照明科技进步，光源和灯具效能提高，照明功率密度值也要相应地减小，从而推动照明设计选用光效能更高的光源和灯具，达到照明节能的目的。美国空调、制冷和供暖工程师学会与北美照明学会自1975年联合在建筑节能标准（ASHRAE/IES 90-75）中提出这一照明节能概念以来，已进行过多次修订，LPD有大幅度的下降。例如，ASHRAE/IES 90.1-2004比ASHRAE/IES 90.1-1999规定的照明功率密度平均下降25%，其中旅馆照明的最大降幅达41%。

众所周知，耗电量是功率和时间的乘积（千瓦.时），仅控制照明安装功率是不够的，还应在不需要照明的时间和地点把灯自动关掉或调暗，才能达到真正节电的目的。为此，ASHRAE/IES 90.1-2004已经增了教室、会议室和职员餐厅等建筑空间在人走后30分钟要自动关灯的条款。英国建筑法规（Building Regulation—Part L) 规定，计算有自动控光的灯具效能时可以除以0.75～0.80 的控制系数，等于比没有自动控光的一般灯具效能高25%～33%。 我国未来在编制低碳照明标准时，除规定LDP外，也要考虑照明延续时间的因素。

此外，现行的照明设计标准只规定照度的下限，没有上限值，致使纠正目前大量超标过亮的状况（特别是在城市照明方面）缺少法定的依据。在制定低碳照明设计标准时是否应该考虑增加照度标准的上限？

编制低碳照明标准最重要，也是最困难的核心工作是确定照明全寿命过程的碳排放量标准，包括照明器材制造、照明的使用、照明废弃物处理以及照明运行所用的能源等。这是一项前无古人的创新工程，要结合国情做大量调查，还要学习许多照明专业人员不熟悉的知识；一旦确定了每个子项的排碳指标，低碳照明的评估就水到渠成了。

五、科学的设计与管理

低碳照明的实施既需要低碳技术和低碳产品的支持，也需要科学的设计和管理。设计是管理的依据和起点，管理是低碳照明获得实效的保证。

实现低碳照明设计要做好以下几点：

1.设计人员牢固树立低碳和环保的观念，并且结合设计项目坚持不懈地向业主宣传低碳照明的意义、策略和方法，争取业主支持。

2.争取尽早把低碳照明设计纳入建筑设计程序，优先考虑把天然采光的策划作为初步设计的组成部分。

3.详细调查视觉作业要求，通过改善可见度，把功能要求相近的作业集中，减少遮挡，增加反射光、减少吸收，以及避免眩光等措施，减少照明对电力的需求。

4.在城市景观照明规划设计中，详细调查了解当地的人文和自然资源，合理确定有价值的照明对象，避免千篇一律的普遍照明。

5.选用低碳、高效能、性价比好的照明设备。

6.尽量采用智能照明控制，减少使用照明的时间和强度。采取用户乐于接受的照明控制方式，不让用户分心并方便使用。

7.实行注册照明师制度，切实加强照明设计的业务管理。

良好的照明维护管理产生节能、环保和投资效益。为了对低碳照明进行科学管理，需要开发先进的自动化调光设备和智能化照明监控系统，也要对运行管理方法和机制进行研究，逐步建立适合我国国情的低碳照明管理体系。

六、 结语

在2009年哥本哈根的联合国气候变化大会上，我国政府郑重宣布以2005年为基数，到2020年我国的二氧化碳排放量将下降40%～45%。这一承诺引发了国人对低碳经济和低碳生活的密切关注，各行各业纷纷把这个减排目标变为自己的积极行动。建设低碳城市，打造绿色低碳建筑的热潮正在兴起，推进低碳照明势在必行。目前政府向居民补贴销售节能灯等促进照明节能减排的行动正在实施；国家发改委等六部委对我国半导体照明节能产业发展提出了指导意见，拟定了2015年LED功能性照明产品市场占有率20%，景观性照明产品占有率达到70%以上的发展目标。在国家发改委和住建部的支持下，近日“国家低碳照明研究中心”宣告成立，一项建设“低碳照明示范城市”的项目也在策划之中，相信随着国家对低碳经济和低碳技术的重视和支持，加上照明行业全体人员的共同努力，我国的低碳照明事业一定会快速成长，取得巨大的节能减排成效。

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