21世紀(jì)建筑采光與照明技術(shù)

　　關(guān)鍵詞：自然光 智能照明 非視覺照明

　　回眸20世紀(jì)建筑采光照明的發(fā)展，人們首先想到1879年愛迪生發(fā)明的碳絲白熾燈，使建筑照明進(jìn)入一個新的時代。隨后熒光燈、汞燈、高低壓鈉燈、金屬鹵化物燈、緊湊型熒光燈，高頻無極熒光燈、微波硫燈等新型電光源的出現(xiàn)；激光、光纖、發(fā)光二極管燈以及品種繁多的玻璃和PC透光材料在建筑采光照明中的應(yīng)用，使建筑采光照明技術(shù)得到飛速的發(fā)展。總結(jié)分析20世紀(jì)建筑采光照明的發(fā)展，概括起來主要有三個因素：

 

　　1 社會政治、經(jīng)濟(jì)和文化的發(fā)展是影響照明科技進(jìn)步的一個因素。照明和建筑受社會與文化思潮影響之深，是其他工程科學(xué)所沒有的。有人說照明界的興旺是以富裕的經(jīng)濟(jì)條件為前提和后盾的。經(jīng)濟(jì)是推動采光照明技術(shù)進(jìn)步的杠桿。

 

　　2 建筑業(yè)的發(fā)展，客觀的需要和人對光的追求是促進(jìn)采光照明科學(xué)技術(shù)發(fā)展的第二因素。

 

　　3相關(guān)自然科學(xué)和工程技術(shù)的進(jìn)步是采光照明發(fā)展的第三因素。和采光照明關(guān)系最密切的有建筑學(xué)、電工學(xué)、能源科學(xué)、美學(xué)、機械工程學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)等。特別是電學(xué)，如果沒有電，那有電燈！所以有人把照明科學(xué)視為電氣工程學(xué)的一個分支而發(fā)展起來的，并起著主導(dǎo)作用。因而人們在思考今后照明科技的發(fā)展時正期待電氣工程的進(jìn)步。

 

　　通過對社會、城市建筑、企業(yè)和人員結(jié)構(gòu)的變化作出科學(xué)的分析按采光照明適應(yīng)社會發(fā)展的原則，方能作出較科學(xué)的預(yù)測，表1是中國建筑科學(xué)院物理所肖輝乾專家在日本河本閃太郎教授所作的分析預(yù)測的基礎(chǔ)上編寫的表1 。由表1看出，新世紀(jì)的社會、城市建筑，企業(yè)和人員的變化決定著未來的采光照明技術(shù)的發(fā)展走向。

　　20世紀(jì)70年代能源危機后，能源和環(huán)境問題舉世矚目，建筑物如何充分利用天然光，節(jié)能照明用電，引起國際建筑和照明界的高度重視。自1983年以來，國際照明委員會就先后召開了四次國際建筑采光學(xué)術(shù)會議，說明國際照明委員會對建筑采光十分關(guān)注。又如英國建筑設(shè)備注冊工程師協(xié)會（CIBSE）和英國照明學(xué)會（ILE）于2000年7月9～11日聯(lián)合召開的"2000年國際照明學(xué)術(shù)會議"，大會上發(fā)表的26篇論文中，就有9 篇是建筑采光的論文。

 

　　目前國際建筑采光技術(shù)的主要動向有以于二個方面：

 

（一）天然光資源（光氣候）研究不斷深入

 

　　社會：循環(huán)型網(wǎng)絡(luò)知識經(jīng)濟(jì)體系的建立。節(jié)能和廢棄物再利用法，節(jié)能法的修改，COP－3，垃圾的處理和利用。光源的節(jié)能技術(shù)照明和用光系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)光源、照明燈具和再利用技術(shù)天然光利用技術(shù)

 

　　城市建筑：城市與建筑的現(xiàn)代化，管理的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。城市與建筑法規(guī)和管理法規(guī)的制訂與實施。城市的建筑、道路、廣場、公園、綠地和公用設(shè)施的照明技術(shù)。光污染防治技術(shù)

 

　　企業(yè)：環(huán)境風(fēng)險的增大，加強環(huán)境管理越來越引起重視。ISO14000（環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)）廢棄物處理法，環(huán)境影響評價法，有害化學(xué)物質(zhì)去向登記卡制度，環(huán)境基本法，大氣污染防治法，水質(zhì)污染防治法的制訂與實施。UV（紫外線）環(huán)境技術(shù)、UV（紫外線）凈化技術(shù)、光觸媒體利用技術(shù)、利用光處理有害物質(zhì)的技術(shù)人員

 

　　人員：人們生活方式和觀念的變化。人群結(jié)構(gòu)的變化，周平均工作時減少，休閑時間增多。出生率下降，兒童減少的社會，老人增多，高齡化社會，人員（老人、兒童、殘疾人、病人等）保險法，終身雇員法的修改。高齡人（老人）的照明技術(shù)、光環(huán)境設(shè)計技術(shù)、安全照明技術(shù)

 

　　天然光是取之不盡，用之不竭的能源。為了有效利用它，自1991年國際照明委員會牽頭組織進(jìn)行了全球天然光資源的調(diào)查和觀測，也就是CIE的IDMY計劃（InternationaL DayLight Measurement Programme）全球各地約50個光氣候觀測站（包括我國北京、重慶2個觀測站），經(jīng)過長期的觀測，積累了大量數(shù)據(jù)資料，現(xiàn)在正在分析整理，CIE的三個出版物：建筑采光（DayLighting in Architecture）、天然光在建筑中的作用（DayLight Performance of BuiLdings）和建筑物的天然光設(shè)計（DayLight Design of BuiLding）將陸續(xù)問世。這些成果為天空亮度分布模型的建立、建筑物的采光設(shè)計與計算提供了依據(jù)。

 

（二）新型采光方法和材料不斷出現(xiàn)建筑中如何有效地利用天然光

 

　　近年來國內(nèi)外建筑采光工作者提出了不少利用天然氣光的采光方法和設(shè)想，歸納起來主要有兩類：直接利用法和間接利用法。直接應(yīng)用法主要有六種：

 

　　1 使用平面反向鏡的一次反射法

 

　　用反光鏡一次將太陽光反射到室內(nèi)需要采光的地方。這種方法對提高側(cè)窗采光的均勻度具有較明顯的效果。

 

　　2 導(dǎo)光管法

 

　　用導(dǎo)光管將太陽集光器收集的光線傳送到室內(nèi)需要采光的地方，如中國建筑科學(xué)院已通過鑒定的無窗廠房和地下建筑天然采光研究成果，就是用此法進(jìn)行天然采光。

 

　　3 棱鏡組多次反射法

 

　　用一組傳光棱鏡將集光器收集的太陽光傳送到需要采光的部位。如美國加州大學(xué)的貝克利試驗室提出用于解決一座十層大樓的采光問題的方法；澳大利亞用這種方法把光送到房間10 m進(jìn)深的部位進(jìn)行照明：在英國用于解決地下和無窗建筑的采光等，都收到了比較好的采光效果。

 

　　4 光導(dǎo)纖維法

 

　　此法是采用光率的光導(dǎo)纖維將光線引到需要采光的地方。如日本陽光大樓的中庭采光，就是用這種方法，通過一組光纖把陽光引入室內(nèi)，照明中庭的綠色植物，照明效果也很好。

 

　　5 衛(wèi)星反射鏡法

 

　　用高空衛(wèi)星反射鏡把太陽光反射送到需要光線的地區(qū)。如美國計劃用一衛(wèi)星反射鏡解決整個紐約地區(qū)的夜間照明。這就是不夜城的照明計劃，實現(xiàn)此計劃有三個問題需要解決：即經(jīng)費問題，環(huán)境影響問題，衛(wèi)星軌道位置問題。

 

　　6 高空聚光法

 

　　用反光鏡把太陽光聚集在高空，形成的高亮度光源供夜間照明用。

 

　　間接應(yīng)用法主要有三種：

 

　　1 光－熱－電－光轉(zhuǎn)換法

 

　　用太陽光輻射產(chǎn)生的熱發(fā)電供照明使用，也就是用太陽光集光器將吸收的光轉(zhuǎn)化為熱能產(chǎn)生的蒸汽，用蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電，作為照明電源。

 

　　2 光電效應(yīng)法

 

　　根據(jù)光電效應(yīng)把太陽光直接變成電能供照明使用，太陽能電池就屬于這類換能器件。目前常用的硅太陽能電池，它的換能效率可達(dá)13－20 %。這種電池在航標(biāo)燈，道路照明，尤其是在無電的邊遠(yuǎn)地區(qū)、高山、沙漠和偏僻農(nóng)村使用，優(yōu)點十分突出。

 

　　3 太陽能高空發(fā)電法

 

　　把太陽能電池安裝在衛(wèi)星上，將光變?yōu)殡娔�，而后用微波方式送到地球接收天線上，地面接收站再把微波轉(zhuǎn)換為電能，供照明和其他方面使用。

　　隨著社會、經(jīng)濟(jì)和文化結(jié)構(gòu)的變化；相關(guān)學(xué)科，特別是建筑科學(xué)的進(jìn)步和人們的物質(zhì)與精神生活水平的迅速提高，加上信息時代的前進(jìn)步伐越來越快，傳統(tǒng)的工作經(jīng)濟(jì)遭到網(wǎng)絡(luò)知識經(jīng)濟(jì)的強有力的挑戰(zhàn)，人們的工作和生活追求靈活、高效和舒適。這樣人們對照明的要求越來越高，傳統(tǒng)的建筑照明受到了時代的強烈沖擊。在世紀(jì)之交的今天，思考建筑照明的發(fā)展趨勢，迎接時代的挑戰(zhàn)，把我國建筑照明推向一個新的臺階。

 

（一）照明節(jié)能，保護(hù)環(huán)境乃是21世紀(jì)的主要任務(wù)

 

　　國際照明委員會（CIE）照明發(fā)展委員會主席、捷克V·Dvoracek先生曾預(yù)測，從1990到2000年人的年平均耗電量逐年上升，而照明耗電總能耗的比例將由1990年的12 %下降到2000年的10 %，同時耗電量大的低光效白熾燈用量逐年減少，發(fā)光效率高的熒光燈和高強度氣體放電燈的用量將不斷增多。

 

　　照明節(jié)電，可減少因火力發(fā)電所產(chǎn)生的污染環(huán)境的物質(zhì)。當(dāng)今節(jié)能和保護(hù)環(huán)境已成為世界各地普遍關(guān)注的社會問題，并直接關(guān)系到社會的持續(xù)發(fā)展。從20世紀(jì)70年代后，人們在照明節(jié)能方面已作了很大努力，特別是20世紀(jì)90年代美國率先實施綠色照明計劃，包括中國在內(nèi)的許多國家也相繼實施了這一計劃，所取得的成績令世人注目。

 

　　為了珍惜利用地球有限的能源資源，保護(hù)環(huán)境，造福后人，照明節(jié)能工作不能停頓。我國綠色照明工程辦公室正在啟動第一次"綠色照明"項目，進(jìn)一步從照明產(chǎn)品、照明設(shè)計、照明管理、天然光利用等方面挖掘照明節(jié)能潛力，以節(jié)約能源，保護(hù)人們的生存環(huán)境。

 

（二）防治照明的光污染成為21世紀(jì)照明的主要課題

 

　　隨著玻璃幕墻建筑的大量出現(xiàn)和大功率氣體放電燈在城市照明中的應(yīng)用，玻璃幕墻反射刺眼的陽光和城市泛光照明、霓虹燈、廣告照明等產(chǎn)生的溢散光和歌舞廳的彩色閃光燈所形成的光污染（也稱光干擾、光害），對人、環(huán)境和天文觀察造成了嚴(yán)重的危害，成為21世紀(jì)照明界有待研究解決的重要課題。自20世紀(jì)80年代以來，國際照明委員會及各國政府和有關(guān)學(xué)術(shù)團(tuán)體對光污染問題十分重視，先后公布了一系列技術(shù)文件、標(biāo)準(zhǔn)和法令，控制光污染，以求盡快解決這個問題。

 

　　我國已公布了限制玻璃幕墻建筑的光污染標(biāo)準(zhǔn)，但在解決城市照明產(chǎn)生的光污染方面，只能說提出了問題，也看到了問題的嚴(yán)重性，但是沒有專門的研究和采取相應(yīng)的措施。因此，需要呼吁政府和有關(guān)科研部門從速對這一事關(guān)環(huán)境保護(hù)的重大課題開展實質(zhì)性研究，提出對策，努力把這個問題解決好。

 

（三）老齡人的照明日趨突出

 

　　目前世界上不少國家對老齡人口的照明問題，如老年人視覺特性，老年人活動環(huán)境的照明標(biāo)準(zhǔn)、照明方法，照明器材和管理進(jìn)行了一系列的研究。在這方面，我國還是空白。我國照明工作者也應(yīng)急需對老齡人的照明開展研究，為老齡人創(chuàng)造一個良好的采光照明環(huán)境，在實現(xiàn)全國老齡工作會議提出的讓老齡人"老有所養(yǎng)，老有所醫(yī)，老有所教，老有所學(xué)，老有所為，老有所樂"的工作目標(biāo)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

 

（四）城市夜景照明將有更大的發(fā)展

 

　　隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，人們生活方式的變化，業(yè)余時間的增加，夜生活要求越來越高，全球性旅游觀光業(yè)的興起等，城市夜景照明發(fā)展迅速。CIE先后出版了相關(guān)技術(shù)文件，1995年在日本召開了有600多家參加的規(guī)�？涨暗膰�際夜景照明大會。2000年元旦世界許多城市投巨資進(jìn)行夜景照明建設(shè)，盛況前所未有。

 

　　在我國自1998年上海率先在外灘和南京路實施夜景照明工程后，北京、天津、大連、廣州、深圳、重慶等許多城市相繼進(jìn)行城市夜景照明建設(shè)。從2000年3月在深圳召開，有300多位市長參加的城市工作會議及今年8月在北京召開，也有300多個城市首腦參加的城市發(fā)展世紀(jì)論壇會看，市長們對城市夜景照明都很重視，并把此項工作列入議事日程�，F(xiàn)在是從沿海到內(nèi)地，從大城市到中小城市都搞夜景照明，發(fā)展勢頭有增無減。重視城市形象已成為社會各界的共識，用燈光塑造城市夜間形象的城市夜景照明，預(yù)計在21世紀(jì)將有更大的發(fā)展。

 

（五）照明設(shè)計理念正在發(fā)生變化

 

　　長期以來，照明設(shè)計一直是以照明的照亮度、均勻度、立體感、眩光、顯色性指數(shù)和物體的顏色參數(shù)等物理量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計和照明效果的評價。隨著經(jīng)濟(jì)和人們的物質(zhì)與精神生活水平的提高，對照明環(huán)境不僅在數(shù)量指標(biāo)方面應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，更希望在一個舒適、明亮并富有藝術(shù)魅力的照明環(huán)境里工作和生活。大量的視覺試驗成果表明，在實際環(huán)境中照明質(zhì)量似乎控制著數(shù)量，并決定著感覺的評價。因此，我們的設(shè)計和研究重點也將向體現(xiàn)人和環(huán)境相互關(guān)系的非定量評價照明質(zhì)量方面轉(zhuǎn)移。

 

　　CIE召開有關(guān)舒適、靈活和個性化照明專題研討會，后來又召開了照明質(zhì)量的專題研討會，人們都認(rèn)為照明質(zhì)量的定量和非定量的評價是一個十分復(fù)雜、涉及因素甚多的問題。但是一個優(yōu)秀的照明設(shè)計既要滿足（或達(dá)到）科學(xué)實驗已驗證過的量化指標(biāo)要求，也要充分考慮影響照明質(zhì)量的非定量因素。英國Loe博士提出的人對整個光環(huán)境總體效果評價的設(shè)計戰(zhàn)略，也就是綜合考慮人的視覺特性、舒適感、建筑和照明藝術(shù)和節(jié)能等因素，從光文化高度，以人為本，把藝術(shù)和科學(xué)融為一體，最后求得高水平、高質(zhì)量和高效能的照明效果。

 

　　目前，利用模糊數(shù)學(xué)方法，對照明質(zhì)量進(jìn)行綜合的評價，全面考慮影響照明質(zhì)量的定量和非定量因子，最后評價照明優(yōu)劣的工作。值得關(guān)注和進(jìn)一步研究。

 

（六）建筑化照明在不斷發(fā)展

 

　　20世紀(jì)50年后，國際上流行的建筑化照明，將照明與建筑融為一體，把照明設(shè)備作為一個建筑構(gòu)件和建筑相關(guān)部分如頂棚、柱、墻壁、門、窗和室內(nèi)家俱等進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計，創(chuàng)造建筑師所追求的燈光和藝術(shù)效果。半個世紀(jì)以來，隨著建筑和照明科技的進(jìn)步，新光源、新燈具不斷出現(xiàn)，為建筑化照明設(shè)計提供了有利條件，加上建筑師和照明工程師合作，在工程上創(chuàng)造了許多優(yōu)秀的建筑化照明實例，使建筑化照明不斷發(fā)展。預(yù)計21世紀(jì)的建筑化照明將有新的更大發(fā)展。

 

（七）智能照明的飛速發(fā)展

 

　　美國著名的未來學(xué)家埃·托夫勒（alvin Tofler）在《未來學(xué)家談未來》一書中，他系統(tǒng)地分析了當(dāng)今社會，指出人類正處在一個無聲的以計算機和通訊技術(shù)為代表的住處革命過程之中。這場革命對整個人類社會的重大影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過由于蒸汽機的發(fā)明而出現(xiàn)的動力革命。

 

　　由于世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)向國際化和高增值型方向發(fā)展，信息行業(yè)和計算機軟件猛增，OA，F(xiàn)A，HA的不斷出現(xiàn)，辦公事務(wù)要求高效化等因素而促使美、英、日、德等不少國家興建了大批"智能建筑"，特別是智能辦公大廈的出現(xiàn)，使建筑要求與設(shè)計方法跟傳統(tǒng)的辦公樓比，大為不同。缺少的照明部分也在發(fā)生深刻變化。這就是所謂"智能照明"技術(shù)隨之出現(xiàn)，并迅速地向前發(fā)展，以致形成照明發(fā)展又一個重要趨勢。

 

　　預(yù)計21世紀(jì)，人工智能技術(shù)在建筑與照明中的應(yīng)用趨勢將會進(jìn)一步擴大。正如英國的Glasgow 市報指出："Glasgow 正在成為一個研究和發(fā)展太空時代智能建筑的國際組織的神經(jīng)中樞。在智能建筑中的智能照明、供熱、空調(diào)、通訊及辦公設(shè)備將全部由電子計算機進(jìn)行控制與管理"。

 

　　面對這一發(fā)展趨勢，開發(fā)了不少智能照明設(shè)計，如智能燈具，智能照明控制與管理系統(tǒng)，包括在照明方面的計算機硬件和軟件。此外計算機在照明設(shè)計和測試方面也得到廣泛應(yīng)用。俄羅斯開發(fā)的智能照明管理系統(tǒng)，日本的智能照明建筑，特別是現(xiàn)代化辦公室的智能照明技術(shù)等都值得我們研究與借鑒。

 

（八）非視覺照明將迅速擴大和發(fā)展

 

　　過去的十年里，非視覺照明或稱輻射的應(yīng)用技術(shù)即CIE第六部分，光化學(xué)和光生物學(xué)的發(fā)展很快。從這個分部召開的幾次學(xué)術(shù)會議的情況看，CIE第六分部有二十多個技術(shù)委員會正在工作，特別是黑瘤和熒光照明的關(guān)系，光與輻射對動植物的影響以及有關(guān)建筑物的輻射量的評價等問題的研究均與保護(hù)人體健康，促進(jìn)動植物生長，防止輻射對建筑物，特別是古建筑的影響均具有十分重要的意義。日本養(yǎng)原善和與巖尾憲三在第22屆日本照明大會上報告中詳細(xì)介紹了近十年光輻射應(yīng)用的動向和進(jìn)展，并用光照良好的動物或植物工廠養(yǎng)殖各類動植物，取得了很大成績。預(yù)計非視覺照明是將會出現(xiàn)一個更大發(fā)展的趨勢。以前在我國雖然也有人在這方面進(jìn)行過一些研究，但是在這方面的許多領(lǐng)域在我國還是空白。現(xiàn)在中國照明學(xué)會已成立了光化學(xué)和光生物學(xué)專業(yè)委員會，借鑒CIE第六分部的作法，積極開展研究和學(xué)術(shù)活動，以促進(jìn)我國非視覺照明的發(fā)展。

 

（九）推進(jìn)采光照明新產(chǎn)品，新技術(shù)的時間越來越短

 

　　從近年照明媒體會上和國內(nèi)外主要建筑與照明博展會參展的新產(chǎn)品與新技術(shù)分析，不難看出，20世紀(jì)90年代以來，推出采光照明的新材料，新光源，新燈具和新技術(shù)的時間越來越短，其中光纖、導(dǎo)光管、激光、微波硫燈、LED光源，介質(zhì)阻擋放電的平面光源、超細(xì)管形熒光燈、太空燈球、變色霓虹燈、采用ELDACON技術(shù)的照明燈具、網(wǎng)孔板燈具、超級鋁反射板、納米材料、新型照明控制設(shè)備、全反射采光板（窗）、光觸媒技術(shù)、光致電致采光玻璃和人造"月亮"技術(shù)等等，幾乎都是這幾年推出的。其中：

 

　　光觸媒技術(shù)，將二氧化鈦涂在光源或燈具表面形成防污和凈化環(huán)境的膜層，利用它在光線的照射下對有機物產(chǎn)生分解的作用，即光催化作用的原理，實現(xiàn)燈具和光源防污和凈化環(huán)境的技術(shù)，此技術(shù)在日本開始應(yīng)用，效果良好。

 

　　光致（電致）采光玻璃，在玻璃中添加氧化銀和堿金屬鹵化物，并引入少量的氧化銅或氧化鎘等配合而成，在強光照射下，產(chǎn)生灰色效應(yīng)；光線減弱后玻璃又恢復(fù)原狀；用薄膜吸附在玻璃表面上，形成調(diào)節(jié)陽光的玻璃，并開始在建筑采光中應(yīng)用。

 

　　人造"月亮"，就是前面提到的不夜城計劃，也稱在太空利用反射鏡照射陽光的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代就有人提出將一巨大的反光鏡送入太空，在晚上利用它反射太陽光進(jìn)行照明，這就是所謂的人造月亮。幾十年來這只是設(shè)想，最近據(jù)英國泰晤士報介紹，于今年11月將一面直徑75英尺的反光鏡送入太空，實現(xiàn)多年來的設(shè)想。試驗時，倫敦晚上將有5分鐘沐浴在一片3英里寬的光線之中。實施人造月亮計劃，需利用不少新材料和新技術(shù)，也存在諸多問題，而且眾人看法不一，值得探討。

 

　　納米材料和技術(shù)，把納米（1納米等于10億分之一米）微粒或添加到傳統(tǒng)材料或吸附在其他物體表面，可得到十分獨特的功效。如陽光和大氣中存在對人體或文物與貴重物體有害的紫外線，而納米微粒就具有吸收紫外線的特征和功效。比如在光源燈具或玻璃表面涂上納米材料膜層，不僅可吸收紫外線，而且還有防污與自潔的作用，任何粘在表面上的油污、有機物或細(xì)菌在光線照射下由于納米材料的摧化作用，可分解為氣體或易于清洗的物質(zhì)。

　　縱觀建筑采光照明現(xiàn)狀，展望未來，任重道遠(yuǎn)。21世紀(jì)我們充滿機遇和挑戰(zhàn)，要抓住機遇，迎接挑戰(zhàn)，發(fā)揚"獻(xiàn)身、創(chuàng)新、求實、協(xié)作"的科學(xué)精神，為推動我國建筑采光照明事業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展而共同努力！