清华园里兜兜转转,终于找到詹庆旋教授的办公室。办公室窗台上光影变幻,詹教授用平和的声音侃侃而谈,瞬间抚平了夏日带来的焦躁。
建筑光环境之路,一走几十年
谈起建筑光环境之路,詹教授有一丝感慨。他从1953年进入清华大学建筑系,1959年毕业后留校,教授一年《建筑设计初步》课程之后,受命开辟建筑光环境领域。1958年我国兴建十大建筑,国家大剧院也在设计当中,主要关注点是建筑声学,但已经意识到建筑光学的重要性,这是一个开始。当时建筑学课程里的建筑物理,包括声学、光学、热工学,内容主要是如何为人们创造温度合适、比较安静、光线充足的室内环境,这些都是建筑环境不可缺少的要素。过去建筑光学只讲自然采光,比如工业建筑的天窗开多大,如何设置等。随着建筑技术的发展,电气照明在室内装饰和建筑功能方面的作用越发重要。照明和空调等室内设施互相交错,不能随便布置,因此把建筑照明的概念引入到建筑设计中非常必要。苏联的建筑物理强调理论计算,跟建筑学科不够契合,西方建筑学强调物理环境的营造,对建筑学比较适用。因而清华建筑系在20世纪90年代初自编了一套教材,提出建筑光环境、建筑声环境、建筑热环境等概念,这些概念至今仍在沿用。
建筑光环境对建筑来说至关重要
詹教授明确表示,建筑光环境对建筑来说至关重要。没有合适的光线,建筑不能更好的发挥其功能,影响人们的工作效率和心情,很多艺术效果不能展示。光线与视觉直接相关,光环境的营造也涉及到室内空间和建筑造型的表现。世界建筑历史上有很多成功利用光的案例。 1897年爱迪生发明白炽灯以后的130多年,照明对推进现代文明和工业技术发展都产生了很大影响,对建筑和城市的影响更是显而易见。
建筑照明设计既要独具特色,又要与建筑融为一体,建筑设计与照明设计关系匪浅,怎样的照明设计能让建筑更节能?谈到此,詹教授直言这个问题太大,但总的来说有以下几点:
第一,充分利用天然光。天然光是无偿的,在一定意义上是无限的。但是我们国家天然采光的设计和研究比较落后,与国外同期发展水平相比有不小的差距。我国的照明设计师教育背景五花八门,出身建筑设计的很少,有些设计师可能对采光一无所知。虽然有建筑采光设计标准,但是重视不够。 美国的绿色建筑标准对采光要求很高,从室内环境质量,到能源利用场地规划都有明确规定。
第二,使用能效比较高的光源和灯具。光源发展至今有三代:第一代是白炽灯。白炽灯使用寿命短,光效低,但价格便宜、显色性能好。第二代是气体放电灯,包括荧光灯、低压钠灯、荧光高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、陶瓷金属卤化物灯等。其中荧光灯是当前用量最大的气体放电光源。它具有结构简单、光效高、发光柔和、寿命长等优点。第三代是固态光源,主要产品是LED和OLED。固态光源的前景很好,光效相对较高,寿命长,不含汞,比较环保。从上世纪90年代中期以后发展很快,从红绿两色到红、绿、蓝三色,从白光到五颜六色。目前白光LED大都是由蓝光或近紫外光透过黄色荧光粉发出白光,因此光色不太理想。LED技术正处于快速成长期目前还有三个重要的问题没有很好的解决:一是光效和颜色的不一致性,市场产品没有统一的规格标准;二是不确定性,使用一段时间之后是否会变色,光效、寿命下降幅度难以确定;三是价格太高,如果要替代别的光源,价格必须降下来,要考虑到民用市场的接受能力。此外,虽然LED不含汞,但是专家对其发出的紫外短波辐射是否有害存在疑虑,美国和欧洲都在研究之中。
另外,OLED显示技术正逐渐被业内人士所看好。OLED采用非常薄的有机材料涂层和基板,当有电流通过时,这些有机材料就会发光。OLED表面亮度低,发光面大,灯具可以做得很轻很薄,成本大大降低,并且也能够显著节省电能。由此看来,OLED是LED潜在的强大竞争对手。
第三,照明设计要遵守标准规范,设计师要有节能意识。近年来我国的照明设计标准已经逐步完善,现行的主要国家标准、部级标准有: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。
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%。有材料显示,美国2001年公布的标准到2004年修订时,节能标准最高减少40%,而最新公布的高效能绿色建筑,要比2004年再降低10%。
因此,照明环境要考虑到人的视觉习惯以及视觉的自然规律,设计首先有节能理念,并且遵守标准。目前城市室外景观和路灯亮度大量超标,互相攀比,与照明节能的方针背道而驰是需要特别关注的问题。
第四,加强管理和维护,避免照明灯具低效率运行。国外室内照明方面管理完善,灯具定期更换,而我国的很多现象是用坏才更换。灯具的维护周期短,维护系数相对就高,照明设备安装功率减小,节能效益好。反之维护系数小,设计值相应提高,投资和节能效益都不好。因此应经常维护管理,保持较高的维护系数值,。
智能化自动控制是我国照明管理方面的薄弱环节。人们熟知随手关灯,但很少有调光等智能化控制。国内的智能化控制只有高级建筑在做,住宅建筑是开关和声控配合,集中调光以及室内灯光与天然光之间的自动互补很少。管理控制环节节能潜力很大,且比较薄弱,需要大力发展。虽然智能控制等技术的采用会增加设计成本,但是与建筑整体的智能管理系统相结合,能减少建筑热环境负荷。我国室外路灯系统,已经实现很多集中管理和智能控制。此外,照明控制应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。根据一年之中日落时间实现光控,根据不同人群实现人性化设计。
照明产品设计需要创新
中国照明产品在世界上举足轻重,产量和出口量很大。光源制造业、灯具制造业产量很大,设备也可以,并在逐渐形成产业集中优势。产值超10亿的制造企业已有10多家,过亿的也有一大批。但是我国照明企业的技术创新理念比较差,出口的大都是附加值低的中低档产品。目前已出现好的迹象,规模大的企业逐渐开始独立自主研发和技术测试,规模小的企业进行合并重组,产业的良性发展已经在不知不觉的进行当中。欧洲很多著名照明企业是家族企业,没有做大做强的发展目标,但是产品品质优秀,附加值很高,而且不断地推陈出新,非常值得学习和借鉴。
我国目前的照明行业设计人才缺乏,技术创新能力弱,原创技术太少。有些企业家已经明白培养技术人才的重要性但是也不能急于求成。照明灯具设计涉及到的知识层面非常多,包括机械加工、电工学、光学、材料、喷涂、电镀、造型应用等,培养合格优秀的设计人才需要时间和磨练。
低碳照明刚刚开始
低碳概念已经渗透到各个产业,但是低碳照明才刚刚开始,需要一个发展过程。绿色照明发展了10年时间,节能灯仍然没有完全取代白炽灯,还需要政府的补贴促销。低碳照明不能仅仅关注节省了多少电,而要关注整个照明系统在制造、使用和废弃处理全过程的排碳量是否有所降低。例如,说起来很省电的太阳能灯具,其太阳能板在制作过程中的耗电量很高,应纳入计算太阳能灯具的耗电量和排碳量。此外,太阳能灯具储能用蓄电池对环境的污染和维护以致废弃处理的费用和排碳量也不容忽视。
低碳照明的发展形势紧迫,有很好的前景,但是发展成熟还有很长一段路要走,将来评估低碳照明城市等问题,则需要严格明细的标准。