世纪之交的建筑采光与照明

世纪之交的建筑采光与照明 肖辉乾 (中国建筑科学院物理所) 前言：在世纪之交研讨采光和照明技术，对了解目前国内外的技术发展动 向，推动我国建筑采光和照明事业的发展无将会产生积极的影响。本文就笔者 了解的点滴情况，抛砖引玉，谈点粗浅看法，不当之处，请批评指正。 一、20 世纪建筑采光照明发展的回眸 回眸 20 世纪建筑采光照明的发展，人们首先想到 1879 年爱迪生发明的碳 丝白炽灯，使建筑照明进入一个新的时代。随后荧光类、汞灯、高低压钠灯、 金属卤化物灯、紧凑型荧光灯、高频无极荧光灯、微波硫灯等新型电光源的出 现；激光、光纤、发光二极管灯以及品种繁多的玻璃和 PC 透光材料在建筑采光 照明中的应用，使建筑采光照明技术得到飞速的发展。总结分析 20 世纪建筑采 光照明的发展，概括起来主要有图 1 所示的三个因素和四种作法： 1 社会政治、经济和文化的发展是影响照明科技进步的第一个因素。比如 20 世纪前 50 年里发生的二次世界大战，国际照明学术活动就停顿约 20 年，又 如 1973 年开始的世界能源危机，对照明技术的影响也是很大的。照明和建筑一 样受社会与文化思潮影响之深，这也是其他工程科学所没有的。至于经济条件 的影响就更明显了。有人说照明界的兴旺是以富裕的经济条件为前提和后盾的。 经济是推动采光照明技术进步的杠杆。 2 建筑业的发展，客观的需要和人对光的追求是促进采光照明科学技术发 展的第二因素。 3 相关自然科学和工程技术的进步是采光照明科技发展的第三因素。和采 光照明关系最密切的有建筑学、电工学、能源科学、美学、机械工程学、材料 科学、物理学等。有人说，若把采光照明视为第一边缘科学，那么上述相关科 学可视为第二边缘科学。特别是电学，如果没有电，那有电灯!所以有人把照明 科学视为电气工程学的一个分支而发展起来的，并起着主导作用。因而人们在 思考今后照明科技的发展时正期待电气工程科学的进步。 二、21 世纪的社会结构和采光照明技术的预测 21 世纪的社会结构和采光照明技术的预测是一个复杂的社会学问题，涉及 很多因素，社会发展趋势、经济科技水平、人口、资源、环境和社会文化等。 只有对社会、城市建筑、企业和人员结构的变化作出科学的分析，按采光照明 适应社会发展的原则，方能作出较科学的预测，表 1 是在日本河本闪太郎教授 所作的分析的预测的基础上编写的。由表 1 看出，新世纪的社会、城市建筑、 企业和人员的变化也就决定着未来的采光照明技术的发展走向。 表 1 21 世纪社会结构变化和采光照明技术的预测 对象的划分 社会结构变化的预测 社会结构变化的背景 相关采光与照明技术社会 社会 循环型网络知识经济体 系的建立。 节能和废弃物再利用法， 节能法的修改，COP- 3，垃圾的处理和利用。 光源的节能技术 照明和用光系统的节能技术 光源、照明灯具和再利用技术 天然光利用技术 城市建筑 城市与建筑的现代化， 管理的网络化和智能化。 城市与建筑法规和 管理法规的制订与实施。 城市的建筑、道路、广场、公园、 绿地和公用设施的照明技术 光污染防治技术 企业 环境风险的增大，加强 环境管理越来越引起重 视。 ISO14000(环境管理 标准)废弃物处理法，环 境影响评价法，有害化 学物质去向登记卡制度， 环境基本法，大气污染 防治法，水质污染防治 法的制订与实施。 UV(紫外线 )环境技术 UV(紫外线净化技术 光触媒体利用技术 利用光处理有害物质的技术人员 人员 人们生活方式和观念的 变化。 人群结构的变化，周平 均工作时减少，休闲时 间增多。 出生率下降，儿童减少 的社会，老人增多，高 龄化社会，人员(老人、 儿童 、残疾人、病人等) 保险法，终身雇员法的 修改。 高龄人(老人) 的照明技术 光环境设计技术 安全照明技术 三、天然光的利用越来越引起人们的重视 20 世纪 70 年代能源危机后，能源和环境问题举世瞩目，建筑物如何充分 利用天然光，节能照明用电，引起国际建筑和照明界的高度重视。自 1983 年以 来，国际照明委员会就先后召开了四次国际建筑采光学术会议，1998 年在德国 Bregenz 召开的照明大会(Licht98)会上，与会 700 多人，特别是建筑师对建 筑采光十分关注。又如英国建筑设备注册工程师协会(CIBSE)和英国照明学会 (ILE)于 2000 年 7 月 911 日联合召开的“2000 年国际照明学术会议“，大会上 发表的 26 篇论文中，就有 9 篇是建筑采光的论文。 笔者通过参加或查阅以上几次大的国际会议的资料，感到目前国际建筑采 光技术的主要动向有以下三个方面： (一)天然光资源(光气候)研究不断深入 天然光是取之不尽，用之不竭的能源。为了有效利用它，自 1991 年国际照明委 员会牵头组织进行了全球天然光资源的调查和观测，也就是 CIE 的 IDMY 计划 (International Daylight Measurement Programme)全球各地约 50 个光气候观 测站(包括我国北京、重庆 2 个观测站)，经过长期的观测，积累了大量数据资 料，现在正在分析整理。CIE 的三个出版物：建筑采光(Daylighting in Architecture)、天然光在建筑中的作用(Daylight Performance of Buildings)和 建筑物的天然光设计(Daylight Design of Building)将陆续问世。这些成果为 天空亮度分布模型的建立、建筑物的采光设计与计算提供了依据。光气候的研 究是一项长期工作，日本、英国、澳大利亚、加拿大、美国还有我国香港特区 最近计划进一步开展这方面的研究。预计 21 世纪建筑物的天然采光将有更大的 发展。我国北京、重庆 2 个光气候观测站的工作不能停顿，同时对已观测的数 据资料也应进一步加以分析、整理和利用。 (二)新型采光方法和材料不断出现 建筑中如何有效地利用天然光，近年来国内外建筑采光工作者提出了不少 利用天然光的采光方法和设想，归纳起来主要有两类：直接利用法和间接利用 法。 1 使用平面反向镜的一次反射法。用反光镜一次将太阳光反射到室内需要 采光的地方。这种方法对提高侧窗采光的均匀度具有较明显的效果。 2 导光管法。用导光管将太阳集光器收集的光线传送到室内需要采光的地 方，如中国建筑科学院已通过鉴定的无窗厂房和地下建筑天然采光研究成果， 就是用此法进行天然采光的。 3 棱镜组多次反射法。用一组传光棱镜将集光器收集的太阳光传送到需要 采光的部位。如美国加州大学的贝克利试验室提出用于解决一座十层大楼的采 光问题的方法；澳大利亚用这种方法把光送到房间 10m 进深的部位进行照明； 在英国用于解决地下和无窗建筑的采光等，都收到了比较好的采光效果。 4 光导纤维法。此法是彩采用光率的光导纤维将光线引到需要采光的地方， 如日本阳光大楼的中庭采光，就是用这种方法，通过一组光纤把阳光引入室内， 照明中庭的绿色植物，照明效果也很好。 5 卫星反射镜法。用高空卫星反射镜把太阳光反射送到需要光线的地区。 如美国计划用一卫星反射镜解决整个纽约地区的夜间照明。这就是不夜城的照 明计划，实现此计划有三个问题需要解决：即经费问题，环境影响问题，卫星 轨道位置问题。 6 高空聚光法。用反光镜把太阳光聚集在高空，形成的高亮度光源供夜间 照明用。间接应用法主要有三种： 1 光-热-电-光转换法。用太阳光辐射产生的热发电供照明使用，也就是 用太阳光集光器将吸收的光转化为热能产生的蒸汽，用蒸汽驱动汽轮机发电， 作为照明电源。 2 光电效应法。根据光电效应把太阳光直接变成电能供照明使用，太阳能 电池就属于这类换能器件。目前常用的硅太阳能电池，它的换能效率可达 1320%。这种电池在航标灯，道路照明，尤其是在无电的边远地区、高山、沙 漠和偏僻农村使用，优点发十分突出。 3 太阳能高空发电法。把太阳能电池安装在卫星上，将光变为电能，而后 用微波方式送到地球接收天线上，地面接收站再把微波转换为电能，供照明和 其他方面使用。 (三)利用阳光的采光设计和采光窗的多样化 以往的建筑采光设计都是假定天空是阴天，不考虑直射阳光。这样的采光 设计计算简单，对阳光多变带来的采光不稳定，过热、眩光和阳兴的光化作用 等问题都回避掉了。随着科学技术的发展，特别是节能的影响，人们对晴天和 平均天空采光设计与计算进行了大量研究，并初步提出一套设计方法。国际照 明委员会的天然采光技术员委会也专门组织各国专家对近年取得的采光设计经 验和科技成果进行了总结，编写了国际采光指南，为设计、科研、教学和 有关人员提供了设计依据和标准。利用晴天采光计算方法设计采光，约可减小 15%的开窗面积，具有重要的节能和经济意义。另外直射阳光进入室内，不仅可 给人们提供时间信息，多变的阳光和室内植物装饰，可增加室内视环境的情趣， 赋于人有大自然的感受，可产生一种独特的艺术效果。 采光窗作为建筑构成一个元素，功能上要考虑光、热与隔声的问题，在艺 术上应和建筑风格协调一致，在视觉上要求舒适，无眩光。建筑师根据不同建 筑要求设计采光窗。目前除常见的侧窗和天窗外，天穹式采光窗、带反射挡光 板的采光窗、薄膜采光窗、阳光凹井采光窗、带跟踪阳光的镜面格栅窗和全反 射采光窗使用也不少，呈现出采光窗多样化的发展趋势。 四、建筑照明的发展趋势 正如图 1 和表 1 所示，随着社会、经济和文化结构的变化；相关学科，特 别是建筑科学的进步和人们的物质与精神生活水平的迅速提高，加上信息时代 的前进步伐将越来越快，传统的工作经济遭到网络知识经济的强有力的挑战， 人们的工作和生活追求灵活、高效和舒适。这样人们对照明的要求越来越高， 传统的建筑照明受到了时代的强烈冲击。在世纪之交的今天，思考建筑照明的 发展趋势，迎接时代的挑战，把我国建筑照明推向一个新的台阶。 (一)照明节能，保护环境仍是 21 世纪的主要任务 国际照明委员会(CIE)照明发展委员会主席、捷克 VDvoracek 先生曾预测， 从 1990 到 2000 年人的年平均耗电量逐年上升，而照明耗电总能耗的比例将由 1990 年的 12%下降到 2000 年的 10%，同时耗电量大的低光效白炽灯用量逐年减 少，发光效率高的荧光灯和高强度气体放电灯的用量将不断增多。 照明节电，可减少因火力发电所产生的污染环境的物质。当今节能和保护 环境已成为世界各国普遍关注的社会问题，并直接关系到社会的持续发展。从 20 世纪 70 年代后，人们在照明节能方面已作了很大努力，特别是 20 世纪 90 年代美国率先实施绿色照明计划后，包括中国在内的许多国家也相继实施了这 一计划，所取得的成绩令世人注目。 为了珍惜利用地球有限的能源资源，保护环境，造福后人，照明节能工作 不能停顿。最近欧盟委员会拟订了在欧盟各国实施绿色照明计划。同时国际上 一些金融机构，如全球环境基金会(CEF)通过世行和联合国开发计划署在世界各 国资助了多个开发高效照明项目。我国绿色照明工程办公室正在启动第二?quot;绿 色照明“项目，进一步从照明产品、照明设计、照明管理、天然光利用等方面挖 掘照明节能潜力，以节约能源，保护人们的生存环境。 (二)防治照明的光污染成为 21 世纪照明的主要课题 随着玻璃幕墙建筑的大量出现和大功率气体放电灯在城市照明中的应用， 玻璃幕墙反射刺眼的阳光和城市泛光照明、霓虹灯、广告照明等产生的溢散光 和歌舞厅的彩色闪光灯所形成的光污染(也称光干扰、光害)，对人、环境和天 文观察造成了严重的危害，成为 21 世纪照明界有待研究解决的重要课题。自 20 世纪 80 年代以来，国际照明委员会各国政府和有关学术团体对光污染问题 十分重视，先后公布了一系列技术文件、标准和法令，控制光污染，以求尽快 解决这个问题。 我国已公布了限制玻璃幕墙建筑的光污染标准，但在解决城市照明产生的 光污染方面，只能说提出了问题，也看到了问题的严重性，但是没有专门的研 究和采取相应的措施。因此，需要呼吁政府和有关科研部门从速对这一事关环 境保护的重大课题开展实质性研究，提出对策，努力把这个问题解决好。 (三)老龄人的照明日趋突出 人口老龄化是当今世界各国面临的又一重大社会问题，并引起国际社会的 广泛关注。我国人口老龄化发展迅速，据 1999 年统计，我国 60 岁以上的老年 人口达到 1.26 亿，占总人口的 10%，按国际通行标准，我国人口年龄结构已进 入老龄化阶段。 目前世界上不少国家对老龄人口的照明问题，如老年人视觉特性，老年人 活动环境的照明标准、照明方法，照明器材和管理进行了一系列的研究。在这 方面，我国还是空白。我国照明工作者也应急需对老龄人的照明开展研究，为 老龄人创造一个良好的采光照明环境，在实现全国老龄工作会议提出的让老龄 人“老有所养，老有所医，老有所教，老有所学，老有所为，老有所乐“的工作 目标作出我们应有的贡献。 (四)城市夜景照明将有更大的发展 随着城市建设的迅速发展，人们生活方式的变化，业余时间的增加，夜生 活要求越来越高，全球性旅游观光业的兴起等，城市夜景照明发展迅速。CIE 先后出版了几个相关技术文件，1995 年在日本召开了有 600 多有参加的规模空 前的国际夜景照明大会。2000 年元旦世界许多城市投巨资进行夜景照明建设， 盛况前所未有。 在我国自 1998 年上海率先在外滩和南京路实施夜景照明工程后，北京、天 津、大连、广州、深圳、重庆等许多城市相继进行城市夜景照明建设。从今年 3 月在深圳召开，有 300 多位市长参加的城市工作会议及今年 8 月在北京召开， 也有 300 多个城市首脑参加的城市发展世纪论坛会看，市长们对城市夜景照明 都很重视，并把此项工作列入议事日程。现在是从沿海到内地，从大城市到中 小城市都在搞夜景照明，发展势头有增无减。重视城市形象已成为社会各界的 共识，用灯光塑造城市夜间形象的城市夜景照明，预计在 21 世纪将有更大的发 展。 (五)照明设计理念正在发生变化 长期以来，照明设计一直是以照明的照亮度、均匀度、立体感、眩光、 显 色性指数和物体的颜色参数等物理量为标准进行设计和照明效果的评价。随着 经济和人们的物质与精神生活水平的提高，对照明环境不仅在数量指标方面应 达到标准的要求，更希望在一个舒适、明亮并富有艺术魅力的照明环境里工作 和生活。大量的视觉试验成果表明，在实际环境中照明质量似乎控制着数量， 并决定着感觉的评价。因此，我们的设计和研究重点也将向体现人和环境相互 关系的非定量评价照明质量方面转移。 CIE 召开有关舒适、灵活和个性化照明专题研讨会，后来又召开了照明质 量的专题研讨会，人们都认为照明质量的定量和非定量的评价是一个十分复杂、 涉及因素甚多的问题。但是一个优秀的照明设计既要满足(或达到)科学实验已 验证过的量化指标要求，也要充分考虑影响照明质量的非定量因素。英国 Loe 博士提出的人对整个光环境总体效果评价的设计战略，也就是综合考虑人的视 觉特性、舒适感、建筑和照明艺术和节能等因素，从光文化高度，以人为本， 把艺术和科学融为一体，最后求得高水平、高质量和高效能的照料明效果。 目前，利用模糊数学方法，对照明质量进行综合的评价，全面考虑影响照 明质量的定量和非定量因子，最后评价照明优劣的工作，值得关注和进一步研 究。 (六)建筑化照明在不断发展 20 世纪 50 年后，国际上流行的建筑化照明，将照明与建筑融为一体，把 照明设备作为一个建筑构件和建筑相关部分如顶棚、柱、墙壁、门、窗和室内 家俱等进行统一设计，创造建筑师所追求的灯光和艺术效果。半个世纪以来， 随着建筑和照明科技的进步，新光源、新灯具不断出现，为建筑化照明设计提 供了有利条件，加上建筑师和照明工程师合作，在工程上创造了许多优秀的建 筑化照明实例，使建筑化照明不断发展。伟大的建筑照明大师，建筑照明设计 技术的创立者 R.Kelly 在这方面的贡献卓著。 去年日本照明学会杂志第 3 期出版的建筑化照明特刊，共发表了以下九篇 论文，对目前和今后建筑化照明作出了全面阐述。 1 村上公一的“建筑空间和建筑化照明“； 2 岩井达弥的“建筑化照明空间的艺术效果“； 3 若松素明的“墙面、顶棚和建筑化照明“； 4 恩贺勇的“表现建筑空间的建筑化照明“； 5 松枝京二等的“建筑中庭的建筑化照明设计“； 6 吉田隆弘的“和建筑一体化的照明灯具“； 7 横山正博等的“建筑构造梁的建筑化照明的设计“； 8 菊烟茂欠马等的“利用光导纤维的建筑化照明设计艺术“； 9 饭塚千惠里的“用光导纤维作建筑化照明“。 预计 21 世纪的建筑化照明将有新的更大发展。 (七)智能照明的飞速发展 美国著名的未来学家埃托夫勒(alvin Tofler)先生在未来学家谈未来 一书中，他系统地分析了当今社会，指出人类正处在一个无声的以计算机和通 讯技术为代表的住处革命过程之中。这场革命对整个人类社会的重大影响将远 远超过由于蒸汽机的发明而出现的动力革命。 由于世界经济结构向国际化和高增值型方向发展，信息行业和计算机软件 猛增，OA，FA，HA 的不断出现，办公事务要求高效化等因素而促使美英日德等 不少国家兴建了大批“智能建筑“，特别是智能办公大厦的出现，使建筑要求与 设计方法跟传统的办公楼比，大为不同。缺少的照明部分也在发生深刻的变化。 这就是所谓“智能照明“技术随之出现，并迅速地向前发展，以致形成照明发展 又一个重要趋势。 预计 21 世纪，人工智能技术在建筑与照明中的应用趋势将会进一步扩大。 正如国的 Glasgow 市报指出：“Glasgow 正在成为一个研究和发展太空时代智能 建筑的国际组织的神经中枢。在智能建筑中的智能照明、供热、空调、通讯及 办公设备将全部由电子计算机进行控制与管理。“ 面对这一发展趋势，开发了不少智能照明设计，如智能灯具，智能照明控 制与管理系统，包括在照明方面的计算机硬件和软件。此外计算机在照明设计 和测试方面也得到广泛应用。俄罗斯开发的智能照明管理系统，日本的智能照 明建筑，特别是现代化办公室的智能照明技术等都值得我们研究与借鉴。 (八)非视觉照明将迅速扩大和发展。 过去的十年里，非视觉照明或称辐射的应用技术即 CIE 第六部分，光化 学 和光生物学的发展很快。从这个分部召开的几次学术会议的情况看，CIE 第六 分部有二十多个技术委员会正在工作，特别是黑瘤和荧光照明的关系，光与辐 射对动植物的影响以及有关建筑物的辐射量的评价等问题的研究均与保护人体 健康，促进动植物生长，防止辐射对建筑物，特别是古建筑的影响均具有十分 重要的意义。日本养原善和与岩尾宪三在第 22 届日本照明大会上报告中详细介 绍了近十年光辐射应用的动向和进展，并用光照良好的动物或植物工厂养殖各 类动植物，取得了很大成绩。预计非视觉照明是将会出现一个更大发展的趋势。 以前在我国虽然也有人在这方面进行过一些研究，但是在这方面的许多领域在 我国还是空白。现在中国照明学会已成立了光化学和光生物学专业委员会，借 鉴 CIE 第六分部的作法，积极开展研究和学术活动，以促进我国非视觉照明的 发展。 (九)采光和照明标准及测试设备在不断更新 笔者曾统计在 1981 年1990 年间，日本、美国、原苏联、英国、法国、 德国和中国发表的标准、规范和指南共 237 件，CIE 到目前为止发表的技术文 件达 137 件之多。而且对标准及时进行修改更新。这对建筑采光照明的发展产 生了很大的促进作用。 在照明计量测试技术方面，笔者统计 19811990 年发表的论文将近 1000 篇之多，另外，近两届 CIE 和 AIC 大会上发表的论文之多和测试设备的更新速 度之快，特别是计算机科学与光电子学的进步有力地推动着测光技术的迅速发 展，并成为趋势。 预计在 21 世纪采光照明标准和测试技术将不断发展。CIE 数十个技术委员 会的工作成果将陆续以技术文件形式发表，在照明测试方面，除了继续完善与 改进现有的计量基础标准外，光电子计量学，智能计量设备，新型传感器，如 超导传感器，光纤和半导体传感器等的应用技术，动态计量技术等将会有更大 的发展。 我国采光照明标准和测试设备的进步与更新正面临着严竣的时代挑战。 (十)推出采光照明新产品，新技术的时间越来越短。 从近年照明媒体会绍和国内外主要建筑与照明博展会参展的新产品与新技 术分析，不难看出，20 世纪 90 年以来，推出采光照明的新材料，新光源，新 灯具和新技术的时间越来越短，其中光纤、导光管、激光、微波硫灯、LED 光 源，介质阻挡放电的平面光源、超细管形荧光灯、太空灯球、变色霓虹灯、采 用 ELDACON 技术的照明灯具、网孔板灯具、超级铝反射板、纳米材料、新型照 明控制设备、全反射采光板(窗)、光触媒技术、光致电致采光玻璃和人造“月亮 “技术等等，几乎都是这几年推出的。其中： 全反射采光板(窗)，由以色列 polyg