LED在建筑夜景照明节能中的应用探讨——以咸阳市渭城区一期亮化工程为例

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LED在建筑夜景照明节能中的应用探讨
——以咸阳市渭城区一期亮化工程为例

汪统岳，杨春宇，马俊涛，胡 皓

(重庆大学 建筑城规学院；山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

摘要：LED光源在建筑夜景照明中具有高效节能、使用寿命长、色彩丰富等传统光源无法比拟的优点。通过与传统光源参数的对比，结合咸阳市渭城区一期亮化工程实际功率密度值计算，得出LED实际发光效率高、耗能低的结论，对节能减排意义重大。尽管LED还存在一些缺陷，但通过改进将在夜景照明领域拥有更加广阔的应用前景。

关键词：LED；城市夜景；建筑物；照明节能

0 引 言

随着经济的发展，代表城市形象的夜景照明工程全面展开，成为城市公共设施建设重要的组成部分。与此同时，配套的照明能耗逐年增加，部分地区过分追求高亮度、多色彩，浪费了大量电能，也造成了光污染等环境问题。如何在保证夜景照明效果的前提下减少能源消耗成为业内关注的焦点。目前大力推广的第四代光源LED(Light Emitting Diode)具有发光效率高、使用寿命长、节能环保、色彩丰富等优点，不仅在交通信号灯、路灯、显示屏等领域广泛应用，而且在夜景照明、室内照明等方面正逐步取代传统的照明方式。

1 LED用于夜景照明的主要优势

现代城市建筑楼宇的夜景照明主要采用轮廓勾勒、泛光照明、动态表演等照明方式，存在灯具老化、光衰严重、能耗高及光污染等问题。LED(发光二极管)属于固体发光光源，具有高效节能、寿命长、多色彩、易控制、维护费用低等传统光源无法比拟的优点，在夜景照明工程中得到了广泛的运用。LED为冷光源，可以频繁开关，便于控制，易于实现动画效果。LED光源色温变化范围大，可实现多彩的画面效果，装饰性能远超传统的彩色金卤灯。LED为点光源，体积较小，可以进行任意的排列组合，实现丰富的点、线、面等层次效果，越来越受到夜景照明行业的青睐。

表1 LED与传统光源的参数对比

光源白炽灯卤钨灯荧光灯高压钠灯金卤灯LED发光机理热辐射热辐射激发荧光粉钠蒸气体放电气体放电注入电致发光光源光效/(lm/W)2025701008090有效光照效率60%60%60%60%60%90%灯具(取光)效率60%60%60%60%60%90%电源效率100%100%85%90%90%90%色温/K28003000～5600全系列2000～2500全系列2700～6500显色指数1009570～9523/60/8565～9270～90平均寿命/h100015008000200001000050000节能差差较好好较好好环保较差差(含汞)差(含汞)差(含汞)差(含汞)好实际效率/(lm/W)7．209．0021．4232．4025．9265．61

根据不同光源的发光效率、有效光照效率、灯具(取光)效率和电源效率等参数计算，可得出对应的光源实际效率(表1)。LED的能耗小、耗电量低，LED灯具的实际效率高达65.51 lm/W，是传统白炽灯的9倍，普通荧光灯的3倍和高压钠灯的2倍，且通过对驱动电路的改进LED的发光效率还能有所提高。除此以外，LED光源节能环保，平均寿命高达50 000小时，是普通白炽灯的50倍，荧光灯的6倍，高压钠灯的2.5倍。不考虑其他破坏因素，夜景照明按照每天开灯5 h计算，LED灯具平均寿命可以达到27.4年，远远超过了夜景照明的设计使用年限，后期维护和灯具更换成本大大减少。

2 LED建筑夜景照明应用实例

2.1 咸阳市渭城区一期亮化工程项目简介

该项目设计区域为渭河大桥北桥头区域内重要高层建筑、多层建筑、行道树、街头园林景观绿化等夜景照明。建筑由现代形体的高层、多层建筑与部分传统建筑立面形式构成，建筑物以商住楼为主，少量公共建筑。世纪广场及道路旁园林绿化对建筑起到衬托作用。街区建筑高低错落，有一定的节奏韵律感，建筑立面色彩以浅灰暖色调为主。多层建筑大部分是旧建筑，高层建筑是近年新修的现代形体建筑。多数建筑物外形特征不明显，缺乏地标性建筑，作为夜景照明载体，在表现夜景特色上有一定难度，需要精心进行夜景设计，努力营造历史帝都、辉煌大气的氛围(图1)。

图1 咸阳市渭城区一期亮化工程实际效果照片

由于项目区域内建筑物多为商住楼，特别是高层建筑，除两栋公共建筑外，其余均为住宅，窗户占用楼身的大量面积而无法照明。采用洗墙灯照亮窗户下部实体墙面，较大面积山墙采用投光灯照亮，窗间墙采用壁灯或点光源处理。使用直接型点光源时，选用磨砂透光型以避免过高亮度。屋顶一般采用泛光照明，一些构件用小射灯或小投光灯、小泛光灯照射。采光井、楼梯间采光窗，用泛光灯照亮产生内透光效果。部分裙楼采用地面杆安装投光灯或外挑架投光灯照射，或者根据建筑情况选用洗墙灯。行道树采用防眩光埋地灯照射，街头园林采用埋地灯、泛光灯、投光灯照明，选用适当的彩色光。在世纪广场园林绿化中，树上装设流星雨灯，产生动感效果以烘托建筑夜景。

照明灯具主要采用LED光源，以暖黄光为主(3 000 K)，白色光为辅(6 000 K)，玻璃幕墙采用LED彩色变幻图案方式，产生动态感，设计好图案和颜色，并进行现场调试。

2.2 咸阳市渭城区一期亮化工程功率密度值计算

照明功率密度Lighting Power Density(LPD)是指单位面积(或长度)上的照明安装功率(包括光源、镇流器或变压器等附属用电器件)，单位为W/m2。根据现场测量出的功率值统计，汇总得出咸阳市渭城区一

期亮化工程项目的总功率值。出于夜景的观看方向和节能环保的要求，确定建筑物的临街面为主要观看方向，重点进行夜景设计，建筑物在视线范围内的侧立面适当点缀设计，建筑物背立面和视线范围以外的侧立面不做处理；因此，计算照明面积时采用建筑物外立面面积，具体尺寸采用简化后的建筑物长宽高尺寸，计算得出咸阳市渭城区一期亮化工程功率密度值为3.34 W/m2(表2)。

表2 咸阳市渭城区一期亮化工程功率密度值计算表

序号名称功率/(kW)长/(m)宽/(m)层数/层高/(m)建筑外立面面积/(m2)功率密度(LPD)备 注1晶海酒楼9．5650．0044．004．0018．003384．002．83层高4．52咸阳人保公司2．9637．5016．006．0021．602311．201．28层高3．63信合小区7．7379．0013．006．0021．603974．401．94层高3．64德仁堂17．7867．5019．5011．0046．208038．802．21层高4．25如家酒店8．8356．0014．506．0025．203553．202．49层高4．26永嘉都市花园13．0049．0036．0010．0030．005100．002．55层高3．07工商行政管理3．9071．5016．006．0018．003150．001．24层高3．68名仕雅居东区3．4023．0014．005．0016．501221．002．78层高3．39信合大楼8．5077．5073．506．0021．606523．201．30层高3．610德庄火锅7．7140．5025．507．0029．403880．801．99层高4．211渭城供销社右一5．2043．0015．506．0021．602527．202．06层高3．612渭城供销社右二7．0035．5015．506．0021．602203．203．18层高3．613绒布印染厂3．2043．0012．006．0027．002970．001．08层高4．514顺和园高层64．0034．5034．5027．0081．0011178．005．73层高3．015顺和园右一9．0060．0013．506．0019．802910．603．09层高3．616顺和园右二7．5042．0014．506．0019．802237．403．35层高3．617顺和园右三9．5042．5014．506．0019．802257．204．21层高3．618阳光宾馆15．0043．5023．0020．0073．809815．401．53层高3．6底2层4．519阳光宾馆北侧10．0026．5015．006．0021．601792．805．58层高3．620国家电网5．0087．008．003．0010．802052．002．44层高3．621国家电网后三栋南一7．5055．0014．007．0025．203477．602．16层高3．622国家电网后三栋南二10．0060．5014．007．0025．203754．802．66层高3．623国家电网后三栋南三8．0046．0013．507．0025．202998．802．67层高3．624俏湘庭8．5040．0013．005．0022．502385．003．56层高4．525湖滨国际酒店30．0042．0014．5013．0048．605491．805．46层高3．6底2层4．526兴信地产(2栋)70．0034．0032．0032．0096．0012672．004．01层高3．0兴信地产裙楼/125．008．004．0018．004788．00/层高4．528御水苑1#楼30．0042．0020．5033．0099．0012375．002．42层高3．029御水苑2#楼30．0062．5020．5030．0090．0014940．002．01层高3．030御水苑3#楼25．0057．0020．5024．0072．0011160．002．24层高3．031亮马河公寓40．0048．0045．0023．0082．8015400．802．60层高3．6

续表

序号名称功率/(kW)长/(m)宽/(m)层数/层高/(m)建筑外立面面积/(m2)功率密度(LPD)备 注32水岸名居60．00/////3．14/ 1#/38．0027．0015．0045．005850．00/层高3．0 2#/40．0027．0016．0048．006432．00/层高3．0 3#/44．0027．0016．0048．006816．00/层高3．036东湖公寓40．0035．0019．0016．0057．606220．806．43层高3．637东煜地产1#55．0029．0026．5026．0078．008658．003．80层高3．038东煜地产2#/31．0023．0018．0054．005832．00/层高3．039君度会所130．0047．0042．0030．0093．0016554．007．85层高3．0底2层4．540陕西六建医院5．0025．006．007．0025．201562．403．20层高3．641公园对面楼6．0060．0015．006．0019．802970．002．02层高3．342合计773．77////231419．403．34/

注：功率值为现场电箱实测值，建筑长宽高尺寸为简化后测量值。

城市夜景照明设计规范中规定建筑物立面照明功率密度值(LPD)作为照明节能的评价指标，且不应大于表3的规定。该项目区域位于渭城区通往西安市的门户，居住区与商业区混杂，随着咸阳湖景观的开发，该区域属于咸阳城市规划的商业休闲中心之一，因此确定其为高亮度环境区(E4区)。考虑到总体的规划效果和该地区建筑的特征：仿古建筑及老建筑较多，饰面颜色较为暗淡、陈旧，整体环境区域材料反射比取0.3～0.6。查表可知，该工程区域的建筑立面照明功率密度值设计标准为8.9 W/m2。

表3 建筑物立面照明功率密度值(LPD)

建筑物饰面材料环境区域E2E3E4反射比(ρ)对应照度(lx)功率密度(W/m2)对应照度(lx)功率密度(W/m2)对应照度(lx)功率密度(W/m2)白色外墙涂料、乳白色外墙釉面砖、浅冷色或暖色外墙涂料、白色大理石等0．6～0．8301．3502．21506．7银色或灰色铝塑板、浅色大理石、浅色瓷砖、灰色或土黄色釉面砖、中等浅色涂料、中等色铝塑板等0．3～0．6502．2753．32008．9深色天然花岗石、大理石、瓷砖、混凝土等，褐色、暗红色釉面砖、人造花岗石、普通砖等0．2～0．3753．31506．730013．3

该夜景照明工程主要采用绿色节能的LED灯具(如LED洗墙灯、LED投光灯、LED泛光灯、LED点光源等)，在实现良好照明效果的同时，又减少了能源消耗。根据现场测算得出的实际功率密度值为3.34 W/m2，远小于城市夜景照明设计规范中8.9 W/m2的标准值。项目实际总功率为773.77 kW，按照标准功率密度值进行换算，如果采用传统的照明方式，标准总功率为2 061.84 kW，节省功率为1 288.07 kW。若按照每天开灯5小时计算，每年节省电能达235.07万千瓦时。依此类推，在整个咸阳市甚至全国夜景照明工程中，LED灯具的推广将节省相当可观的电能，对节能减排意义重大。

3 LED在建筑夜景照明中的不足

LED作为划时代的新光源，在城市夜景照明中被寄予厚望，但也仍存在一些问题。LED产品规格还在不断更新完善，新旧型号不一定匹配，不同的品牌之间也存在差异，生产工艺缺乏统一的技术标准规范，产品质量参差不齐，尚不能满足夜景照明工程应用的要求。部分LED灯具并没有实现理论上的长寿命，使用一段时间以后便损坏或者颜色变化异常，这可能是LED灯具材料和生产工艺的问题，也可能是控制系统和驱动电路的问题，产品质量的影响因素复杂，导致了夜景效果的不确定性较大。LED的散热性能和封装技术还有待改进，对灯具的光效、寿命和可靠性影响较大。此外，目前LED灯具的价格偏高，是工程实际推广运用中的主要障碍。

4 小 结

在提倡节能环保的时代背景下，LED相对于传统光源具有高效节能、色彩丰富、使用寿命长、易于控制等明显优势，同时也存在材料工艺复杂、散热要求高等缺陷。通过对不足之处的改进，LED正朝着标准化、智能化、模块化、人性化的方向发展，在夜景照明领域将发挥更大的作用。

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Discussion on the Application of LED in Building Energy-saving Night Landscape Lighting in Weicheng District of Xianyang City: a Lighting Project as an Example

WANG Tongyue, YANG Chunyu, MA Juntao, HU Hao

(Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area,
Faculty of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400050, P.R.China)

Abstract：The LED light source has the advantages of high efficiency, energy saving, long service life, rich color, and so on, which can not match with the traditional light source. Comparing with the traditional light source parameters, combined with a lighting project Weicheng District of Xianyang City, the actual power density value, the actual LED high luminous efficiency, low energy consumption of energy saving and emission reduction results, great significance. Although there are some defects in LED, the improvement will have a more broad application prospects in the field of night lighting.

Keywords：LED; urban night view; building; lighting energy saving

收稿日期：2016-05-07 作者简介:汪统丘(1993—)，男，重庆大学建筑城规学院硕士生，主要从事建筑技术科学(光学方向)研究。