[原创]：21世纪建筑采光与照明技术

sudan2008

摘要：美国著名的未来学家埃·托夫勒（alvin Tofler）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。
关键词：自然光 智能照明 非视觉照明

一、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。随后荧光灯、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，概括起来主要有三个因素：

　　1 社会    、经济和文化的发展是影响照明科技进步的一个因素。照明和建筑受社会与文化思潮影响之深，是其他工程科学所没有的。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。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的进步。

二、采光照明技术的预测

　　通过对社会、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是中国建筑科学院物理所肖辉乾专家在    河本闪太郎教授所作的分析预测的基础上编写的表1 。由表1看出，新世纪的社会、城市建筑，企业和人员的变化决定着未来的采光照明技术的发展走向。

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，说明国际照明委员会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9～11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。

　　目前国际建筑采光技术的主要动向有以于二个方面：

（一）天然光资源（光气候）研究不断深入

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

　　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。

（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气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。直接应用法主要有六种：

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。

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10 m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

此法是采用光率的光导纤维将光线引到需要采光的地方。如    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13－20 %。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。

四、建筑照明的发展趋势

　　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，保护环境乃是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V·Dvoracek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地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，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。我国绿色照明工程办公室正在启动第一次"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，国际照明委员会及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

　　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先后出版了相关技术文件，1995年在    召开了有600多家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2000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。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）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。正如英国的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，    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。    养原善和与岩尾宪三在第22届    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）推进采光照明新产品，新技术的时间越来越短

　　从近年照明媒体会上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年代以来，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：

　　光触媒技术，将二氧化钛涂在光源或灯具表面形成防污和净化环境的膜层，利用它在光线的照射下对有机物产生分解的作用，即光催化作用的原理，实现灯具和光源防污和净化环境的技术，此技术在    开始应用，效果良好。

　　光致（电致）采光玻璃，在玻璃中添加氧化银和碱金属卤化物，并引入少量的氧化铜或氧化镉等配合而成，在强光照射下，产生灰色效应；光线减弱后玻璃又恢复原状；用薄膜吸附在玻璃表面上，形成调节阳光的玻璃，并开始在建筑采光中应用。

　　人造"月亮"，就是前面提到的不夜城计划，也称在太空利用反射镜照射阳光的技术。在20世纪60年代就有人提出将一巨大的反光镜送入太空，在晚上利用它反射太阳光进行照明，这就是所谓的人造月亮。几十年来这只是设想，最近据英国泰晤士报介绍，于今年11月将一面直径75英尺的反光镜送入太空，实现多年来的设想。试验时，伦敦晚上将有5分钟沐浴在一片3英里宽的光线之中。实施人造月亮计划，需利用不少新材料和新技术，也存在诸多问题，而且众人看法不一，值得探讨。

　　纳米材料和技术，把纳米（1纳米等于10亿分之一米）微粒或添加到传统材料或吸附在其他物体表面，可得到十分独特的功效。如阳光和大气中存在对人体或文物与贵重物体有害的紫外线，而纳米微粒就具有吸收紫外线的特征和功效。比如在光源灯具或玻璃表面涂上纳米材料膜层，不仅可吸收紫外线，而且还有防污与自洁的作用，任何粘在表面上的油污、有机物或细菌在光线照射下由于纳米材料的摧化作用，可分解为气体或易于清洗的物质。

结束语

　　纵观建筑采光照明现状，展望未来，任重道远。21世纪我们充满机遇和挑战，要抓住机遇，迎接挑战，发扬"献身、创新、求实、协作"的科学精神，为推动我国建筑采光照明事业实现跨越式发展而共同努力！