垂直城市——未来的城市
照明技术
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图片来源:Osram

垂直城市有巨大的面积,原则上都需要人工照明。考虑到传统城市有很大一部分照明取自自然光,如果垂直城市提供同样多的生活与工作空间,就会需要更多的人工照明。从总量上看,即使考虑调度优化,传统城市白天大量采用室内照明等因素,垂直城市的照明总量(发光量)也要达到同样人口的传统城市的两倍左右。也就是在垂直城市中,每人需要两倍左右的人工光。

这是一个估算。不同的传统城市在不同的政策、建筑风格及照明规范条件下,在照明上的用电量差别很大。美国人均用电量约是中国人的四倍,但是照明用电是中国人的八倍。美国还采用了夏令时制度,以减少照明用电。美国照明用电量大的主要原因有:封闭大楼比较多,昼夜都需要照明;人均住房面积大,相应照明面积大;公共区域的照明有规定,很多地方彻夜不能熄灯。我们用软件对照明用电量进行了模拟计算。结果发现,垂直城市的照明用电,比美国现有的人均照明量多百分之三十。

虽然垂直城市需要更多的照明,但也有如下因素需要考虑:

一、照明用电占全社会用电的比例不算高,在中国是百分之十二,美国约百分之二十。注意用电量不等于能源消耗量。即使比较大幅度地提高照明用电的消耗量,总的用电量还是在社会可以承受的范围内。

二、现行主流照明技术比较落后,灯具的发光效率还比较低。全面使用高效率的灯具可以提高发光效率一到两倍。因此,也许不需要提高照明用电总量,就可以提供足够的人工光。

三、垂直城市将减少城市交通、取暖、降温方面的能源消耗。即使提高照明标准,增大部分照明电力支出,城市总的能源效率还是可以大大提高。

四、除了提高照明发光效率外,在需要高照明亮度的场合,比如体育馆,可以改善设计。我们一般说的明亮与否,是指光通量大小,单位是流明,定义为每平方米多少照度。光发出来后,如果周围封闭,并且反光度很高,即使光源不强,空间内也会很明亮。如果周边反光度小,即使光源很强,空间和可能不够明亮。如果不封闭,则开放部分相当于一个百分之百吸收光的黑体,光都从那里漏失了。比如现在的大体育馆基本都不是封闭的,上面是空的,观众席的反光率也很低,这样就需要非常强的照明光源。

五、室内照明效率总是高于室外照明。由于空间开放,传统城市有大量的室外照明,如公路、停车场、广场等,照明效率低下。垂直城市中,由于城市内任何空间都是封闭的,如果使用高反光率的涂料或者材料,总的照明功率不需要很大,就可以得到比较高的有效照度。

六、现代城市的照明中,还有很多低效率现象。人不在,照明仍在继续的过度照明现象非常普遍。在智能化的垂直城市中,自动感应技术可以减少这方面的浪费。

发光强度单位是烛光(candela, cd, 坎德拉),大约相当于一根普通蜡烛的发光强度。1烛光的光源在1立体角内的光通量为1流明,1立体角是距离1米处1平方米球面看起来的大小,三维空间圆球的立体角为4π,即4乘以圆周率,约12.57,所以1烛光共产生12.57流明的光通量。照度的单位是勒克斯(lux),定义是1流明的光在1平方米面积上的光照强度。

根据建筑规范,一般办公室的照度要求是300到500勒克斯,如果采用局部高照度,则总平均环境照度可以是200到300勒克斯。

太阳是一个极强的光源,阳光直射的情况下,能达到30000到130000勒克斯,是办公室人工照明的数百倍,普通的阴天也能达到1000勒克斯左右。

发光效率是指消耗多少能量发出多少可见光。人眼可见的光波长在400到700纳米之间,如果光源发出的光不在此范围内,就浪费了。人眼对不同波长的光,敏感度是不一样的。因此光源即使能百分之百地把电能变成光能,颜色不同,流明数也不一样。人眼对555纳米的黄绿光最敏感,1瓦的功率如果完全转变为555纳米的光,等于683流明。也就是说1瓦683流明是理论发光效率的最高值(明亮环境,亮视觉)。同样百分之百的光电效率,发出500纳米的绿光只有大约每瓦270流明,而650纳米的红光只有每瓦70流明。普通钨丝白炽灯的发光能力约为每瓦15流明,对应的发光效率约2%。荧光灯能达到每瓦50到100流明,发光效率为7-15%。最近才开始使用的发光二极管照明(LED)大约是每瓦50到200流明,效率为7-30%。对于自然白光光谱,LED的理论极限约为每瓦280流明,对应发光效率是40%左右,这是因为人眼对其它波长光不敏感引起的。到2014年,实验室中效率最高的LED灯具已经能够达到每瓦300流明(不是自然白光),比现在最好的荧光灯管高两倍。

不同光源的发光效率不同,主要因为它们的发光机制不同。蜡烛或者油灯燃烧产生高温,温度越高发出的光能量越高,波长越短,只有波长为400到700纳米的光才能产生照明效果。当温度为5500摄氏度左右时,辐射光的波长集中在人眼敏感的550纳米附近,这时候作为靠温度辐射(黑体辐射)发光的光源效率最高,约为37%。蜡烛或者油灯只能达到2000度左右,发光效率为每瓦0.5到1流明左右(参考流明和烛光的定义)。白炽灯也是同样的原理,但是温度要高一些,能达到3000度左右,效率也要高一些。

荧光灯利用高电压将灯管里面的稀薄气体原子激发,原子回到稳定态会发出特定波长的紫外线。紫外线照射到荧光物质上就会转化为可见光。这一过程虽然复杂,而且有损失,但是电激发原子的效率很高,可以达到80%以上,因此总的发光效率仍远大于白炽灯。

发光二极管(LED)是一种半导体光源。同普通半导体二极管一样,LED是一个p-n结,p端的导流子是空穴,n端的导流子是电子,电流从p端流向n端,空穴与电子结合,电子能量降低,发出一个光子。LED导电的过程就是发光的过程。不同的半导体电子空穴能量差不一样,发出的光颜色就不一样。由于电子空穴对的能量差是一定的,发出的光的能量就很集中,也就是单色性很好,但实际上由于各种原因,光子能量有一定的分布宽度,并不是完全单色的。由于LED的发光是电子直接发出一定能量的光子,因此效率很高。目前可以实现最高的发光效率是每瓦300流明,为荧光灯的3倍。LED的成本还比较高。作为新一代光源,LED还有一些优点,比如温度低,体积小,低电压工作,发光平稳(与荧光灯的闪烁相比),寿命长,可选颜色多,开关迅速并且可以容忍多次开关循环,光度可调,不怕撞击(与以真空方式工作的灯泡相比),还可以发出有方向性的光,以提高照明效率。

如果大规模推广节能灯(荧光灯),可以大幅改善照明效率,但市面上LED比荧光灯并没有多少提高,而且现在节能灯的使用率已经很高了。考虑到LED发光技术还有提高的余地,因此随着技术的发展,还是可以较大程度地提高照明效率。

我们再来看看反射的影响。考虑到反射,总的光通量或亮度实际上是光源加上多次反射的结果。如果反光率为50%,则总的亮度是1 + 50% + 25% + …… = 2,也就是1流明的光源能产生2流明的照明效果。如果发光率达到80%,这个数字是5,相当于照明效率提高了5倍。反光率为三分之一,即33.3%,效率提高50%。可惜大部分材料的发光率并不高,大约在30%到50%之间。考虑到人对环境的偏好,除了某些特定的场合,通过提高反光率大幅度提高照明效率的可能性并不大。况且在目前的室内照明中,反光率因素已经自然包括了。

因此总的来说,垂直城市需要更多的照明,但是考虑照明技术的发展、城市智能化、室内照明效率高等因素,照明部分的能源消耗并不会大幅提高。


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