LED照明示范工程建设——重庆市科技服务大厦夜景照明设计.pdf

第 2 9 卷第 2期 2 0 0 7年 4月 重 庆 建 筑 大 学 学 报 J o u r n a l o f Ch o n g q i n g J i a n z h u Un i v e r s i t y Vo 1 2 9 NO 2 Apr 2 0 07 LE D照 明示 范工程建 设 重庆 市科技服务大厦夜景 照明设计 严永红，郭秋 东，张智 勇 (1，重庆大学建筑城规学院，重 庆4 0 0 0 4 5；2 重庆市 光学 机械研究所，重 庆4 0 0 0 1 5)摘 要：简要 介 绍 了重庆 市第 一个 L E D城 市夜景 照 明 示范项 目，设 计 充分 利 用 了 L E D体 积 小、响应 快、色 彩 丰 富 等 特 点，通 过 对 一 套 自主 研 发 的、基 于 RS一 4 8 5总 线 技 术 的 L ED 智 能 控 制 系统 的 运 用，在 建 筑 外 立 面 上 通 过 LED 的 排 列，形 成 了 可 随 季 节、时 间 变化 的 大 型 夜 景 画 面，实现 了 对 大 型 夜 景 画 面 的 自 由 编 辑 和 精 确 控 制。大 大 提 高 了 系 统 的 稳 定 性，延 长 了 LED 光 源 的 寿 命。在 工 程 中 还 开 发 出 了 新 的 LED 灯 具 产 品，有 力 地 带 动 了本 地 L ED 产 业 的 发 展。关 键词：L E Ds 照 明示 范 工程；L E D 产业化；Rs 一4 8 5 串口 中图分类 号：T u1 l 3 1 文 献标识 码：A 文章 编 号：1 0 0 6 7 3 2 9(2 0 0 7)0 2 0 0 1 5 0 4 L E D E x t e r i o r Li g h t i n g De mo n s t r a t i o n P r o j e c t Li g ht i n g De s i g n o f Ch o n g q i ng S c i e nc e Te c hn o l o g y De pa r t me nt Bu i l di n g YAN Yo n gh o n g ，GUO Qi u d o n g ，ZHANG Z h i y o n g (1 C o l l e g e o f Ar c h i t e c t u r a l&Ur b a n Pl a n n i n g，Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 4 5，PR Ch i n a；2 Ch o n g q i n g Op t i c a l&M e c ha n i c al Re s e a r c h I n s t i t u t e，Ch on gqi n g 4 00 0 1 5，P RCh i n a)Ab s t r a c t：Th i s a r t i c l e b r i e f l y i n t r o d u c e s t h e d e s i g n o f t h e f i r s t LED e x t e r i o r l i g h t i n g d e mo n s t r a t i o n p r o j e c t i n Ch on g qi n g，Ch i na W i t h t h e h e l p of a uni qu e l oc a l l y d e v e l o pe d LED c o nt r o l s y s t e m b a s e d o n RS 4 8 5 BUS。a f r e e e d i t i o n a nd a c c u r a t e c o nt r ol of a v e r y l ar g e s c a l e i l l umi n a t i o n p i c t ur e s c h a ng e d a t a ny t i me ha s b e e n a c hi e v e d Thi s c o nt r o l s y s t e m a l s o i nc r e a s e s t h e s t a bi l i t y of t he who l e l i gh t i n g s y s t e m a nd e x t e n ds t he l i f e s p a n o f LE D l a mp s I n t h i s p r o j e c t，a n e w LED l u mi n a r y h a s b e e n d e v e l o p e d An i mp o r t a n t r e s u l t o f t h i s p r o j e c t i s h e l pi n g l o c a l ma nu f a c t u r e r s t o d e v e l o p be t t e r pr o duc t s f or t he ma r ke t a n d pr o mot i ng d e v e l o pme nt o f l o c al LED i ndu s t r y Ke y wo r d s：L ED l i g h t i n g d e mo n s t r a t i o n p r o j e c t；LED i n d u s t r i a l i z a t i o n：RS一4 8 5 s e r i a l c o mmu n i c a t i o n i n t e r f a c e 与传统光源相 比，L E D光源具有节能、长寿命、环 保、安全、响应快、可靠性高、维护少、体积小、重量轻等 优点，目前已成为最有 发展前景 的第 四代光源。我 国 科技部于 2 0 0 3年 6月联合信息产业部等 1 7家部委和 地方政 府启 动 了 中国 国家 半导 体 照 明工 程，2 0 0 4、2 0 0 5 两年即投人 了 8 0 0 0万元科研经费用于 L E D研究口 。作 为 中 国的第 四个 直 辖 市，重 庆 市 也 成 立 了“重 庆 市 L E D 照 明研 发 与 产 业 化联 盟”、“重 庆 市 L E D 照 明生产 力促 进 中心”，举办 了“2 0 0 4年 首届 重 庆市 L E D 照 明论坛”、“2 0 0 5年重庆市首届大学生 L E D创新 设 计大赛”等一系列活动。今后政府每年将投人数百万 的资金用于 L E D技术研发。本文介绍的重庆科技服务大厦外立面照 明，是重 庆 市 的第一 个 L E D照 明示 范项 目，本 项 目 目的是希 望 在城 市夜 景 照 明项 目中推 广 使 用 L E D，达 到 节 能、环 保的 目的，同时，鼓励 新的 L E D照明技术及控制系统 的研 发，形 成 自主知识 产权。该项 目中使用了复杂 的控制系统，使之 比常规照 明方 式具 有更 多 的灵 活性 和可 变性。该 项 目的成 功可 有效地推动我市半导体照明技术进步与产业化进程。1 建筑概况 1 1 位置 重庆科技服务大厦位于重庆江北 区新溉路段与往*收稿 日期：2 0 0 6 0 9 1 6 基金项 目：重庆市 科 委，重 庆 市 科 技 攻 关 重 大 项 目专 项(C S TC，2 O O 5 AA4 0 0 6 一 C4)；国 家 科 技 部，国 家薪 材 料 行 业 生 产 力 促 进 中 心(2 0 0 3 BA3 1 6 A0 2 0 5 0 1)作者简介：严永红(1 9 6 7 一)，女，重庆人，副教授，博士，主要从事建筑照 明设计、生态建筑技术研究。1 6 重 庆 建 筑 大 学 学 报 第 2 9卷 江北机场路交叉 口附近，为一 幢 1 8层 的高层办公建 筑，建筑风格整体简洁、明快、现代，立面以玻璃幕墙为 主，建筑外立面照明的载体条件 良好。1 2 周边 条件 大厦周边建筑多较低矮，只有少量为高层建筑，且 距离较 远，大厦 视 野 开 阔。由 于处 在 新 开 发 区，因此，大厦周边夜 间环境 亮度很低，非常适合采 用 L E D照 明。由于它是该地块唯一的一幢高层建筑，从各个方 向来看，都很突出。从视线分析的结果来看，应对其所 有立 面进行 照 明处理，其 中，北、南立 面更 为重 要。2 设计要求 2 1)使用以 L E D为主的高新照明技术，展现出重庆 科技服务大厦所特有 的时代性、创新性、高科技化，同 时反映出地域文化特征；突 出强调科技 大厦在此片 区 中的重要地位，成为新的重要 的地标建筑；2)利用 L E D色彩 变化 多、响 应快 的特 点，用 L E D 在建筑立面上组合 出各种 图案，增强照 明的趣味性和 空间的层次感；与此 同时，尝试运用复杂的画面控制系 统，使建筑夜景画面更加丰富；3)设 计方 案 充分考 虑节 能、环 保 以及 工程 成本；4)通 过项 目开 发 出 具 有 自主 知 识产 权 的 L E D灯 具及 智能 控制 产 品，帮助 本地企 业 发展 L E D产业。3 照明方案设计 作为重庆市的 L E D照明示范工程，此次设计经历 了一个漫长的设计周期。反复讨论、不断修改，才使方 案最终定稿，由于在 实施 中涉及到一些技术 问题，因 此，最初的方案设计与实施方案有一定差异。下面，我 们将对方案进行简要介绍。为节省篇 幅，我们仅对最 主要 的北 立面 进行介 绍。北立面照明设计大体上分为五部分：位于立面中央的隐框玻璃幕墙 照明、楼身的显框 玻璃幕墙照明、顶部玻璃穹顶照明、顶部标志照明、建 筑 底 层照 明(见 图 1)。3 1 隐框玻 璃幕 墙照 明 L E D点光源大屏幕 图 1 北立面灯具布 置 图 从我国目前的城市夜景建设方式来看，通常都 由 政府或业主投入资金进行建设，这是一笔很大的开支，第 2期 严永 红，等：L E D 照 明示 范工程 建设 重 庆 市科 技服 务 大厦夜 景 照 明设 计 1 7 而建成后每年的维护运行费也是个不小的数字。对于 业 主方 来说，是 只有投 入 没有产 出 的项 目。因此，在本 项 目中，我 们最 初 的设想 是 试 图让 投 资 方 从 夜 景建 设 中获得 投 资 回报|l3 ：在 1 2 1 6层 间 的幕 墙 上，设 计 了 一个 由全彩 L E D点光 源组 成 的“大 屏幕”，与 常见 的室 外大屏 幕不 同 的是，它 由设 置在 玻璃 幕墙 外 的 L E D点 状光带构成，每层 四条，形成了数个 1 6 1 6的 L E D点 阵 ，可根据程序变化来动态地展示不同的广告 画面(见 图 2)，价 格 远 远 低 于 常 规 的 大屏 幕。光 带 的设 置 避开了窗扇开启部位，但支架对室 内视线有一定 的影 响。图 2 L ED 大 屏 幕 构 想 由于投 资方 可 以通 过 发 布 广 告来 赚 取 利 润，其 收 益远高于投资，因此，这一想法 得到了业 主方 的支持。但在讨论具体施工方案时却发现，为解决“大屏幕”对 室内视线遮挡问题所付出的代 价过高，因此只能忍痛 放弃。但通 过这 次方 案尝 试，我们 找 到 了影 响“大屏 幕”可行性和决定施工成本的主要 因素一一 所处建筑立面 的材质及安装方式：如屏幕背景为点接式玻璃幕墙，灯 具可 安装 在连 接件处(室 内)，不需 额 外 的支架，成本 较 低，且 维护 方便，但 室 内灯 光 会 对“大 屏 幕”产 生 干 扰；如背 景为 带状 玻璃 幕 墙，则 灯 具 必 须 外 装。这 样 就 涉 及到开窗问题，必须制作悬臂较大的支架 以保证窗户 的开启。同时还 必须 考 虑支架 及 灯具 对视 线 的遮挡 问 题；如背景为实墙面，则 灯具可直接安装在墙面上，成 本最低，且 由于无杂散光 干扰，画面效果最好。因此，尽 管本 次设 计 由于 客观 条 件 限制，无 法 实 现 我 们 的 设 想，但 从成本 分 析来 看，如果 有 足 够 的 实 墙 面作 背 景，这一想法 是 完全 可 以实现 的。L E D点光 源 照明 在隐框 玻 璃 幕 墙 上，设 置 了 两 组 5 w 只 的 彩 色 L E D点光源，可配合音乐产生跳动和图案变化，用于 烘托 节 日气氛。在南立面的相应位置上，我们将 L E D点光源换成 了 自主 研发 的新 型 L E D 流 彩 灯，L E D 流 彩灯 的色 彩 饱满、明亮，可实现多种动态变化组合，这是常规流彩 灯 和爆 光灯 管难 以实 现 的。一 LE D 线光 源照 明 在最 初 的方案 设计 中，为配 合时 间变 化，在 幕墙 内 每层 楼梯 间 的檐 口位置，装 设 了 2 1 w T 5荧光 灯，当幕 墙上 的 L E D 灯具 全部 关 闭时开 启，以形成 简 洁的 内透 光效 果(见 图 3)。但 由于取 消 了建 筑顶 层 的“大屏 幕”设 计，而 甲方 对可显 示 画面 的“大 屏 幕”方 案非 常认 可，因此，将这 部分 照 明 方式 改 为 了 L E D 点 光 源设 计，试 图在 此处 形成 一个 点数 较稀 疏 的“大 屏幕”。从 实施 的 效 果 来看，尽 管画 面 的精 度 和 复 杂程 度远 无 法 与 顶部 原设计的“大屏幕”相 比，但仍可动态地显示一些简单 的数 字和 图案。图 3内 透 光 效 果 3 2显 框玻 璃幕 墙照 明 在这 一 部 位，设 置 了 L E D线 状 灯 具，没有 按 常 规 采 用 同一 规格 的灯 具，而是 采用 渐变 的形 式，选 用 了长 度分 别 为 3 0 0 ml T l、6 0 0 1 3 3 13 3 、9 0 0 13 3 1 3 3 ，功 率 分 别 为 1 O w、1 5 w、2 O w 的 L E D灯 具，消 除 了均 匀设 置 线状 灯 具所 产生 的单 调感，使 画 面显得 疏 密有致，更 加富 于变 化和 生动。由于整 个 系统 的智 能控 制系 统 由我们 自主 开发设计，因此，此处每一支 L E D线状灯具均被分为 四段 控制，可 更 自由地 实现 图案 变化，这 也是本 项 目的 创 新 之一。3 3 顶 部玻 璃 穹顶照 明 构 思来 源 于星 辰 满 布 的 星空 图，为 了 突 出顶 部 星 空 的效 果，在用 灯上，选 用 了 2 O w 的 L E D 点 光 源，而 建 筑其 它部 位 的 L E D 点 光 源 的功 率 则 较 小，为 5 w，l 8 重 庆 建 筑 大 学 学 报 第 2 9卷 以保证顶部星空有更高的亮度。3 4顶 部标 志照 明 电梯机 房泛 光 照 明 在 屋 顶上设 置 了 6 8盏 6 O W 的 L E D投 光 灯 对 顶 部电梯机房各面进行泛光照 明，可根据季节产生不同 色彩 变化。如春、夏、秋、冬分别 用 绿、蓝、黄、红 色来 表 现。灯具内的控制元件由我们 自行设计、制作。标 志照 明 顶 部 的标志 照 明在城 市夜 空 中最 为醒 目。标 志牌 采用 自发光照明，采用微机 控制可实现徽标的各种 色 彩、动作变化，其控制系统 的复杂程度甚至超过了整幢 建筑 的外 立 面 照 明控 制 系统。避雷 针 的照 明采 用 1 0 0 W 极窄配光的 L E D投光灯重点照 明，为了提高亮 度，在避雷针上涂有发光涂料(见图 2)。3 5 控 制 系统 本 项 目在 控 制 系统 的设 计 上，目前 在 国内属 领 先 水平。新开发 的控制系统主要具有以下特点 5 ：1)实现了夜景照明中点对点的通信；2)实现夜景照明中色彩的的灰度等级变化；3)实现了效果的软件画面编辑、实时通信；4)实现了与楼宇智能控制系统的接 口配合；5)消除了目前夜景照 明控制系统中常见的“一灯 坏一 片灭”的弊端。本灯光控制系统是一个基 于 R S 4 8 5通信技 术 的 现场总线，主要包括：系统构架设计、通信协议设计、软 件构架设计的三个关键方面。从硬件上来看，属于在总线上外挂各类类别控制 器，并 由主控统一管理的主从式总线型夜景控制系统。包括主控层、通信层、及 L E D灯具层，系统层次结构如 表 l所示。表 1 系统 逻 辑 层 次 结构 图 主控层 主控制软件 主控制器 通信层 L E D灯具层 类别 控制器 L E D灯具 从软件上来，可看分为三层：界面交互层、数据处 理层、数据传输层。在模型中，界面交互层为友好 的主 人机交互界面，它向用户提供整个系统的运行情况、控 制 器 的运行情 况、灯光 效 果编辑、系统参 数 的设定。数 据处理层是交互层和传输层 的桥梁，该层根据上层 的 设定，进行相关数据信息的处理，并将下层反馈数据进 行处理后传送到交互层。传输层将通 过数据协议，组 织成帧、打包，通过通信物理层发送给 主控制器，并继 续将数据分配。4 结 语 由于整个夜景系统由我们 自主设计、研发、制作，因此，节约了大量的成本：在项 目初期，我们 曾进行过 成本测算 由于项 目的控制系统相当复杂，如果采 用直接购买成品的方式，仅控制系统一项，即要花费约 2 0 0万元。因此，从经济性来看，是不可行 的。而通过 一年多的艰苦研发，我们开发出了 目前的控制系统，其 性能已完全达到了设计要求，可替代国外同类产品，且 价格优势非常明显。同时，为保证 L E D的稳定性及与 系统 的匹配性，项 目所有 L E D灯具的组装均由我们 自 行完 成，解决 了光 源 散 热 问 题，延 长 了 L E D光 源 的 寿 命，系统更加稳定。因此，从 L E D灯具 的质量和价格 来看，都大大优于国内同类产品。本项 目最终总投资为 2 0 0万元人民币，远低于国 内同类项 目的投资。同时，尽管作为示范项 目，使用了 五大类不 同功率、不同形式、共 2 1 4 6套 L E D灯具，而 整幢大楼的夜景照明系统(包括顶部标志)的总用电负 荷却仅为 l O个千瓦，仅相当于一幢普通住宅楼顶部泛 光照 明的用 电负荷。因此，从经 济、节能、提高 自主创新能力等角度来 看，本项 目无疑是非常成功的。此外，通过本项 目的实践和摸索，我们开发出了新 的 L E D流彩灯，并形成 了一条生产线，为本市 L E D产 业化和 L ED产品本土化提供了示范。我们相信，通过 这 个 项 目的实 施，将会 对本地 L E D产 业 的发展起 到积 极 的推动作用。在 2 0 0 5年 度 重 庆市 优 秀 夜景 照 明工程 项 目的评 选 中，本项 目被 评 为重 庆市夜 景八 大精 品项 目之 一。参考文献：1 重庆大学半导 体 照明工 程研究 中心 重 庆大学 半导体 照 明 工 程 发 展 研 究 思 路(R 2 0 0 5 E 2 严永红，王丹 重庆科技服 务大 厦外立 面照明设计方案 文 本(R 2 0 0 4 E 3 Y o n g h o n g Y a n。Ta n g GL e e，Z h i y o n g Z h a n g，E x t e r i o r Li g h t i n g De s i g n o f Ch o n g q i n g S c i e n c e&Te c h n o l o g y De p a r t me n t Bu i l d i n g(J Ch i n a I l l u mi n a t i n g En g i n e e r i n g J o u r n a l，2 0 0 5，(1)：7 5 7 8 E 4-1 严永红，何 宏光 文学 化叙 事 手法 在 夜景 设计 中的运 用 J 重庆建筑大学学报，2 0 0 6，2 8(2)：1 4 1 6 E 5-1 郭秋东，严永 红 基于 R s 一4 8 5总 线 L E D立 面照 明智 能 控制系统 A 2 0 0 6年 中国照 明学会 青 年学术 论坛 半导体(L E D)照明设计与应用论文集(C 2 0 0 6 (编辑 陈 蓉)