高楼照明和装饰用ＬＥＤ灯

摘 要:第四代照明光源LED灯的出现为高楼照明和装饰带来了革命性的变化。从外部装饰照明用LED灯、内部装饰照明用LED灯、作为建筑材料使用的LED灯等几个方面分析了LED灯在高楼照明和装饰中的优越性。文章还对高楼中用白炽灯与LED灯进行了比较。

关键词:高楼照明;内部外部装饰照明;LED灯;作建筑材料的LED灯

中图分类号:TU113.6+67

文献标识码:B

文章编号:1008-0422(2009)03-0149-05

1引言

发光二极管LED(Light Emitter Diode的缩写)灯,是一种由半导体材料制造的全固态光源(Solid State Lighting, 缩写为SSL),既没有玻璃灯炮,也不用W丝等发光材料,它是一种崭新的光源。LED灯是继爱迪生1879年发明的白炽灯(第一代),以及后来发明的荧光灯(第二代)和高强度气体放电灯(HID) (第三代)之后的新一代光源。

第四代的LED灯可将电能直接转换为光能,具有体积小、寿命长、驱动电压低、反应速率快、耐震性佳、耗电少、发热少、色彩纯度高等特性。因而,既能够节能,又可以大大改善和提高环境质量,给人类的照明带来革命性的变化,当然也就给高层建筑的照明和装饰带来革命性的变化[1]。这就是现在新建筑的一些高楼为什么使用LED灯的原因。更为有趣的是,有些早先建好的大楼也重新将其照明和装饰灯改为LED灯,下面也将作为例子涉及到。

2外部装饰照明用LED灯

这是目前高层建筑使用LED灯的主要用途之一,目的当然是使高楼大厦更加美观漂亮、绚丽多姿、华彩动人。这主要是把LED等作为计算机屏幕“像素”(pixel)那样来使用,并且创造出梦幻般的动态照射和装饰效果。

我们知道,历来对于高楼大厦的外部照明装饰采用的是霓虹灯,即氖气灯(neon sign),“霓虹”实际上就是“neon”的不那么标准的音译,大家约定俗成,也就这么沿用了下来。霓虹灯的使用可以追溯到20世纪初期,因为法国人克洛德在1915年首次获得霓虹灯发明专利。霓虹灯是利用真空中的辉光放电现象而制成的,随着波管内所充气体的不同,特别是加进了一定的惰性气体或荧光粉之后,能发出红、绿、蓝、黄等各种颜色,因此一直是高楼大厦外部标志和轮廓线的主要装饰灯具。但是霓虹灯的缺点较多,诸如玻璃管易脆、能耗大、寿命不长以及难于做到大面积装饰照明等。虽然目前,霓虹灯在高楼的外部装饰中仍然占据着重要位置,但是终究很难逃脱被取代的命运。

与霓虹灯不同,LED灯除了上述优点之外,是能够用计算机程序进行控制,可以显示出文字、图形、图像、动画、影视等静态和动态图案。动态变化真正可以说做到千变万化,使人目不暇接的程度。加之LED的单点主动发光机制,使显示效果更为均匀柔和。这是所谓使建筑物被动发光的霓虹灯难于做到,无法比拟的。下面以几个目前世界上最先进高楼LED外部装饰照明的例子,来具体看看LED灯的优越性。

香奈儿(Chanei)店是专卖流行衣物的著名商店,它在香港、东京、巴黎和纽约都有专店。2005年底-2006年初,它在香港和东京的专店,外部玻璃幕墙都已完成了LED视频幕墙灯的安装[2,3]。据说,它的其他地方的专卖店都会陆续如此安装LED灯玻璃幕墙。香港专店总共用了Nichia NSSW 牌的21万个LED芯片,嵌入在其玻璃幕墙中和其他地方,发出的总光强度为405,000 lm(lm即流明,是光强度的单位)。玻璃幕墙的最大尺寸为22.6 m ×11.2 m (高)。每8500 LED灯一组由一台微机控制,计算机程序能控制发出1024种不同亮度的光。动画每秒可以放120帧,比通常的电影动画快5倍。它的东京专店一共用了70万只白色的LED灯,控制线路电缆达到6km长。用了3台主控计算机和65,000台微机来控制这些LED灯,每秒发出的指令可达到32万亿条。

如果说上述例子,仍然还有些像广告牌那样疑虑的话,那么下面的例子就更显示出LED灯在高楼建筑外部装饰照明的绝妙特色了。

纽约世界贸易中心(WTC)大楼,除了9.11事件被恐怖分子用飞机摧毁的双子楼之外,还有3、4、5、6、7号楼。在9.11那天下午5:20,42层高的7号WTC大楼也为双子楼倒塌的碎片损毁而倒塌。这栋楼没有经过多少争论很快就进行重建,于2006年5月23日正式开幕[4]。

新建成的7号WTC大楼高226 m,52层,它的南北两面下面7层的外围是LED灯玻璃幕墙,总面积为7000 m2,使用Nichia牌的白色和蓝色LED灯27万5千只。有趣的是,当行人走到大楼前的人行道上,由Kinecity公司设计的专门照相系统就会把他们的行动表现出来,随之使LED改变。结果7层楼高的蓝色光带会优雅地跟随着他们,就是说建筑物和人产生相互作用和融合。这种动态效果可以在纽约自由广场看得见。

西班牙塔楼Agbar Tower在2005年6月建成开幕,它是Barcelona市的标志性建筑,这座塔楼以其夜间美丽多变的装饰照明为主要特点。由计算机程序控制的LED灯,使得这座矗立在Barcelona市中心、高142 m的32层写字楼,发出灿烂辉煌、颜色多变的诱人光辉[5]。设计这座塔楼的法国建筑师J. Nouvel描述道:它是一股从地下爆裂出来的巨大流体,像一个永远有着特定压力向外喷射的喷泉。

矗立在天津银河公园中央的满月塔楼[6]是银河公园的心脏和骄傲,周围的建筑和景色围绕它来设计和建造,恰像众星拱月式的簇拥着、拱托着。什么“三天月”方案、“三五八十”四大目标(三天月广场,高50m的满月塔,八个功能各异的小广场,以及公园内璀璨的万盏明灯)无不以满月塔为中心。我们在这里感兴趣的只是塔楼的LED设置和美妙的效果。

满月塔楼并不高,只有52 m。设计者TIR和TEON公司提出的灯光设计方案是内部的照明和外部星星闪烁相结合以创造出魔术般的动态光辉灿烂效果。辉光效果用180个TIR 牌的CW照明器具,连续地向上照射塔内螺旋式楼梯的白色涂料的下侧来实现。所谓CW照明器具由60个高通量的LED灯所组成,用计算机控制以创建塔楼在垂直方向上一系列变化效果。星星闪烁效果是在设计过程中应天津市政府官员要求加进去的,用了85个DL照明器具安装在塔楼外部的水平玻璃鳍状物上来实现,愈往上安装得愈密。DL照明器具每英尺内有12个高通量的LED灯,也用计算机控制产生混乱和图案式双重闪烁效果。LED灯具的颜色为红蓝绿等,因此色彩极为鲜艳。

使用LED灯作这样设计,再配上公园内所设置的两万盏灯,所产生出来的效果,真正是美妙之极。夜晚,满月楼和围绕着它的银河公园不仅有天上群星闪烁的无限美感,又有光芒四射的灿烂辉煌。天津市民为此感到骄傲、感到愉悦;来访者则流连忘返,印象深刻。

值得指出的是最初确定满月塔楼的装饰照明并不是使用LED灯,而是使用冷阴极灯。考虑到天津市的地位,天津市形象和环境委员会才拍板决定由他们出资解决夜晚的LED灯装饰照明问题。显然这是一个有远见值得称道的决定。

韩国首尔一座时髦购物中心Galleria West Shopping Centre的外部,采用LED灯设计出了号称目前世界上最大像素的外墙,没有窗户。由联合国设计师Ben van Berkel设计的用LED灯装饰的外墙,经计算机控制后,就像是一块巨大的彩电屏幕,有1600万种颜色变化,在白天不同时间里,可以魔幻般地显示出不同颜色[7]。

3内部装饰照明用LED灯

如果说LED灯在现在作为高楼大厦外部装饰照明还不算多的话,那么在内部的照明和装饰上就花样百出了。下面只简单地挑选几个例子,讨论一下其主要特色。

上海东方明珠广播电视塔是上海市的标志性建筑之一,其中的576个光导点,原来都采用普通白炽灯,每个光导点耗电量为200瓦,2004年重新改为LED灯后,每个光导点的耗电量下降为70瓦,单单这一项改造便节约了65%的耗电,加上控制系统和其它泛光灯具的改进,匡算结果比原先灯光总功率降低了100多千瓦,用电量节省了近75%。而且,改用LED灯之后,由计算机控制的颜色变得光彩夺目,柔和雅致,妩媚动人,使这座高耸入云塔楼的的确确成了璀璨耀眼的东方明珠。

但是,对于东方明珠改用LED灯,不论是之前,还是之后,都有反对的声音。其主要理由是“节能不省钱”,因为现在LED灯的价格是普通白炽灯的十几倍甚至几十倍。其实,这些反对者哪里知道,节能的意义并不仅仅在于资金上的节省,矿物能源用了一吨就少了一吨,永远不可能再生,而钱是可以再创造的,就算是暂时多用了些钱,又有什么呢。何况LED灯还有环保方面的重要意义。根据该项工程指挥部门统计,东方明珠LED灯的整套设备加上安装工程等各方面的费用总共300多万。考虑到节能效果,特别是考虑到LED灯的特长使用寿命,从长远的经济效益来看,现时投入这些资金应当说是完全值得的!反对者只是从当前的投入着眼,没有做全面的考量。

瑞典最高摩天住宅大厦在2005年8月建成开幕,这座位于马尔摩(Malmo)市旋转式大楼,设计上独具特色[8]。大楼高190.4米,分为9个层区,每层区5层,总共54层。每层区都旋转少许,使整栋大厦共旋转90度,恰像扭动着身躯的美少女。它的LED照明被认为是住宅楼宇照明的典型。住户或住进去的客人无需其他光源,所有的照明都由楼内的LED光源解决。走廊等公共区域的照明已由光源安装设备费计入,住户无须负担。在通盘比较了普通的白炽灯和由67Golden Dragon公司所提供的LED光源系统的价格,特别是考虑了LED灯的特长使用寿命和很低的能耗之后,最后决定采用了LED灯照明系统。LED系统很容易满足1.6 m宽走廊内的160 lm照明要求,而且LED灯只有2.5 cm宽,因此在内部任何小区域的照明都易于安装,也可将它们潜入于天花板中,创造出均匀柔和的照明效果。整个大楼所用的15万只白色LED灯由计算机统一控制管理。

美国加州橘子县艺术表演中心(Orange County Performing Arts Center)已经有几十年的历史,其内部的灯光在最近用LED灯进行了改造,在2006年9月重新正式开幕。有意思的是它的新音乐厅采用了曲线结构,只有LED灯才能适应其结构。普通的灯具会产生60 Hz的交流嗡嗡声,也只有用LED灯才能保证绝对没有噪声。还有,只有使用LED灯才能整个地统一地用计算机进行灯光控制。结果,这个音乐厅的LED灯光的确达到了均匀、暖色、柔和、发热很少而又能控制自如相当理想的程度[9]。

美国明尼阿波利斯(Minneapolis)市Spin夜总会大厅的内部装饰照明不仅别具一格,而且真可谓是色彩斑斓、漂亮迷人[10]。首先在它的入口处安装了20英尺×25英尺的水冷壁,水沿着玻璃板的前面涓涓流下,用5 瓦的LED灯制作的灯具安放在玻璃之后创造出流动照明效果。LED灯具与俱乐部其它部分同步改变水冷壁的颜色,使整个房间创造出一种缓慢改变色调的景象。第二层是酒吧,叫做波浪酒吧,它的玻璃拱顶用Nova牌LED条带照亮。LED条带与基座成115度,而与顶部成30度角度。玻璃的边完全是发毛的,因而实际的LED灯条带被隐藏起来了,使得整个拱顶呈现出鲜艳夺目的光彩。

坐落在美国Texas奥斯丁市的Element Labs是一个专门为娱乐、建筑和标志性工业建筑设计和制造LED视频装饰产品的著名实验室,这里只列举由该实验室在2005年所设计制造的1123平方英尺的LED灯天花板屏幕。请看,其光照效果是多么的令人赞叹!该屏幕一共用了28000个可动的LED灯点,全部由计算机控制其变化多端的光度[11]。

从以上几个例子就不难看出LED内部装饰照明的变化多端和美丽迷人。试想想,房间里看不到现在普通灯具的踪迹,只有那强弱变化自如、色彩绚丽、柔和动人、令人遐想连连的光照。尤其是根据需要可设计出星空、月夜、日光等不同变幻的天花板和室内光源。你看,在星空状态时,只有天花板上的‘繁星’闪烁,屋内物品依稀可见。在月夜状态时,一轮‘明月’高悬天花板上,室内洒满清冷的‘月’光。而在日光状态时,只见‘太阳’,把室内映照得如同白昼。这是仙境吗?不!这是LED灯装饰照明的现实,只是现在还比较鲜见罢了。

4作为建筑材料使用的LED灯

通常,人们都是把LED作为照明和显示材料,现在我们来讨论一个全新的概念,即LED能不能与其他建筑材料一起创造出所需要的效果,也就是把它作为建筑材料的一部分,而不仅仅是装饰照明效果而已。细心的读者从上面的讨论实际上可以发现一些与之有关的内容,我们只是没有集中强调和系统化而已。能够如此做的根由,除了LED具有上述优点之外,还在于LED能够完全可以用计算机程序进行控制。美国哈佛大学建筑系的教授Michelle Addington带领研究生在这方面进行了一些很有意思的实验,并在2006年1月公布了得到的结果。他们得出的结论是LED的确可作为建筑材料的一部分来使用,并认为这是建筑照明和建筑物内部设计一个相对来说新的方向。此外也有其他的人进行了类似研究。下面简单地介绍其主要结果。

首先是关于LED和其他材料之间的相互作用,主要考察在不同材料上LED灯发出光的入射角和距离如何影响我们的视觉(visual perception)。所用的材料为白纸、1/2英寸厚经过喷砂的丙烯酸片、白色薄塑料片、镜子、透明玻璃、放大镜、Si片以及琥珀色丙烯酸透明片等。放置的距离分别是10cm,5cm,2cm和0cm。然后将各种情况下的照片拍摄下来。

此外,还进一步利用LED来创建一些有趣的现象,比如用单一的白色LED灯照射不同物体,像发光薄膜片、费涅尔透镜光栅片、气泡包装纸与碳酸盐结构片等表面,拍摄所产生现象的照片。或者是用LED灯和弯曲的丙烯酸棒创造英文字母a等等。

这些实验的照片表明,LED灯与实验中所用的一系列材料之间相互作用。而且光的入射角、离开的距离以及亮度对于最后的影像和视觉有很大的影响。

在这些实验的基础上,进一步作了一系列的LED与其他建筑材料的建筑学现象实验。主要考察了两个方面。第一个方面是不仅仅像现在绝大多数用的那样,即只用LED作为计算机屏幕的像素,而是用LED创造出整体上与周围环境一致的照明现象。第二个方面,是创造出相互作用的建筑学成分。所进行过的一些具体实验包括:

第一,为了创造出悬浮于空气中的照明点,而且其照明行为要与人在空间里走路所留下来的脚印相对应,使用了80根短的光纤,从天花板落下,在顶部放置了一个由控制程序控制的白色LED灯所组成的4×3光栅。当采用不同的LED灯,得到了不同的点状形照片。上面第二部分中所说的Element实验室所创建造1123平方英尺的LED灯天花板屏幕,就是其实际应用。

第二,利用LED灯灯光与建筑物内部之间的反应,创造出普通的投射光照明,使得行人有可能与在其之上的建筑物内所发生的现象相互作用,从而建立起建筑物内外之间的有趣关联。第一部分中7号WTC大楼玻璃幕墙的LED灯设置就是这种实际应用的一个例子。

第三,根据上述两点所得结果,就可以制造出LED光栅的整个墙,不仅是每一个LED灯可以由程序进行控制,而且还可以用伺服马达来控制它离开和趋向于散射表面的运动。因而可以改变照明的焦距,这在夜晚特别有用处。

显然,这些实验已经有了应用实例,但还需要在更大的范围内和实际的建筑物上进行更多的工作,哈佛大学建筑系以及其他一些的学者们在继续进行研究,我们可以拭目以待有关结果。

在这一部分的最后,我们来看看LED灯作为建筑材料使用的两个已经开始实用的材料,一个是网格像(Image-Mesh), 它是用小的像像素一样的RGB LED灯嵌入于塑料中制成的一种2D栅格,它的网格结构不凸显、重量轻,而且易于装配和拆除。比如有一种网格像能够弯曲到直径0.5 m 的曲度,0.9 m×0.9 m的网格像模块只有1.5 kg重,厚只有6.5 mm。每个模块中有1296 LED芯片,芯片间距为25 mm。网格像用计算机控制。结果可以出任何形式的视频显示。

第二种是所谓的视频墙(video wall)。这种视频墙可以只有半英寸厚,但却可以用来覆盖摩天大楼。如果大楼是圆形的,也没有任何问题,实际上,它可以用在任何形式的建筑物上。视频墙也是由计算机控制的三颜色RGB LED灯制成的,中心计算机指令每个LED像素改变的颜色可以高达1600万种。

5高楼中用白炽灯与LED灯比较

前面在讨论上海东方明珠从白炽灯改为LED灯之后,已经涉及到两者能量损耗的具体比较。这里再以纽约Bardavon剧院改用LED灯后,与原来普通灯的比较为例。这座有着130年历史的古老剧院,照射它的巨大门罩以及招牌等剧院外部,原来用的3600只白炽灯改用LED灯后,两相对比,给人以焕然一新的感受[12]。有关方面宣称,改用LED取代白炽灯,剧院和市政当局取得双赢。为什么会双赢呢? 因为使用LED灯每年节电38237 kWh,节约钱3203美元,在LED使用寿命10万小时期间,共节约35233美元。此外,白炽灯的寿命平均为1000小时,就是说大抵上一年要换一次灯泡,3600个灯泡更换需要的劳动用工费全年为51246美元(注意美国的用工费是很高的),安装了LED灯之后,很少需要维护,这项费用基本上可以省下。还有,外部安装的LED灯具有避免日晒雨淋等气候变化造成损害的优点。因此,剧院和市政当局都感到满意,达到了双赢的目标。

6展望

自从1879年爱迪生发明白炽灯之后,120年来相继出现的荧光灯和HID灯二三代灯光产品,把世界上的高楼大厦打扮得熠熠生辉,光彩照人,为装饰照明立下了不可磨灭历史功绩。但是新一代LED灯使得高楼的装饰照明更加节能、更为有效,更加灿烂、更为动人,它所引起的高楼照明革命性的变化势必不可阻挡。随着科技的发展,LED灯终将取代它的前辈,也是意料之中的。

实际上,为了降低能源的使用和CO2的排放,欧盟在2008年12月8日做出决定,要求其成员国从2009年起减少白炽灯的生产和使用,而到2012年将完全禁止。美国国会在2007年12月19日批准了新的能源法案,要求停止白炽灯的生产,并规定到2012年停止使用。澳大利亚政府也有类似的规定。

在我国,因为目前LED灯价格还较高昂以及在大功率灯等方面尚不如它的前辈们,致使一些人就LED灯在高楼照明上有所微词,比如说“LED灯节能不省钱。”这其实是一种短视之见,没有考虑到日后的发展的结果。看来在这个问题上,也得要“风物宜长放眼量”啊!

参考文献:

[1] Arpad Bergh,George Craford, Anil Duggal,et al,The Promise and Challenge of Solid-State Lighting,Phys Today, 2001,54 (12): 42-47.

[2] LED Effects, Inc., Prince"s Building-Hong Kong, 2005,/

brochures/booklets/prince.pdf.

[3] Shinichiro Kobayashi(小林伸一郎), Building by Chanel Tokyo, 2005.

[4] LEDs Magazine, World Trade Center-Building 7, 2006./brochres/booklets/wtc7.pdf.

[5] LEDs Magazine, LightLed brightens the Agbar Tower in Barcelona, 2006.2,/news/3/2/2.

[6] LEDs Magazine Review, Project Review: Full Moon Tower, Galaxy Park, Tianjin,2006.2, Issue 5: 20.

[7] Monolithic Dome BBS,More evidence that glazing is silly,2007.6.17.http://bbs.monolithic.com/viewtopic.php?f=11&t=2014&start

=30. Ruairi Glynn, MediaArchitecture - New Technologies and New Materials, 2007.9.25./features/3/4/4.

[9] LightingScience, Project Overview - Orange County Performing Arts Center California, 2008. http://lsgc.com/downloads/OCPAC_

Overview_Final_08-21-08.pdf.

[10] Chrissi Mark, A new nightclub with the whole package, SPIN, Minneapolis./images/CSI.pdf.

[11] Element Labs, O2 Floats On A Media Cloud With Versa PIXEL, 2005./Projects/O2MediaCloud.html.

[12] LEDs Magazine Review, LEDs bulbs headline at historic theater in NY state, 2005.8.http://ledsmagazine.com/features/2/8/1/1.

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