張邦維

摘 要:第四代照明光源LED燈的出現(xiàn)為高樓照明和裝飾帶來了革命性的變化。從外部裝飾照明用LED燈、內(nèi)部裝飾照明用LED燈、作為建筑材料使用的LED燈等幾個方面分析了LED燈在高樓照明和裝飾中的優(yōu)越性。文章還對高樓中用白熾燈與LED燈進行了比較。

關(guān)鍵詞:高樓照明;內(nèi)部外部裝飾照明;LED燈;作建筑材料的LED燈

中圖分類號:TU113.6+67

文獻標(biāo)識碼:B

文章編號:1008-0422(2009)03-0149-05

1引言

發(fā)光二極管LED(Light Emitter Diode的縮寫)燈,是一種由半導(dǎo)體材料制造的全固態(tài)光源(Solid State Lighting, 縮寫為SSL),既沒有玻璃燈炮,也不用W絲等發(fā)光材料,它是一種嶄新的光源。LED燈是繼愛迪生1879年發(fā)明的白熾燈(第一代),以及后來發(fā)明的熒光燈(第二代)和高強度氣體放電燈(HID) (第三代)之后的新一代光源。

第四代的LED燈可將電能直接轉(zhuǎn)換為光能,具有體積小、壽命長、驅(qū)動電壓低、反應(yīng)速率快、耐震性佳、耗電少、發(fā)熱少、色彩純度高等特性。因而,既能夠節(jié)能,又可以大大改善和提高環(huán)境質(zhì)量,給人類的照明帶來革命性的變化,當(dāng)然也就給高層建筑的照明和裝飾帶來革命性的變化[1]。這就是現(xiàn)在新建筑的一些高樓為什么使用LED燈的原因。更為有趣的是,有些早先建好的大樓也重新將其照明和裝飾燈改為LED燈,下面也將作為例子涉及到。

2外部裝飾照明用LED燈

這是目前高層建筑使用LED燈的主要用途之一,目的當(dāng)然是使高樓大廈更加美觀漂亮、絢麗多姿、華彩動人。這主要是把LED等作為計算機屏幕“像素”(pixel)那樣來使用,并且創(chuàng)造出夢幻般的動態(tài)照射和裝飾效果。

我們知道,歷來對于高樓大廈的外部照明裝飾采用的是霓虹燈,即氖氣燈(neon sign),“霓虹”實際上就是“neon”的不那么標(biāo)準(zhǔn)的音譯,大家約定俗成,也就這么沿用了下來。霓虹燈的使用可以追溯到20世紀(jì)初期,因為法國人克洛德在1915年首次獲得霓虹燈發(fā)明專利。霓虹燈是利用真空中的輝光放電現(xiàn)象而制成的,隨著波管內(nèi)所充氣體的不同,特別是加進了一定的惰性氣體或熒光粉之后,能發(fā)出紅、綠、藍、黃等各種顏色,因此一直是高樓大廈外部標(biāo)志和輪廓線的主要裝飾燈具。但是霓虹燈的缺點較多,諸如玻璃管易脆、能耗大、壽命不長以及難于做到大面積裝飾照明等。雖然目前,霓虹燈在高樓的外部裝飾中仍然占據(jù)著重要位置,但是終究很難逃脫被取代的命運。

與霓虹燈不同,LED燈除了上述優(yōu)點之外,是能夠用計算機程序進行控制,可以顯示出文字、圖形、圖像、動畫、影視等靜態(tài)和動態(tài)圖案。動態(tài)變化真正可以說做到千變?nèi)f化,使人目不暇接的程度。加之LED的單點主動發(fā)光機制,使顯示效果更為均勻柔和。這是所謂使建筑物被動發(fā)光的霓虹燈難于做到,無法比擬的。下面以幾個目前世界上最先進高樓LED外部裝飾照明的例子,來具體看看LED燈的優(yōu)越性。

香奈兒(Chanei)店是專賣流行衣物的著名商店,它在香港、東京、巴黎和紐約都有專店。2005年底-2006年初,它在香港和東京的專店,外部玻璃幕墻都已完成了LED視頻幕墻燈的安裝[2,3]。據(jù)說,它的其他地方的專賣店都會陸續(xù)如此安裝LED燈玻璃幕墻。香港專店總共用了Nichia NSSW 牌的21萬個LED芯片,嵌入在其玻璃幕墻中和其他地方,發(fā)出的總光強度為405,000 lm(lm即流明,是光強度的單位)。玻璃幕墻的最大尺寸為22.6 m ×11.2 m (高)。每8500 LED燈一組由一臺微機控制,計算機程序能控制發(fā)出1024種不同亮度的光。動畫每秒可以放120幀,比通常的電影動畫快5倍。它的東京專店一共用了70萬只白色的LED燈,控制線路電纜達到6km長。用了3臺主控計算機和65,000臺微機來控制這些LED燈,每秒發(fā)出的指令可達到32萬億條。

如果說上述例子,仍然還有些像廣告牌那樣疑慮的話,那么下面的例子就更顯示出LED燈在高樓建筑外部裝飾照明的絕妙特色了。

紐約世界貿(mào)易中心(WTC)大樓,除了9.11事件被恐怖分子用飛機摧毀的雙子樓之外,還有3、4、5、6、7號樓。在9.11那天下午5:20,42層高的7號WTC大樓也為雙子樓倒塌的碎片損毀而倒塌。這棟樓沒有經(jīng)過多少爭論很快就進行重建,于2006年5月23日正式開幕[4]。

新建成的7號WTC大樓高226 m,52層,它的南北兩面下面7層的外圍是LED燈玻璃幕墻,總面積為7000 m2,使用Nichia牌的白色和藍色LED燈27萬5千只。有趣的是,當(dāng)行人走到大樓前的人行道上,由Kinecity公司設(shè)計的專門照相系統(tǒng)就會把他們的行動表現(xiàn)出來,隨之使LED改變。結(jié)果7層樓高的藍色光帶會優(yōu)雅地跟隨著他們,就是說建筑物和人產(chǎn)生相互作用和融合。這種動態(tài)效果可以在紐約自由廣場看得見。

西班牙塔樓Agbar Tower在2005年6月建成開幕,它是Barcelona市的標(biāo)志性建筑,這座塔樓以其夜間美麗多變的裝飾照明為主要特點。由計算機程序控制的LED燈,使得這座矗立在Barcelona市中心、高142 m的32層寫字樓,發(fā)出燦爛輝煌、顏色多變的誘人光輝[5]。設(shè)計這座塔樓的法國建筑師J. Nouvel描述道:它是一股從地下爆裂出來的巨大流體,像一個永遠有著特定壓力向外噴射的噴泉。

矗立在天津銀河公園中央的滿月塔樓[6]是銀河公園的心臟和驕傲,周圍的建筑和景色圍繞它來設(shè)計和建造,恰像眾星拱月式的簇?fù)碇?、拱托著。什么“三天月”方案、“三五八十”四大目?biāo)(三天月廣場,高50m的滿月塔,八個功能各異的小廣場,以及公園內(nèi)璀璨的萬盞明燈)無不以滿月塔為中心。我們在這里感興趣的只是塔樓的LED設(shè)置和美妙的效果。

滿月塔樓并不高,只有52 m。設(shè)計者TIR和TEON公司提出的燈光設(shè)計方案是內(nèi)部的照明和外部星星閃爍相結(jié)合以創(chuàng)造出魔術(shù)般的動態(tài)光輝燦爛效果。輝光效果用180個TIR 牌的CW照明器具,連續(xù)地向上照射塔內(nèi)螺旋式樓梯的白色涂料的下側(cè)來實現(xiàn)。所謂CW照明器具由60個高通量的LED燈所組成,用計算機控制以創(chuàng)建塔樓在垂直方向上一系列變化效果。星星閃爍效果是在設(shè)計過程中應(yīng)天津市政府官員要求加進去的,用了85個DL照明器具安裝在塔樓外部的水平玻璃鰭狀物上來實現(xiàn),愈往上安裝得愈密。DL照明器具每英尺內(nèi)有12個高通量的LED燈,也用計算機控制產(chǎn)生混亂和圖案式雙重閃爍效果。LED燈具的顏色為紅藍綠等,因此色彩極為鮮艷。

使用LED燈作這樣設(shè)計,再配上公園內(nèi)所設(shè)置的兩萬盞燈,所產(chǎn)生出來的效果,真正是美妙之極。夜晚,滿月樓和圍繞著它的銀河公園不僅有天上群星閃爍的無限美感,又有光芒四射的燦爛輝煌。天津市民為此感到驕傲、感到愉悅;來訪者則流連忘返,印象深刻。

值得指出的是最初確定滿月塔樓的裝飾照明并不是使用LED燈,而是使用冷陰極燈。考慮到天津市的地位,天津市形象和環(huán)境委員會才拍板決定由他們出資解決夜晚的LED燈裝飾照明問題。顯然這是一個有遠見值得稱道的決定。

韓國首爾一座時髦購物中心Galleria West Shopping Centre的外部,采用LED燈設(shè)計出了號稱目前世界上最大像素的外墻,沒有窗戶。由聯(lián)合國設(shè)計師Ben van Berkel設(shè)計的用LED燈裝飾的外墻,經(jīng)計算機控制后,就像是一塊巨大的彩電屏幕,有1600萬種顏色變化,在白天不同時間里,可以魔幻般地顯示出不同顏色[7]。

3內(nèi)部裝飾照明用LED燈

如果說LED燈在現(xiàn)在作為高樓大廈外部裝飾照明還不算多的話,那么在內(nèi)部的照明和裝飾上就花樣百出了。下面只簡單地挑選幾個例子,討論一下其主要特色。

上海東方明珠廣播電視塔是上海市的標(biāo)志性建筑之一,其中的576個光導(dǎo)點,原來都采用普通白熾燈,每個光導(dǎo)點耗電量為200瓦,2004年重新改為LED燈后,每個光導(dǎo)點的耗電量下降為70瓦,單單這一項改造便節(jié)約了65%的耗電,加上控制系統(tǒng)和其它泛光燈具的改進,匡算結(jié)果比原先燈光總功率降低了100多千瓦,用電量節(jié)省了近75%。而且,改用LED燈之后,由計算機控制的顏色變得光彩奪目,柔和雅致,嫵媚動人,使這座高聳入云塔樓的的確確成了璀璨耀眼的東方明珠。

但是,對于東方明珠改用LED燈,不論是之前,還是之后,都有反對的聲音。其主要理由是“節(jié)能不省錢”,因為現(xiàn)在LED燈的價格是普通白熾燈的十幾倍甚至幾十倍。其實,這些反對者哪里知道,節(jié)能的意義并不僅僅在于資金上的節(jié)省,礦物能源用了一噸就少了一噸,永遠不可能再生,而錢是可以再創(chuàng)造的,就算是暫時多用了些錢,又有什么呢。何況LED燈還有環(huán)保方面的重要意義。根據(jù)該項工程指揮部門統(tǒng)計,東方明珠LED燈的整套設(shè)備加上安裝工程等各方面的費用總共300多萬。考慮到節(jié)能效果,特別是考慮到LED燈的特長使用壽命,從長遠的經(jīng)濟效益來看,現(xiàn)時投入這些資金應(yīng)當(dāng)說是完全值得的!反對者只是從當(dāng)前的投入著眼,沒有做全面的考量。

瑞典最高摩天住宅大廈在2005年8月建成開幕,這座位于馬爾摩(Malmo)市旋轉(zhuǎn)式大樓,設(shè)計上獨具特色[8]。大樓高190.4米,分為9個層區(qū),每層區(qū)5層,總共54層。每層區(qū)都旋轉(zhuǎn)少許,使整棟大廈共旋轉(zhuǎn)90度,恰像扭動著身軀的美少女。它的LED照明被認(rèn)為是住宅樓宇照明的典型。住戶或住進去的客人無需其他光源,所有的照明都由樓內(nèi)的LED光源解決。走廊等公共區(qū)域的照明已由光源安裝設(shè)備費計入,住戶無須負(fù)擔(dān)。在通盤比較了普通的白熾燈和由67Golden Dragon公司所提供的LED光源系統(tǒng)的價格,特別是考慮了LED燈的特長使用壽命和很低的能耗之后,最后決定采用了LED燈照明系統(tǒng)。LED系統(tǒng)很容易滿足1.6 m寬走廊內(nèi)的160 lm照明要求,而且LED燈只有2.5 cm寬,因此在內(nèi)部任何小區(qū)域的照明都易于安裝,也可將它們潛入于天花板中,創(chuàng)造出均勻柔和的照明效果。整個大樓所用的15萬只白色LED燈由計算機統(tǒng)一控制管理。

美國加州橘子縣藝術(shù)表演中心(Orange County Performing Arts Center)已經(jīng)有幾十年的歷史,其內(nèi)部的燈光在最近用LED燈進行了改造,在2006年9月重新正式開幕。有意思的是它的新音樂廳采用了曲線結(jié)構(gòu),只有LED燈才能適應(yīng)其結(jié)構(gòu)。普通的燈具會產(chǎn)生60 Hz的交流嗡嗡聲,也只有用LED燈才能保證絕對沒有噪聲。還有,只有使用LED燈才能整個地統(tǒng)一地用計算機進行燈光控制。結(jié)果,這個音樂廳的LED燈光的確達到了均勻、暖色、柔和、發(fā)熱很少而又能控制自如相當(dāng)理想的程度[9]。

美國明尼阿波利斯(Minneapolis)市Spin夜總會大廳的內(nèi)部裝飾照明不僅別具一格,而且真可謂是色彩斑斕、漂亮迷人[10]。首先在它的入口處安裝了20英尺×25英尺的水冷壁,水沿著玻璃板的前面涓涓流下,用5 瓦的LED燈制作的燈具安放在玻璃之后創(chuàng)造出流動照明效果。LED燈具與俱樂部其它部分同步改變水冷壁的顏色,使整個房間創(chuàng)造出一種緩慢改變色調(diào)的景象。第二層是酒吧,叫做波浪酒吧,它的玻璃拱頂用Nova牌LED條帶照亮。LED條帶與基座成115度,而與頂部成30度角度。玻璃的邊完全是發(fā)毛的,因而實際的LED燈條帶被隱藏起來了,使得整個拱頂呈現(xiàn)出鮮艷奪目的光彩。

坐落在美國Texas奧斯丁市的Element Labs是一個專門為娛樂、建筑和標(biāo)志性工業(yè)建筑設(shè)計和制造LED視頻裝飾產(chǎn)品的著名實驗室,這里只列舉由該實驗室在2005年所設(shè)計制造的1123平方英尺的LED燈天花板屏幕。請看,其光照效果是多么的令人贊嘆!該屏幕一共用了28000個可動的LED燈點,全部由計算機控制其變化多端的光度[11]。

從以上幾個例子就不難看出LED內(nèi)部裝飾照明的變化多端和美麗迷人。試想想,房間里看不到現(xiàn)在普通燈具的蹤跡,只有那強弱變化自如、色彩絢麗、柔和動人、令人遐想連連的光照。尤其是根據(jù)需要可設(shè)計出星空、月夜、日光等不同變幻的天花板和室內(nèi)光源。你看,在星空狀態(tài)時,只有天花板上的‘繁星閃爍,屋內(nèi)物品依稀可見。在月夜?fàn)顟B(tài)時,一輪‘明月高懸天花板上,室內(nèi)灑滿清冷的‘月光。而在日光狀態(tài)時,只見‘太陽,把室內(nèi)映照得如同白晝。這是仙境嗎?不!這是LED燈裝飾照明的現(xiàn)實,只是現(xiàn)在還比較鮮見罷了。

4作為建筑材料使用的LED燈

通常,人們都是把LED作為照明和顯示材料,現(xiàn)在我們來討論一個全新的概念,即LED能不能與其他建筑材料一起創(chuàng)造出所需要的效果,也就是把它作為建筑材料的一部分,而不僅僅是裝飾照明效果而已。細心的讀者從上面的討論實際上可以發(fā)現(xiàn)一些與之有關(guān)的內(nèi)容,我們只是沒有集中強調(diào)和系統(tǒng)化而已。能夠如此做的根由,除了LED具有上述優(yōu)點之外,還在于LED能夠完全可以用計算機程序進行控制。美國哈佛大學(xué)建筑系的教授Michelle Addington帶領(lǐng)研究生在這方面進行了一些很有意思的實驗,并在2006年1月公布了得到的結(jié)果。他們得出的結(jié)論是LED的確可作為建筑材料的一部分來使用,并認(rèn)為這是建筑照明和建筑物內(nèi)部設(shè)計一個相對來說新的方向。此外也有其他的人進行了類似研究。下面簡單地介紹其主要結(jié)果。

首先是關(guān)于LED和其他材料之間的相互作用,主要考察在不同材料上LED燈發(fā)出光的入射角和距離如何影響我們的視覺(visual perception)。所用的材料為白紙、1/2英寸厚經(jīng)過噴砂的丙烯酸片、白色薄塑料片、鏡子、透明玻璃、放大鏡、Si片以及琥珀色丙烯酸透明片等。放置的距離分別是10cm,5cm,2cm和0cm。然后將各種情況下的照片拍攝下來。

此外,還進一步利用LED來創(chuàng)建一些有趣的現(xiàn)象,比如用單一的白色LED燈照射不同物體,像發(fā)光薄膜片、費涅爾透鏡光柵片、氣泡包裝紙與碳酸鹽結(jié)構(gòu)片等表面,拍攝所產(chǎn)生現(xiàn)象的照片。或者是用LED燈和彎曲的丙烯酸棒創(chuàng)造英文字母a等等。

這些實驗的照片表明,LED燈與實驗中所用的一系列材料之間相互作用。而且光的入射角、離開的距離以及亮度對于最后的影像和視覺有很大的影響。

在這些實驗的基礎(chǔ)上,進一步作了一系列的LED與其他建筑材料的建筑學(xué)現(xiàn)象實驗。主要考察了兩個方面。第一個方面是不僅僅像現(xiàn)在絕大多數(shù)用的那樣,即只用LED作為計算機屏幕的像素,而是用LED創(chuàng)造出整體上與周圍環(huán)境一致的照明現(xiàn)象。第二個方面,是創(chuàng)造出相互作用的建筑學(xué)成分。所進行過的一些具體實驗包括:

第一,為了創(chuàng)造出懸浮于空氣中的照明點,而且其照明行為要與人在空間里走路所留下來的腳印相對應(yīng),使用了80根短的光纖,從天花板落下,在頂部放置了一個由控制程序控制的白色LED燈所組成的4×3光柵。當(dāng)采用不同的LED燈,得到了不同的點狀形照片。上面第二部分中所說的Element實驗室所創(chuàng)建造1123平方英尺的LED燈天花板屏幕,就是其實際應(yīng)用。

第二,利用LED燈燈光與建筑物內(nèi)部之間的反應(yīng),創(chuàng)造出普通的投射光照明,使得行人有可能與在其之上的建筑物內(nèi)所發(fā)生的現(xiàn)象相互作用,從而建立起建筑物內(nèi)外之間的有趣關(guān)聯(lián)。第一部分中7號WTC大樓玻璃幕墻的LED燈設(shè)置就是這種實際應(yīng)用的一個例子。

第三,根據(jù)上述兩點所得結(jié)果,就可以制造出LED光柵的整個墻,不僅是每一個LED燈可以由程序進行控制,而且還可以用伺服馬達來控制它離開和趨向于散射表面的運動。因而可以改變照明的焦距,這在夜晚特別有用處。

顯然,這些實驗已經(jīng)有了應(yīng)用實例,但還需要在更大的范圍內(nèi)和實際的建筑物上進行更多的工作,哈佛大學(xué)建筑系以及其他一些的學(xué)者們在繼續(xù)進行研究,我們可以拭目以待有關(guān)結(jié)果。

在這一部分的最后,我們來看看LED燈作為建筑材料使用的兩個已經(jīng)開始實用的材料,一個是網(wǎng)格像(Image-Mesh), 它是用小的像像素一樣的RGB LED燈嵌入于塑料中制成的一種2D柵格,它的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不凸顯、重量輕,而且易于裝配和拆除。比如有一種網(wǎng)格像能夠彎曲到直徑0.5 m 的曲度,0.9 m×0.9 m的網(wǎng)格像模塊只有1.5 kg重,厚只有6.5 mm。每個模塊中有1296 LED芯片,芯片間距為25 mm。網(wǎng)格像用計算機控制。結(jié)果可以出任何形式的視頻顯示。

第二種是所謂的視頻墻(video wall)。這種視頻墻可以只有半英寸厚,但卻可以用來覆蓋摩天大樓。如果大樓是圓形的,也沒有任何問題,實際上,它可以用在任何形式的建筑物上。視頻墻也是由計算機控制的三顏色RGB LED燈制成的,中心計算機指令每個LED像素改變的顏色可以高達1600萬種。

5高樓中用白熾燈與LED燈比較

前面在討論上海東方明珠從白熾燈改為LED燈之后,已經(jīng)涉及到兩者能量損耗的具體比較。這里再以紐約Bardavon劇院改用LED燈后,與原來普通燈的比較為例。這座有著130年歷史的古老劇院,照射它的巨大門罩以及招牌等劇院外部,原來用的3600只白熾燈改用LED燈后,兩相對比,給人以煥然一新的感受[12]。有關(guān)方面宣稱,改用LED取代白熾燈,劇院和市政當(dāng)局取得雙贏。為什么會雙贏呢? 因為使用LED燈每年節(jié)電38237 kWh,節(jié)約錢3203美元,在LED使用壽命10萬小時期間,共節(jié)約35233美元。此外,白熾燈的壽命平均為1000小時,就是說大抵上一年要換一次燈泡,3600個燈泡更換需要的勞動用工費全年為51246美元(注意美國的用工費是很高的),安裝了LED燈之后,很少需要維護,這項費用基本上可以省下。還有,外部安裝的LED燈具有避免日曬雨淋等氣候變化造成損害的優(yōu)點。因此,劇院和市政當(dāng)局都感到滿意,達到了雙贏的目標(biāo)。

6展望

自從1879年愛迪生發(fā)明白熾燈之后,120年來相繼出現(xiàn)的熒光燈和HID燈二三代燈光產(chǎn)品,把世界上的高樓大廈打扮得熠熠生輝,光彩照人,為裝飾照明立下了不可磨滅歷史功績。但是新一代LED燈使得高樓的裝飾照明更加節(jié)能、更為有效,更加燦爛、更為動人,它所引起的高樓照明革命性的變化勢必不可阻擋。隨著科技的發(fā)展,LED燈終將取代它的前輩,也是意料之中的。

實際上,為了降低能源的使用和CO2的排放,歐盟在2008年12月8日做出決定,要求其成員國從2009年起減少白熾燈的生產(chǎn)和使用,而到2012年將完全禁止。美國國會在2007年12月19日批準(zhǔn)了新的能源法案,要求停止白熾燈的生產(chǎn),并規(guī)定到2012年停止使用。澳大利亞政府也有類似的規(guī)定。

在我國,因為目前LED燈價格還較高昂以及在大功率燈等方面尚不如它的前輩們,致使一些人就LED燈在高樓照明上有所微詞,比如說“LED燈節(jié)能不省錢?！边@其實是一種短視之見,沒有考慮到日后的發(fā)展的結(jié)果?？磥碓谶@個問題上,也得要“風(fēng)物宜長放眼量”啊!

參考文獻:

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[5] LEDs Magazine, LightLed brightens the Agbar Tower in Barcelona, 2006.2,http://www.ledsmagazine.com/news/3/2/2.

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[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.http://www.interactivearchitecture.org/

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

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

[11] Element Labs, O2 Floats On A Media Cloud With Versa PIXEL, 2005.http://www.elementlabs.com/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.