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彩色光LED应用于植物景观照明研究
 
 
[修改时间:2017-10-31 浏览次数:436]
 
 
第一章 绪 论
 
1.1 课题研究的背景和目的
随着现代城市人居环境的不断日益提升与改善,环境与城市的关系也受到了人们的重视,尤其是近年来愈受重视的城市夜景照明。在城市夜景中,植物景观照明占有比较重要的部分,它往往起到了烘托城市夜景氛围的作用,是城市夜景的点缀和补充。国外在植物景观照明领域有丰富系统的理论研究和大量的工程实践。在进入新世纪后,植物景观照明在我国得到了初步的发展和应用,但是国内缺乏相对系统的植物景观照明设计方式与方法,在设计环节中出现了互相模仿、互相抄袭等问题,导致了植物景观照明在实际工程实践当中存在设计表达方式单一、照明规划相对混乱与无序、光源功率和光源色,照明方式选择不当造成照明效果不能达到设计要求,造成光污染等问题。LED 作为一种新兴的绿色节能光源,它相对与传统光源有着自己独特的优势(发光效率高、光色纯度高、光源色丰富、能耗小、使用寿命长、可靠耐用、应用方便灵活、绿色环保等),它在植物景观照明中的应用将会越来越广泛。但是目前国内外在 LED 应用于植物照明领域的研究,主要针对温室内植物(主要为农作物和花卉)的补光作用方面。对于 LED 应用于室外景观植物照明的研究较为匮乏,特别是在照明光源色和功率对于植物照明效果和植物生长作用等方面的研究。基于以上背景,本课题利用彩色光 LED 作为照明光源,以景观草坪为照明载体,进行植物景观照明实验。实验通过一系列实验数据的测试和分析,总结彩色光 LED 对植物景观照明效果和植物生长方面的影响,对未来的植物景观照明设计提出一定的设计方式和方法。
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1.2 国内外相关理论的研究与应用
目前国外对于植物景观照明设计的理论研究,其研究范围涵盖在了景观照明研究当中:在《the landscape lighting book》一书中作者 Janet Moyer 对植物景观照明类型学做了系统的研究,通过对常见景观植物(主要为乔木和灌木)的形状、比例、类型、生长周期、对光照的需求等方面的研究与比对,提出适应特定植物的特定照明方式与方法,并在实际照明工程中得到了操作与验证。这样通过系统全面的理论研究与实际照明设计相结合(图 1-1,图 1-2),使得本书的研究成果可以作为在植物景观照明中的设计标准与规范。但在照明光源对植物生理周期的影响和照明光源色对植物景观照明效果的影响与评价方面,缺乏相应的实验和研究;在《outdoor landscape lighting》一书中,作者 Randall Whitehead 对景观照明的探索基于对景观照明的实践,同时将设计理念的出发点归结于设计师对于景观环境意境的理解,比较系统的阐述了如何利用照明场景中的各种元素来进行照明设计。但是他的这种设计理念具有一定的主观性,比较难以用客观的实验测量来进行评价和判断;在《未来之光—访 LED 设计师儿玉由美子》一文中,设计师儿玉由美子介绍了她在景观照明中的设计理念,此类照明设计理念属于先锋性设计,相对目前实际的景观照明处于超前的地位。这种实验性的景观照明设计探索,更强调人的视觉生理与心理的体验,从人眼对照明场景体验的角度出发来营造植物照明的氛围。国外对于 LED 应用于植物照明的理论研究,主要在 LED 对植物补光照明影响作用的方面:在《Development of plant growth apparatus using blue and red LED as artificiallight source》一文中,作者 Bular.J 基于植物的光合作用对不同波长光源的不同需求,将红、蓝光 LED 作为人工光源,在室内温室环境下,以农作物和花卉作为照明载体,通过对植物各项生长指标的测量,研究分析了 LED 在植物补光方面的作用,总结了 LED 光照强度和光谱对植物生理作用的影响作用。研究发现,红橙光(光谱范围 595~760nm)对室内农作物生长期的有促进作用,主要在于促进植物内叶绿素和碳水化合物的形成;蓝紫光(光谱范围 370~435nm)对植物成熟期有促进作用,主要在于促进植物内蛋白质的生成。但是该领域内的研究只针对于室内温室条件下的农作物和花卉,缺乏对实际室外植物的照明实验和研究。目前国外在植物景观照明领域,美国、日本处于较为领先的地位,一方面基于丰富的照明设计理论研究与实践,另一方面在 LED 等新型光源的利用上较为成熟和广泛(图 1-3)。
 
第二章 景观照明与植物的关系
 
2.1 光与植物
光,由光子和基本粒子组成,是人用肉眼可看到的一种电磁波,所以也可称为可见光谱,它的波长范围在 380~760nm 之间。波粒二象性是光最基本的特征,由这一基本特征演化出光的反射、折射和衍射的性质。另外,作为一种可见光谱,光在色彩性质上具有明视、透明、混合的特征。我们在日常生活中之所以能够看到物体,是由于光的反射作用。物体的表面越粗糙、凹凸不平,光的反射越弱,反之亦然。在视知觉的体验中,物体表面粗糙的光反射让人感觉灰暗、静谧;物体表面光滑的光反射让人感觉明亮、活泼。在照明设计中,设计师利用光反射这一性质,创造不同的照明意境。如图 2-1 所示,表现了光在不同物体表面的反射表现效果。光与一般物体不同,它是透明、不可触摸的,光只有通过与物体的接触才能使得人眼感知它的存在。另外,虽然光具有混合的性质,但是它与物体颜料不同,主要体现在光色的混合受色彩混合规律的支配,光色混合次数越多,混合光的颜色就越趋近于白色。相对于物体三原色红、黄、蓝,光的三原色为橙红、绿、蓝紫,而光的三原色二次混合后的颜色变为:红、黄、蓝。另外,把光的二次混合色叠加在一起后,混合光变为白色光。
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2.2 景观照明的特征
景观不等同于自然环境,它在城市当中是人类的行为活动所造就的,与人的活动息息相关。景观照明也是如此,它不能作为单一个体的存在,而是应当与城市环境、建筑所融为一体,并满足人在照明下的行为活动。根据照明方式、照明对象,景观照明可以分为如下几类:近年来在各大一、二线城市中,建筑景观照明逐渐成为了城市建设者们所日益重视的领域。例如在城市中的地标性建筑、地标性区域,建筑景观照明成为了烘托该建筑、区域特殊性的重要设计方法(图 2-12)。图 2-12 国内建筑夜景照明案例(图片来源:调研拍摄)植物作为景观的重要组成部分,它的照明设计在整个景观照明环境中起着烘托氛围的作用。但目前国内城市在此领域还处于起步阶段,缺少系统的设计规划。在一些地标性建筑、高校园区、风景园林景点区域等有一定的植物景观照明设计,但是优秀的作品乏善可陈。
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第三章 彩色光 LED 照明与植物的关系.........22
3.1 彩色光 LED.........22
3.2 彩色光 LED 应用于植物景观照明........23
3.2.1 彩色光 LED 对于植物生长的影响.....23
3.2.2 彩色光 LED 促进植物生长的策略.....24
3.2.3 彩色光 LED 应用于植物景观照明的设计内容........ 25
第四章 植物景观照明前期调研.....29
4.1 一线城市植物景观照明现状调研与分析..... 29
4.1.1 典型案例与分析.....29
4.1.2 存在问题.....32
4.2 二、三城市植物景观照明现状调研与分析....... 32
4.2.1 典型案例与分析.....33
4.2.2 存在问题.....36
第五章 彩色光 LED 应用于植物景观照明的实验(以景观草坪为例).... 39
5.1 生长阶段实验.........39
5.1.1 实验前期准备.........39
5.1.2 实验过程.....43
5.1.3 实验结果与分析.....45
5.2 成熟阶段实验........47
 
第五章 彩色光 LED 应用于植物景观照明的实验(以景观草坪为例)
 
实验主要内容为:在景观草坪整个生长周期的过程中,首先,在草坪生长阶段,利用相同功率的 LED 彩色光源对草坪进行单色光照射条件下的生长期照射实验,对它的表面照度以及植株高度进行对比测试;然后,在草坪成熟阶段,利用不同功率的 LED 彩色光源对草坪进行单色光照射条件下的成熟期照射实验。对它的表面色坐标和照度值进行测试,并计算不同照明情况下草坪表面色差。本章的实验所得出的结论,对今后的 LED 植物景观照明设计中,彩色光 LED的光源功率和色彩的选择及搭配,具有指导意义。
 
5.1 生长阶段实验
考虑到课题的研究时间有限,本课题选用景观草坪作为植物景观照明的实验对象。课题首先对目前常用景观草坪进行筛选,草坪有两种类型:暖地型草坪(如结缕草、百慕大草、马尼拉草等)和冷地型草坪(如四季青草、高草茅、白三叶草、马蹄筋草等),目前较常用的景观草坪为四季青草、结缕草、百慕大草、白三叶草(图 5-1),实验选择东颖 LED 室外景观照明灯为作实验灯具,型号:htg001、htg002、htg003,功率分别为 5、10、20W,它可以呈现红、黄、蓝、绿、紫、橙、白 7种光色,可以遥控控制光色,光束角为 40°(图 5-2)。在进行 LED 夜间植物照明时,本实验选用的光色为红、黄、蓝色三原色以及白色。为了实验方便,选择家用露台作为草坪种植空间,选用美国四季青草种为种植草种(图 5-3),播种时间为 2014 年 4 月 10 日,开始萌芽时间为 2014 年 4月 15 日,历时 5 天,地点为山西省晋中市榆次区某住户露台,整体方向朝北,室外平均温度:14℃,主导风向:北风,风力:3-4 级风,干湿度:较为干燥。
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结论
 
本课题重点在于彩色光 LED 应用于植物景观照明的研究,通过对植物景观草坪的照明实验测量,对实验数据的归纳与分析总结,并结合之前所做的理论基础铺垫,对彩色光 LED 应用于植物景观照明中的设计原则和设计方式进行较为系统的探讨,这些对今后利用彩色光 LED 进行植物景观照明具有较强的实践意义和理论意义。通过对本课题的研究,归纳的主要结论如下:
1.在草坪生长阶段,在利用单色光 LED 对草坪进行照明实验时,通过对草坪植株外观质量各项指标和表面照度的测量,并对实验数据进行总结和对比。可以得出,LED 对草坪生长的促进作用不明显。相比于其他 LED 光源色,在红光照射条件下,草坪的表观质量各项指标相对突出,它对草坪的生长具有一定的促进作用,但是效果不明显。
2.在草坪成熟阶段,在利用彩色光 LED 对草坪进行照明实验时,通过对草坪表面色坐标的测量,并对实验数据进行总结和对比。可以得出,在照明光源功率越大时,相同光色照射下的草坪颜色色差增加;在照明光源功率相同时,不同光色照射下的草坪颜色,蓝光照射条件的下的草坪颜色相比自然光照射下的草坪颜色色差最大,红光次之,黄光最小。
3.在进行模拟照明设计时,通过前期照明实验和主观评价实验,结合不同类型的照明光源、不同气候条件以及与人工构筑物的关系,可以得出不同照明场景下的植物景观照明方式:针对较大范围的植物景观照明时,照明光源颜色可以选用暖色,与绿色植物固有色色差小的光源色进行照明,例如黄色,照明方式可以选用直接式照明;针对局部特殊景观照明时,照明光源颜色可以选用冷色,与绿色植物固有色差大的光源色进行照明,例如蓝色,并且可以利用混光照明,营造一定的艺术效果,照明方式可以选用扩散式照明。
 
 

 

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