[南京屋頂花園裝修]綠色照明的理論與實踐

2016-03-22 瀏覽709次

一、綠色照明的基本要求 

    在國際照明界的專家們看來，綠色照明應(yīng)當(dāng)滿足如下要求： 

    1、光源的發(fā)光效率高目前發(fā)光效率較高又能商品化的光源包括：高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、節(jié)能熒光燈等氣體放電燈以及最近兩年來開始商品化的LED新光源。關(guān)于LED光源我們想重點介紹如下：早在六十年代初，人們就開始研究半導(dǎo)體砷化鎵、磷化鎵的PN結(jié)電致發(fā)光特性，首先出現(xiàn)了所謂半導(dǎo)體燈。LED是Light-emittingDiodes的縮寫，翻譯為發(fā)光二極管。發(fā)光二極管作為一種光源，具有幾個突出優(yōu)點：1）是一種高密度輻射的點光源，白色亮度達(dá)到甚至超過熒光燈，即達(dá)到了5000cd.m-2以上； 

    2）象熒光燈一樣，完全不產(chǎn)生眩光，可以獲得良好的視覺照度； 

    3）因為沒有鎮(zhèn)流器的電能消耗，發(fā)光效率比節(jié)能熒光燈高； 

    4）因為沒有高壓起輝和電子濺射問題，穩(wěn)定的使用壽命可達(dá)到20萬小時以上，是節(jié)能熒光燈類氣體放電燈壽命的100倍左右，是白熾燈的300多倍； 

    5）可以利用不同的半導(dǎo)體材料制造出發(fā)射不同顏色光的LED。因而，與使用彩色透光材料來制造的彩色燈比較，彩色發(fā)光二極管有更高的效率和色彩逼真度； 

    6）電源與數(shù)字電路兼容，便于實現(xiàn)照明的數(shù)字控制和計算機控制。 

    7）使用低壓直流電源，配電簡單成本低，可以帶電施工和維護(hù)。近兩年來，伴隨著發(fā)光二極管生產(chǎn)成本的大幅度下降以及激烈的市場競爭，發(fā)光二極管作為一種新光源已經(jīng)開始進(jìn)入公共照明和家庭照明。其突出表現(xiàn)為城市交通信號燈、霓虹燈、各種彩燈、庭院燈、草坪燈、太陽能燈、手電筒等已經(jīng)開始商品化。其色彩的純凈性，數(shù)字化特性（數(shù)字可控性）、特別低的功耗以及特別長的壽命和任何其它光源無法比擬的高可靠性、穩(wěn)定性，向人們展示了其誘人的市場前景。發(fā)光二極管還是存在其固有的缺點：難以形成高強度點光源，不可能取代目前的高強度氣體放電燈。但是用其取代熒光燈、節(jié)能燈的趨勢已經(jīng)初見端倪。南京園林工程特別指出，發(fā)光二極管的各種設(shè)計用來美化建筑、庭院、草坪、家庭、公共場所是其它光源所無法比擬的。 

    2、不能對低壓電網(wǎng)造成諧波污染照明設(shè)備與燈具不能對低壓電網(wǎng)造成諧波污染的原則，排除了可控硅移相降壓節(jié)能的可行性，排除了THD諧波含量超出5%的電子鎮(zhèn)流器使用的可行性。 

    3、不能給照明造成光污染所謂光污染，其核心問題是眩光產(chǎn)生帶來的照明質(zhì)量下降問題。眩光是一種在一定背景亮度條件下，相對高強度光源產(chǎn)生的傷害視力從而降低視覺照度的光分量。通常在夜間條件下，高強度氣體放電燈在滿功率或過功率照明時都會不同程度地產(chǎn)生眩光。路燈照明中的眩光不僅不利于道路照明，反而會導(dǎo)致交通事故。為了避免眩光對交通和日常生活帶來不便，通常使用燈罩濾除眩光?；虿捎美h(yuǎn)光源與照明對象的距離的方法，減弱眩光或采用泛光方法消除眩光。顯然，從視覺照度的觀點出發(fā)，可以認(rèn)為：如果不考慮特定的背景亮度條件而一味地提高光源的亮度，勢必造成大量眩光的產(chǎn)生，不僅傷害人的視力而且明顯降低視覺照度，使人們難以分辨眩光下的物體。事實證明，在一般的城市路燈夜間背景亮度條件下，采用降低電壓的方法可以有效地抑制眩光的產(chǎn)生。這里南京園林工程特別強調(diào)： 

    1）以降低光源電壓來減少眩光不等于降低功率就能減少眩光。例如，無論燈功率的規(guī)格如何小，只要滿電壓工作，相同背景亮度條件下其眩光含量的比例是一定的。但是，如果較大功率的光源（例如400W）通過降壓減小了功率（例如250W），眩光的含量幾乎可以降低到零。這與滿電壓工作的250W燈有本質(zhì)的不同。 

     

    2）眩光的消除可以大大地提高視覺照度，有效地提高照明質(zhì)量，改善城市交通條件。

    3）合理地使用光源電壓（不同的背景亮度、不同的溫度環(huán)境、不同的燈具結(jié)構(gòu)、不同的燈具種類，使用的電壓是不相同的），不僅能有效地抑制眩光、提高視覺照度、提高照明質(zhì)量，而且能夠大量地節(jié)約能源和幾倍地延長燈具使用壽命。 

    4節(jié)能化照明設(shè)備與燈具的節(jié)能化是綠色照明的一項極為重要的內(nèi)容，它包括： 

    1）光源本身是高效節(jié)能的，上節(jié)已經(jīng)提到了這一點。路燈的高壓鈉燈化，公共照明的節(jié)能熒光燈化，未來照明的LED化等等； 

    2）對于氣體放電燈，高功率因數(shù)、低鎮(zhèn)流器損耗是綠色照明的重要條件，例如采用高功率因數(shù)、低鎮(zhèn)流器損耗的電子鎮(zhèn)流器，采用特低功率因數(shù)的電感鎮(zhèn)流器； 

    3）對光源進(jìn)行大范圍調(diào)光。大范圍調(diào)光不僅能夠大范圍大比例節(jié)能，而且有利于合理地使用光源、保護(hù)視力、保護(hù)照明設(shè)備和燈具； 

    4）安裝照明節(jié)能器。在國外特別在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)是一個常識。但是在我國，節(jié)能器的推廣使用卻遇到了如下困難：*對于路燈來說，現(xiàn)行政策可能會使實施節(jié)能工程的單位和個人在經(jīng)濟上受到損失，因而許多路燈管理部門對此采取消極態(tài)度；*不少政府有關(guān)部門只希望路燈越多越好，一般不知道什么是最佳照明；*有一些照明界同行對路燈節(jié)能器存在偏見，認(rèn)為降壓節(jié)能就是降低照明功率，沒有推廣價值。這些困難可以歸結(jié)為兩個問題，其一是現(xiàn)行政策不利于綠色照明，其二是對于綠色照明缺乏明確的理論指導(dǎo)。為此，我們后面專門對第二個問題進(jìn)行分析。 

    5、燈具分布與燈具功率的優(yōu)化設(shè)計目前我國照明界對照明質(zhì)量的一些錯誤認(rèn)識和錯誤做法阻礙了燈具分布與燈功率的優(yōu)化設(shè)計。這些錯誤認(rèn)識和錯誤做法是： 

    1、用一桿多燈法增加照明功率，導(dǎo)致效率低成本高：*發(fā)光效率隨燈功率增加而增加的結(jié)論只適合于不同功率規(guī)格燈泡的情況，如果企圖使用一桿多燈來增加功率，那么不僅達(dá)不到相同功率獨燈的發(fā)光效率而且會浪費大量能源。這是因為：電壓相同時，功率規(guī)格越大，放電電流越大，放電管的壁溫和弧溫越高，輻射功率比例越大；*功率規(guī)格越大，鎮(zhèn)流器電阻越小，所占燈具總功率比例越小；*功率規(guī)格越大，放電管的半徑越大，熱傳導(dǎo)損失越小。例如高壓納燈，400瓦的燈光效差不多是50瓦燈光效的兩倍（按照Lm/W計算），如果使用8只50瓦燈來替代400瓦燈，雖然功率相等，但是光亮度將下降一倍，成本也會大幅度提高，其方法的錯誤是顯然的。但是一桿多燈的現(xiàn)象卻普遍存在。 

    2、燈距太遠(yuǎn)，形成照明死角；這是一種很危險的做法，不僅會導(dǎo)致局部路段無照明，更重要的是會起反作用：嚴(yán)重降低背景亮度，因而產(chǎn)生強烈眩光。換一句話說，司機的視覺無法適應(yīng)忽亮忽暗的光線變化，易形成眩光失明，造成重大交通事故。 

    3、不顧背景亮度，只顧增強點光源的光強度，既所謂“越亮越好”：這是產(chǎn)生眩光的又一原因，通常人們所說的光污染，就是這種情況。為了避免眩光產(chǎn)生，要么提高背景亮度（常常較困難，成本也較高），要么使用與背景亮度相適應(yīng)的光強度。 

    4、燈桿太高，路面可視性下降：科學(xué)的道路照明實際是路燈對路面的泛光照明。國際照明協(xié)會的專家們曾經(jīng)統(tǒng)計過，路面可視性強弱與交通事故成反比，而與光源亮度幾乎無關(guān)。如果為了顯示路燈的“燈火輝煌”而不適當(dāng)?shù)乩邿綦x路面的距離，就勢必降低路面的可視性，增加了夜間交通事故發(fā)生的可能。二、綠色照明中的節(jié)能問題 

    1、最高光效的理論導(dǎo)致了降壓節(jié)能的可行性“道路照明”2003年第二期刊登了本人發(fā)表的文章《氣體放電燈節(jié)能理論與實踐》，該文從高壓鈉燈的發(fā)光效率觀點出發(fā)論述高壓鈉燈的降壓節(jié)能原理。在這里，我們想重申：高壓鈉燈發(fā)光的最高效率產(chǎn)生在5000-10000pa的納蒸汽氣壓處，實現(xiàn)這樣的氣壓與許多條件相關(guān)，例如：環(huán)境溫度、燈殼反光板及燈罩的形狀（不同形狀的反光板對燈芯的加熱程度大不相同，不同燈罩形成的燈室溫度也不相同）、給燈具提供的電壓以及制造燈泡使用的全部材料。其中起決定意義的是給燈具提供的電壓。但是，燈具的上述諸多因素可以相當(dāng)程度地影響最佳電壓的選擇。一般說來，在夏季、在炎熱地區(qū)，對大瓦數(shù)和密封嚴(yán)密的燈具，電壓使用可以偏低，例如175-185伏；反之，電壓使用可以偏高，例如190-200伏。問題在于如何實現(xiàn)最佳電壓的提供和保持，最重要的是所提供的電壓不要伴隨電網(wǎng)電壓的變化而變化、不要伴隨負(fù)載的變化而變化，這就是對節(jié)能器提出了如何確定最佳電壓和如何實現(xiàn)與保持最佳電壓。 

    2、視覺照度的理論導(dǎo)致了降壓節(jié)能的可行性由于高壓鈉燈有電壓越高顯白色性越好的特點，使得用戶感到降壓節(jié)能降低了光亮度。這里，我們有必要再一次強調(diào)：我們應(yīng)當(dāng)科學(xué)地衡量道路照明的質(zhì)量，視覺照度始終應(yīng)該是我們判斷和解決照明質(zhì)量問題的出發(fā)點。 

    1）對于同一規(guī)格的氣體放電燈來說，當(dāng)電壓下降使得功率下降時，視覺照度的下降與功率下降不成比例。當(dāng)我們將電壓下降到最高效率工作點時，視覺照度并沒有受到實際影響。有人說，降壓降低功率還不如更換小功率規(guī)格燈泡好。其實，這是一個極大的誤解：如果電壓沒變，燈具發(fā)光效率就沒有最佳，既達(dá)不到相應(yīng)的照度又必然浪費能源。 

    2）采用最佳電源電壓不僅會使發(fā)光效率最佳，而且可以有效地抑制眩光的產(chǎn)生，反而提高了視覺照度。就是說，合理地降壓節(jié)能不僅不會影響視覺照度，反而有利于提高照明質(zhì)量。眩光是一種在特定背景亮度下的傷害視力的‘刺眼’光。消除了眩光，光線不刺眼了，有人會說亮度下降。這又是一個很大的誤解。3）眩光與背景亮度直接相關(guān)，眾多光源的相互距離越近，形成的背景亮度越強（燈光的散射和漫射以及光線的交叉形成背景亮度），眩光分量就減小。如果夜間十點和后半夜利用關(guān)一半和部分燈的辦法節(jié)能，則勢必拉大光源的相互距離，大大減弱了背景亮度甚至?xí)斐烧彰魉澜牵９夥至烤蜁艽?。因此，利用關(guān)部分燈的辦法節(jié)能將惡化照明質(zhì)量。相反，采用定時降壓調(diào)光方法節(jié)能卻可以得到節(jié)能比例高、不產(chǎn)生眩光、保護(hù)燈具不被后半夜出現(xiàn)的高電壓損壞的一系列優(yōu)點。由于眩光的消除有利于提高視覺照度，因此后半夜的照明質(zhì)量并不會因為大比例節(jié)能而有明顯下降。 

    4）儀表照度是照度計對全部光譜射線輻射強度的度量，但是可見光譜只占全光譜很小一部分。不可見光，例如X射線、γ射線、紫外線、紅外線等都將以其輻射能量作用于照度計，而這些不可見光完全沒有照明價值。 

    5）人類視覺對可見光譜的敏感度差別巨大。例如，在暗視條件下對綠光短波長光的敏感度可以是紫光短波長光敏感度的100倍以上。在明視條件下，對綠光長波長光的敏感度可以是蘭光短波長光敏感度的16倍以上。但是在照度計上反映的結(jié)果卻沒有任何差別。 

    6）儀表照度隨燈具的功率的增加而成正比例地增加，不存在飽和問題。但是，由于人類視覺有對光照背景亮度與光源亮度的自動調(diào)節(jié)作用，有對同一背景亮度下不同光源亮度的自動調(diào)節(jié)作用（對弱光有放大作用，對強光有遮避作用），視覺照度不會隨燈具的功率的增加而成正比例地增加，而是接近成對數(shù)關(guān)系：例如功率增加1倍，視覺照度僅增加0.1倍。最重要的是，同一背景亮度下，人的視覺會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，背景亮度的提高決不是簡單地提高燈具功率所能解決的。 

    3、電壓的線路損失與補償目前我國路燈供電存在電壓的線路損失較嚴(yán)重的問題，這為降壓節(jié)能帶來了技術(shù)上的困難。例如，當(dāng)路燈變壓器輸出電壓首端為額定值時，很可能末端已經(jīng)低于最佳值，已經(jīng)沒有降壓節(jié)能的余地。另一方面，如果保證末端電壓處于最佳狀態(tài)，勢必造成首端電壓太高，不僅嚴(yán)重浪費能源而且損壞燈具。為此，我們可以采用如下辦法解決這個問題： 

    1）制訂一個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定路燈線路允許的最大電壓損失。建議為11伏（或額定電壓的5%）。這個電壓的變化是不會影響降壓節(jié)能的。 

    2）安裝補償電容，提高功率因數(shù)，減少線路損失。 

    3）增加電纜容量，減少線路損失。 

    4）當(dāng)線路太長時，增設(shè)中間電壓提升自耦變壓器。 

    5）單燈電壓控制，但是不宜采用可控硅調(diào)壓。 

    6）設(shè)計自感遞減鎮(zhèn)流器，保證各燈的燈電流最佳，可以達(dá)到最佳電壓的相同目的。三、純綠色照明———太陽能燈太陽能燈被稱為純綠色照明，它不需要架設(shè)或鋪設(shè)照明電纜，只要有足夠功率的光電池和蓄電池，就能夠在連陰天幾日內(nèi)保證夜晚有足夠的照明。太陽能燈的關(guān)鍵技術(shù)包括： 

    1、效率高、成本低的光電池技術(shù)與生產(chǎn)工藝； 

    2、容量大、壽命長、無環(huán)境污染的蓄電池； 

    3、對充放電以及開關(guān)燈的電子控制技術(shù)。目前，硅光電池效率還偏低，只有大約0.2左右，因此光電池面積太大成了太陽能燈向大功率發(fā)展的主要障礙。例如，100瓦的路燈所需光電池板約0.5平方米。但是，隨著LED光源成本的大幅度下降，LED所特有的高效率、長壽命就非常適合于太陽能燈的小功率特點。考慮到不需要架設(shè)或鋪設(shè)照明電纜、考慮到不消耗電能、考慮到LED光源成本的大幅度下降，太陽能燈正式進(jìn)入照明產(chǎn)品市場已指日可待。目前，太陽能燈適合的照明包括：庭院燈、草坪燈、矮路燈以及各種彩燈。