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| 绿色照明的理论与实践 |
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| 来源：园林学习网 日期：[2016-3-18] |
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一、绿色照明的基本要求
在国际照明界的专家们看来，绿色照明应当满足如下要求：
1、光源的发光效率高目前发光效率较高又能商品化的光源包括：高压钠灯、金属卤化物灯、节能荧光灯等气体放电灯以及最近两年来开始商品化的LED新光源。关于LED光源我们想重点介绍如下：早在六十年代初，人们就开始研究半导体砷化镓、磷化镓的PN结电致发光特性，首先出现了所谓半导体灯。LED是Light-emittingDiodes的缩写，翻译为发光二极管。发光二极管作为一种光源，具有几个突出优点：1）是一种高密度辐射的点光源，白色亮度达到甚至超过荧光灯，即达到了5000cd.m-2以上；
2）象荧光灯一样，完全不产生眩光，可以获得良好的视觉照度；
3）因为没有镇流器的电能消耗，发光效率比节能荧光灯高；
4）因为没有高压起辉和电子溅射问题，稳定的使用寿命可达到20万小时以上，是节能荧光灯类气体放电灯寿命的100倍左右，是白炽灯的300多倍；
5）可以利用不同的半导体材料制造出发射不同颜色光的LED。因而，与使用彩色透光材料来制造的彩色灯比较，彩色发光二极管有更高的效率和色彩逼真度；
6）电源与数字电路兼容，便于实现照明的数字控制和计算机控制。
7）使用低压直流电源，配电简单成本低，可以带电施工和维护。近两年来，伴随着发光二极管生产成本的大幅度下降以及激烈的市场竞争，发光二极管作为一种新光源已经开始进入公共照明和家庭照明。其突出表现为城市交通信号灯、霓虹灯、各种彩灯、庭院灯、草坪灯、太阳能灯、手电筒等已经开始商品化。其色彩的纯净性，数字化特性（数字可控性）、特别低的功耗以及特别长的寿命和任何其它光源无法比拟的高可靠性、稳定性，向人们展示了其诱人的市场前景。发光二极管还是存在其固有的缺点：难以形成高强度点光源，不可能取代目前的高强度气体放电灯。但是用其取代荧光灯、节能灯的趋势已经初见端倪。应该特别指出，发光二极管的各种设计用来美化建筑、庭院、草坪、家庭、公共场所是其它光源所无法比拟的。
2、不能对低压电网造成谐波污染照明设备与灯具不能对低压电网造成谐波污染的原则，排除了可控硅移相降压节能的可行性，排除了THD谐波含量超出5%的电子镇流器使用的可行性。
3、不能给照明造成光污染所谓光污染，其核心问题是眩光产生带来的照明质量下降问题。眩光是一种在一定背景亮度条件下，相对高强度光源产生的伤害视力从而降低视觉照度的光分量。通常在夜间条件下，高强度气体放电灯在满功率或过功率照明时都会不同程度地产生眩光。路灯照明中的眩光不仅不利于道路照明，反而会导致交通事故。为了避免眩光对交通和日常生活带来不便，通常使用灯罩滤除眩光。或采用拉远光源与照明对象的距离的方法，减弱眩光或采用泛光方法消除眩光。显然，从视觉照度的观点出发，可以认为：如果不考虑特定的背景亮度条件而一味地提高光源的亮度，势必造成大量眩光的产生，不仅伤害人的视力而且明显降低视觉照度，使人们难以分辨眩光下的物体。事实证明，在一般的城市路灯夜间背景亮度条件下，采用降低电压的方法可以有效地抑制眩光的产生。这里应该特别强调：
1）以降低光源电压来减少眩光不等于降低功率就能减少眩光。例如，无论灯功率的规格如何小，只要满电压工作，相同背景亮度条件下其眩光含量的比例是一定的。但是，如果较大功率的光源（例如400W）通过降压减小了功率（例如250W），眩光的含量几乎可以降低到零。这与满电压工作的250W灯有本质的不同。
2）眩光的消除可以大大地提高视觉照度，有效地提高照明质量，改善城市交通条件。
3）合理地使用光源电压（不同的背景亮度、不同的温度环境、不同的灯具结构、不同的灯具种类，使用的电压是不相同的），不仅能有效地抑制眩光、提高视觉照度、提高照明质量，而且能够大量地节约能源和几倍地延长灯具使用寿命。
4节能化照明设备与灯具的节能化是绿色照明的一项极为重要的内容，它包括：
1）光源本身是高效节能的，上节已经提到了这一点。路灯的高压钠灯化，公共照明的节能荧光灯化，未来照明的LED化等等；
2）对于气体放电灯，高功率因数、低镇流器损耗是绿色照明的重要条件，例如采用高功率因数、低镇流器损耗的电子镇流器，采用特低功率因数的电感镇流器；
3）对光源进行大范围调光。大范围调光不仅能够大范围大比例节能，而且有利于合理地使用光源、保护视力、保护照明设备和灯具；
4）安装照明节能器。在国外特别在发达国家已经是一个常识。但是在我国，节能器的推广使用却遇到了如下困难：*对于路灯来说，现行政策可能会使实施节能工程的单位和个人在经济上受到损失，因而许多路灯管理部门对此采取消极态度；*不少政府有关部门只希望路灯越多越好，一般不知道什么是最佳照明；*有一些照明界同行对路灯节能器存在偏见，认为降压节能就是降低照明功率，没有推广价值。这些困难可以归结为两个问题，其一是现行政策不利于绿色照明，其二是对于绿色照明缺乏明确的理论指导。为此，我们后面专门对第二个问题进行分析。
5、灯具分布与灯具功率的优化设计目前我国照明界对照明质量的一些错误认识和错误做法阻碍了灯具分布与灯功率的优化设计。这些错误认识和错误做法是：
1、用一杆多灯法增加照明功率，导致效率低成本高：*发光效率随灯功率增加而增加的结论只适合于不同功率规格灯泡的情况，如果企图使用一杆多灯来增加功率，那么不仅达不到相同功率独灯的发光效率而且会浪费大量能源。这是因为：电压相同时，功率规格越大，放电电流越大，放电管的壁温和弧温越高，辐射功率比例越大；*功率规格越大，镇流器电阻越小，所占灯具总功率比例越小；*功率规格越大，放电管的半径越大，热传导损失越小。例如高压纳灯，400瓦的灯光效差不多是50瓦灯光效的两倍（按照Lm/W计算），如果使用8只50瓦灯来替代400瓦灯，虽然功率相等，但是光亮度将下降一倍，成本也会大幅度提高，其方法的错误是显然的。但是一杆多灯的现象却普遍存在。
2、灯距太远，形成照明死角；这是一种很危险的做法，不仅会导致局部路段无照明，更重要的是会起反作用：严重降低背景亮度，因而产生强烈眩光。换一句话说，司机的视觉无法适应忽亮忽暗的光线变化，易形成眩光失明，造成重大交通事故。
3、不顾背景亮度，只顾增强点光源的光强度，既所谓“越亮越好”：这是产生眩光的又一原因，通常人们所说的光污染，就是这种情况。为了避免眩光产生，要么提高背景亮度（常常较困难，成本也较高），要么使用与背景亮度相适应的光强度。
4、灯杆太高，路面可视性下降：科学的道路照明实际是路灯对路面的泛光照明。国际照明协会的专家们曾经统计过，路面可视性强弱与交通事故成反比，而与光源亮度几乎无关。如果为了显示路灯的“灯火辉煌”而不适当地拉高灯离路面的距离，就势必降低路面的可视性，增加了夜间交通事故发生的可能。二、绿色照明中的节能问题
1、最高光效的理论导致了降压节能的可行性“道路照明”2003年第二期刊登了本人发表的文章《气体放电灯节能理论与实践》，该文从高压钠灯的发光效率观点出发论述高压钠灯的降压节能原理。在这里，我们想重申：高压钠灯发光的最高效率产生在5000-10000pa的纳蒸汽气压处，实现这样的气压与许多条件相关，例如：环境温度、灯壳反光板及灯罩的形状（不同形状的反光板对灯芯的加热程度大不相同，不同灯罩形成的灯室温度也不相同）、给灯具提供的电压以及制造灯泡使用的全部材料。其中起决定意义的是给灯具提供的电压。但是，灯具的上述诸多因素可以相当程度地影响最佳电压的选择。一般说来，在夏季、在炎热地区，对大瓦数和密封严密的灯具，电压使用可以偏低，例如175-185伏；反之，电压使用可以偏高，例如190-200伏。问题在于如何实现最佳电压的提供和保持，最重要的是所提供的电压不要伴随电网电压的变化而变化、不要伴随负载的变化而变化，这就是对节能器提出了如何确定最佳电压和如何实现与保持最佳电压。
2、视觉照度的理论导致了降压节能的可行性由于高压钠灯有电压越高显白色性越好的特点，使得用户感到降压节能降低了光亮度。这里，我们有必要再一次强调：我们应当科学地衡量道路照明的质量，视觉照度始终应该是我们判断和解决照明质量问题的出发点。
1）对于同一规格的气体放电灯来说，当电压下降使得功率下降时，视觉照度的下降与功率下降不成比例。当我们将电压下降到最高效率工作点时，视觉照度并没有受到实际影响。有人说，降压降低功率还不如更换小功率规格灯泡好。其实，这是一个极大的误解：如果电压没变，灯具发光效率就没有最佳，既达不到相应的照度又必然浪费能源。
2）采用最佳电源电压不仅会使发光效率最佳，而且可以有效地抑制眩光的产生，反而提高了视觉照度。就是说，合理地降压节能不仅不会影响视觉照度，反而有利于提高照明质量。眩光是一种在特定背景亮度下的伤害视力的‘刺眼’光。消除了眩光，光线不刺眼了，有人会说亮度下降。这又是一个很大的误解。3）眩光与背景亮度直接相关，众多光源的相互距离越近，形成的背景亮度越强（灯光的散射和漫射以及光线的交叉形成背景亮度），眩光分量就减小。如果夜间十点和后半夜利用关一半和部分灯的办法节能，则势必拉大光源的相互距离，大大减弱了背景亮度甚至会造成照明死角，眩光分量就会很大。因此，利用关部分灯的办法节能将恶化照明质量。相反，采用定时降压调光方法节能却可以得到节能比例高、不产生眩光、保护灯具不被后半夜出现的高电压损坏的一系列优点。由于眩光的消除有利于提高视觉照度，因此后半夜的照明质量并不会因为大比例节能而有明显下降。
4）仪表照度是照度计对全部光谱射线辐射强度的度量，但是可见光谱只占全光谱很小一部分。不可见光，例如X射线、γ射线、紫外线、红外线等都将以其辐射能量作用于照度计，而这些不可见光完全没有照明价值。
5）人类视觉对可见光谱的敏感度差别巨大。例如，在暗视条件下对绿光短波长光的敏感度可以是紫光短波长光敏感度的100倍以上。在明视条件下，对绿光长波长光的敏感度可以是兰光短波长光敏感度的16倍以上。但是在照度计上反映的结果却没有任何差别。
6）仪表照度随灯具的功率的增加而成正比例地增加，不存在饱和问题。但是，由于人类视觉有对光照背景亮度与光源亮度的自动调节作用，有对同一背景亮度下不同光源亮度的自动调节作用（对弱光有放大作用，对强光有遮避作用），视觉照度不会随灯具的功率的增加而成正比例地增加，而是接近成对数关系：例如功率增加1倍，视觉照度仅增加0.1倍。最重要的是，同一背景亮度下，人的视觉会出现饱和现象，背景亮度的提高决不是简单地提高灯具功率所能解决的。
3、电压的线路损失与补偿目前我国路灯供电存在电压的线路损失较严重的问题，这为降压节能带来了技术上的困难。例如，当路灯变压器输出电压首端为额定值时，很可能末端已经低于最佳值，已经没有降压节能的余地。另一方面，如果保证末端电压处于最佳状态，势必造成首端电压太高，不仅严重浪费能源而且损坏灯具。为此，我们可以采用如下办法解决这个问题：
1）制订一个技术标准，规定路灯线路允许的最大电压损失。建议为11伏（或额定电压的5%）。这个电压的变化是不会影响降压节能的。
2）安装补偿电容，提高功率因数，减少线路损失。
3）增加电缆容量，减少线路损失。
4）当线路太长时，增设中间电压提升自耦变压器。
5）单灯电压控制，但是不宜采用可控硅调压。
6）设计自感递减镇流器，保证各灯的灯电流最佳，可以达到最佳电压的相同目的。三、纯绿色照明———太阳能灯太阳能灯被称为纯绿色照明，它不需要架设或铺设照明电缆，只要有足够功率的光电池和蓄电池，就能够在连阴天几日内保证夜晚有足够的照明。太阳能灯的关键技术包括：
1、效率高、成本低的光电池技术与生产工艺；
2、容量大、寿命长、无环境污染的蓄电池；
3、对充放电以及开关灯的电子控制技术。目前，硅光电池效率还偏低，只有大约0.2左右，因此光电池面积太大成了太阳能灯向大功率发展的主要障碍。例如，100瓦的路灯所需光电池板约0.5平方米。但是，随着LED光源成本的大幅度下降，LED所特有的高效率、长寿命就非常适合于太阳能灯的小功率特点。考虑到不需要架设或铺设照明电缆、考虑到不消耗电能、考虑到LED光源成本的大幅度下降，太阳能灯正式进入照明产品市场已指日可待。目前，太阳能灯适合的照明包括：庭院灯、草坪灯、矮路灯以及各种彩灯。 |
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