燈具光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計在照明節(jié)能減排中的作用

1、燈具光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計在照明節(jié)能減排中的作用來源：中國照明網(wǎng) 作者：宋剛王建摘 要：本文主要根據(jù)照明應(yīng)用場合的具體情況分析，在燈具光學(xué)設(shè)計時充分考慮CIE關(guān)于綠色照明的理念和要求，首先選擇短弧，高光通或高顯色性和高流明維持率的光源，其次采用模塊化設(shè)計全方位組合不同反射功能的反光罩和遮光罩，控通用電氣照明有限公司上海 摘要：本文主要根據(jù)照明應(yīng)用場合的具體情況分析，在燈具光學(xué)設(shè)計時充分考慮CIE關(guān)于綠色照明的理念和要求，首先選擇短弧，高光通或高顯色性和高流明維持率的光源，其次采用模塊化設(shè)計全方位組合不同反射功能的反光罩和遮光罩，控制光的投射方向和光束形狀，同時改善照明燈具控光材料的光學(xué)性能，提高燈具的光

2、輸出效率，降低燈具溢出光及偏射光，減小人工照明形成的天空雜散光，提高照明場合的照明水平和視覺舒適度，控制光污染，節(jié)省能源，降低照明成本。關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計（optics design）；照明燈具(luminaire)；綠色照明(green lighting)；濺射光(spill light)；一、引言燈具作為照明單位器件，從功能方面可劃分為機械結(jié)構(gòu)及安裝系統(tǒng)、電器及照明控制系統(tǒng)和光學(xué)照明系統(tǒng)，這三者相互作用，相互依賴，相互交融組成一個完整的燈具。其中燈具光學(xué)照明系統(tǒng)是實現(xiàn)燈具照明功能的終端執(zhí)行部件，該系統(tǒng)主要包括光源和控光系統(tǒng)，它的工作最終體現(xiàn)燈具的使用性能?！熬G色照明”是一個針對照明場合的要求

3、，它的科學(xué)定義為：通過科學(xué)的照明設(shè)計，采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品（電光源、燈用電器附件、燈具、配線器材以及調(diào)光和控光器件），改善提高人們工作、學(xué)習(xí)、生活的條件和質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個高效、舒適、安全、經(jīng)濟、有益的環(huán)境并充分體現(xiàn)現(xiàn)代文明的照明?！熬G色照明”是20 世紀(jì)年代初期照明行業(yè)提出的一個全新方針，它的出發(fā)點是節(jié)約能源、保護環(huán)境。實施綠色照明的宗旨是發(fā)展和推廣高效照明器具，節(jié)約照明用電，建立優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟、舒適、安全、有益的環(huán)境，綠色照明不僅要求節(jié)能，還要在滿足對照明質(zhì)量和視覺環(huán)境條件的要求下實現(xiàn)節(jié)能，因此不能單純依靠降低照明標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)上述目的，而是要提高整個照明系統(tǒng)的節(jié)

4、能能力，在同樣的照明標(biāo)準(zhǔn)和照明質(zhì)量下用通過更少的燈具和更低的功率消耗來實現(xiàn)。二、基于綠色照明理念的燈具光學(xué)設(shè)計照明系統(tǒng)的節(jié)能主要從兩方面進(jìn)行：一是研制和推廣應(yīng)用高效優(yōu)質(zhì)的照明燈具；二是提供合理的照明控制系統(tǒng)和工程應(yīng)用。研究高效的照明燈具主要是從燈具光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計出發(fā)，合理選擇燈具光源，科學(xué)設(shè)計燈具光學(xué)系統(tǒng)形狀，采用性價比合理的反射材料和折射控光材料。（一）光源的選擇電光源的發(fā)光原理不同、制作工藝不同、材料不同，則發(fā)光效率就不同。單位功率發(fā)出的光通量稱為發(fā)光效率（以下簡稱光效），更確切地說就是電光源的發(fā)光能力。照明要節(jié)電，首先盡量提高電光源的發(fā)光能力，讓盡量少的電能產(chǎn)生盡量多的光。金屬鹵化物燈的

5、光效已接近甚至超過了1001m/W，有專家預(yù)計2010 年光效可達(dá)1201m/W，是泛光照明、道路照明和高大廠房照明的主要光源；高壓鈉燈光效已達(dá)1501m/W，是目前光效最高的照明光源，多用于道路照明和泛光照明。在實際的照明應(yīng)用中，片面追求光源的高顯色性和高色溫，能造成極大的能源浪費。在一些體育場館的泛光照明中，一般都采用的大功率金屬鹵化物燈，按顯色指數(shù)通常分為（或）、兩種；按相應(yīng)的色溫分為（或）、兩種。后者通常應(yīng)用于國際性的彩電轉(zhuǎn)播、奧林匹克運動會、“世界杯”比賽以及高清電視轉(zhuǎn)播中；前者用于日常的訓(xùn)練、比賽、彩電轉(zhuǎn)播中。在全球不同地區(qū)如北美和歐洲，其執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)也有較大的差別，現(xiàn)行的體育照明標(biāo)

6、準(zhǔn)對此要求也有所不同。不同顯色指數(shù)和色溫的光源其光通量有明顯差別，以的金鹵燈光源為例。顯色指數(shù)為的金鹵燈光源光輸出為Lm，而顯色指數(shù)為的金鹵燈光源光輸出僅為Lm。前者的光通量高出后者約，意味著在同樣的照度水平和照度均勻度要求下，后者可節(jié)能左右?，F(xiàn)有金鹵燈結(jié)構(gòu)分為單端金鹵燈和雙端金鹵燈2 種（圖1），每種金鹵燈又可分為長弧發(fā)光管和短弧發(fā)光管兩種(圖1)，應(yīng)用于不同的燈具中。比較這些產(chǎn)品特性可以發(fā)現(xiàn)，短弧雙端金鹵燈具有以下特點：允許燈具系統(tǒng)的設(shè)計更加簡潔，并使精確的光學(xué)系統(tǒng)具有較高的效率、良好的光束控制能力和最低限度的溢出光；燃點位置位于水平方向5以內(nèi)，有助于金鹵燈性能的穩(wěn)定；但是在工作時，燈的封

7、裝部位將暴露在空氣中，因此必須控制燈具溫度，燈與燈之間顏色差異較難控制。單端短弧金鹵燈同樣具有自己的優(yōu)勢，特別是在對眩光、外溢光的控制以及燈具的精確配光方面：也可以精確地控制光線，提供更多的配光選擇、良好的外溢光及眩光控制、透明管狀外玻殼、高光效等；如果保持水平方向5以內(nèi)的燃點位置，可以最大程度地降低金屬鹵化物燈固有的色差，初始及燃點壽命期間均具有很高的光效，燈具壽命比雙端金鹵燈長，燈與燈之間的顏色差異容易控制。根據(jù)金屬鹵化物燈具的特性，當(dāng)燈管處于水平和垂直狀態(tài)時被點燃，燈具的燃點效率最高。一般燈具安裝在燈桿或者馬道上時，燈具的瞄準(zhǔn)角度與水平方向會有一個左右的夾角，此時，燈具的傾斜系數(shù)較低，總

8、的光失系數(shù)降低，燈具的利用效率下降，必須使用更多的燈具才能達(dá)到這一照明效果。使用形光源。（圖2）時，通過燈管形的校正，可使燈管基本處于水平狀態(tài)，提高燈具的傾斜系數(shù)，提高了燈具的利用效率，減少燈具的使用數(shù)量，有效節(jié)約了電能。同時，采用形光源后，結(jié)合燈具的設(shè)計，部分本來投射到空中的外溢光通過反射器的反射被重新投射到場地中，從而提高了燈具的效率，使場地內(nèi)可供利用的光能提高了左右，并且減少了對周邊環(huán)境的外溢光污染和場地內(nèi)眩光。在沒有配置外置眩光控制器的情況下，可減少外溢光達(dá)左右；選用外置眩光控制器后，外溢光可減少。 （二）燈具控光器件的設(shè)計原理1燈具光學(xué)設(shè)計與照明節(jié)能的關(guān)系燈具是光源、燈罩和相應(yīng)附件組

9、成的總體。燈具的光照主要特性，一是配光性能；二是燈具效率；三是防止眩光特性。燈具的主要作用是讓光依人們需要按一定的規(guī)律分配。光源在燈具內(nèi)發(fā)光后總會損失一部分光，燈具發(fā)出的光通量與光源光通量之比稱為燈具效率，燈具效率高意味著光在燈具內(nèi)的損失少，發(fā)出光多，意味著節(jié)能。各種燈具的效率差異很大，大致在30%95%之間，如窄光束的投光燈一般在30%50%左右，為了提高燈具效率，燈具光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計就顯得非常重要。不同分類的燈具，照明要求不同，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計所要關(guān)注的內(nèi)容不同，燈具的分類方法很多，若從光分布圖看，可分為三種形式。、雙向非對稱式，2、單向?qū)ΨQ式，3、雙向?qū)ΨQ式，4、軸對稱式 3。按照照明設(shè)計要求對

10、燈具分類，可分為：、室內(nèi)照明燈具，、泛光及投光照明燈具，、道路及庭園照明燈具。按照使用場合分類就更多。就燈具使用而言，泛光照明用投光燈功率大，亮度高，又布置在建筑物附近，極易對路人造成眩光，對周圍建筑物內(nèi)的居民造成光干擾。因此，在進(jìn)行照明設(shè)計時，對燈具的選型及燈具安裝位置的選擇都要充分考慮，應(yīng)盡量減少溢散光，燈具的位置和投射角度要合理，要提高泛光照明利用系數(shù)（被照表面所得到的光通量與光源發(fā)出的光通量之比值）。國際照明協(xié)會規(guī)定了種最基本的燈具配光曲線（圖4），也有部分燈具提供更多類型配光曲線，以滿足市場的不同需求。道路照明的范圍十分廣闊，覆蓋了城市鄉(xiāng)村的大小街道。其最重要的功能是為駕駛員提供安全

11、的照明，尤其是高峰期間在市中心交通混亂的區(qū)域，對照明的要求是非常高的,表一是常見道路照明功率密度限值。道路照明能源消耗占整個照明能源消耗的比重很高，依照2002 年數(shù)據(jù)，全國道路照明燈光盞總數(shù)將超過1200 萬只，以市場用量最大的 250W 高壓鈉燈做計算基礎(chǔ)，每只鈉燈的年耗電量為： 2501.15( 電感鎮(zhèn)流器的電耗 )11.5h1000365 天h=1200 度。所以燈具光學(xué)性能對節(jié)能至關(guān)重要。當(dāng)前的燈具相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)對燈具光強分布、燈具效率和眩光限制提出要求。對于燈具效率，常規(guī)道路照明燈具效率由60%提高到70%，泛光燈效率由55%提高到65%，分別提高了10%。因此燈具性能要高于標(biāo)準(zhǔn)要求

12、實現(xiàn)配光分布，效率及眩光控制，必須進(jìn)行科學(xué)合理的燈具光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，傳統(tǒng)道路照明的配光特征曲線如圖5 所示。室內(nèi)照明燈具光學(xué)設(shè)計對節(jié)能減排也起到重要作用，比如辦公室照明多采用格柵燈，如果格柵和反射器能夠科學(xué)設(shè)計，提高格柵燈的效率，那么節(jié)能效果就相當(dāng)明顯。當(dāng)前格柵燈滿足CAT II 眩光控要求的效率大多50%60%，而且光分布也不是很好，要保證辦公室照明的基本要求，就需要更多數(shù)量的燈具，會造成能源浪費。現(xiàn)在一些著名企業(yè)都推出燈具效率在70%以上的優(yōu)良眩光控制格柵燈，照明質(zhì)量得以改善，而且立刻節(jié)能10%以上。還有就是廠房和倉庫的照明，目前大多使用HID 光源的工礦燈，HID 工礦燈的效率大概在60%

13、80%之間，如果采用熒光燈管的高掛燈，科學(xué)設(shè)計其光學(xué)系統(tǒng)，則眩光控制要求比HID 工礦燈好，燈具效率可達(dá)90%以上。比如采用6X54W 高效熒光燈管的高掛燈照明效果與采用400W 金鹵燈的工礦燈相當(dāng),但可節(jié)能20%以上。圖6 是一些室內(nèi)照明用典型燈具的配光特征曲線。 2燈具光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計原理燈具光學(xué)系統(tǒng)就是燈具使用光源，遮光罩（燈罩）和反射器（燈杯）組成的具有相互位置關(guān)系的整體，是燈具結(jié)構(gòu)一個子系統(tǒng)，是實現(xiàn)燈具照明功能最直接的、也是最終的執(zhí)行系統(tǒng)。燈具光學(xué)設(shè)計就是利用幾何光學(xué)原理設(shè)計由復(fù)雜非自由曲面組成的反射器和遮光罩，使光線射向所要求照明方向的一種辦法。在燈具光學(xué)設(shè)計中，評價燈具光學(xué)性能的主要

14、因素是被照平面的照度及照度均勻度、燈具輸出的光通量、燈具眩光等。有許多因素影響燈具光學(xué)功能的評價，諸如使用場合照明的要求，照明空間的布局與結(jié)構(gòu)，被照面的表面特性、背景光強、墻面的反射甚至人眼的特性，眩光及溢散光控制和亮度比控制等。目前反射器和遮光罩工作面形狀都是由很多自由微曲面組成，反射曲面的形成采用多曲面反射配光設(shè)計法（圖7），燈具的反射器由許多片不同的反射片嵌在反射罩內(nèi)組成（圖8），采用角布置，反射器可以組合成不同形狀，不同功能的小反射曲面組合成特定光反射功能的子模塊，以實現(xiàn)特定的光反射功能,采用這種布置方式對光線的控制更加精準(zhǔn)，進(jìn)一步減少了外溢光，提高燈具的效率。反射片的不同組合搭配，能

15、夠形成多種配光曲線。在新開發(fā)照明燈具時只需按照配光要求組合反射器模塊，就可以實現(xiàn)特殊要求的配光設(shè)計，從而在應(yīng)用中選擇合適的配光，做到合理投射和利用光線，以達(dá)到最佳的照明效果。這樣做一則減少燈具開發(fā)進(jìn)度，二則便于通過改變局部反射器模塊形成新的配光，燈具結(jié)構(gòu)不需要太大改動。采用模塊化設(shè)計全方位組合不同反射功能的反光罩和遮光罩，減少內(nèi)部反射次數(shù)，控制投射方向和光束形狀，原本投射到非照明區(qū)域的散射眩光、溢出及偏射光和人工照明形成的天空雜散光得以減少。可以提供一個舒適、清晰自然的照明環(huán)境，同時節(jié)省成本，降低能源消耗。 3照明燈具控光器件材料的選用燈具的反射面應(yīng)盡量選用高反射比的材料，燈具上的透光罩應(yīng)盡量

16、選用透射比高的材料，以提高燈具的效率。目前多數(shù)投光燈的反射器材料大多采用鋁型材廠提供的用于照明的鋁板，如安鋁，美鋁、意鋁、法鋁等品牌的鋁板，國產(chǎn)鋁主要是甘鋁、貴鋁等。在設(shè)計反射器時為了保證工作平面上照度的均勻性，一般多采用錘紋或是霧面材料(圖9)，但缺點是光線漫射會造成燈具出光率降低，而且不易形成窄光束配光，造成照明眩光，與綠色照明的宗旨相背離，根據(jù)筆者燈具設(shè)計的經(jīng)驗，可以考慮反射器多采用高反射率的鏡面鋁板（圖9），整個反射器采用多自由反射曲面的組合，而不是當(dāng)前一大塊曲面的反射形式，便于實現(xiàn)燈具光束的控制。雖然反射器加工成型成本會增加，但從長遠(yuǎn)考慮，考慮節(jié)能的費用，加工成本增加的費用完全可以補

17、償，利用鏡面反射材料代替一般的霧面材料，燈具出光率提高10%以上，利用鏡面材料代替錘紋鋁材，提高出光率5%以上。另一個方面是有關(guān)折射罩材料的選用，由于光線以大入射角入射透鏡，則在入射表面形成較強的反射，真正進(jìn)入透鏡的光線就會減少，降低燈具出光率。比如非對稱配光的投光燈具為了在工作平面形成均勻照度，希望在垂直平面內(nèi)燈具的最大光強角度較大，比如60，一般的設(shè)計也在40以上，但是出現(xiàn)的問題是當(dāng)光線以較大入射角照射到玻璃表面時，玻璃表面反射率將增加，穿透玻璃射出的光線將減少，從而影響燈具的出光率，所以在選擇泛光燈具折射器時，考慮在玻璃內(nèi)表面涂鍍增透膜或采用防反射玻璃，以提高燈具的出光率。只有根據(jù)要求合

18、理選擇燈具的反射器材料和折射器材料，再結(jié)合多曲面反射的配光設(shè)計，全面提高燈具的出光率，降低照明能耗，減少眩光，真正實現(xiàn)綠色照明。三、典型燈具光學(xué)設(shè)計示例GE 在燈具新產(chǎn)品研發(fā)過程中，特別注意燈具的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，考慮如何提高燈具的光輸出效率、燈具溢出光控制和良好的燈具配光分布，以期實現(xiàn)最佳的照明功能。這里就不同類型的燈具光學(xué)設(shè)計作一個簡要的概述。圖10 是一款新型HID 隧道燈的光學(xué)系統(tǒng)和反射器的制作模型，為了節(jié)省成本,該反射器使用隧道燈常用反射器材料,只是在反射器形狀上設(shè)計采用自由曲面,利用該反射器獲得的燈具配光分布特征曲線如圖11 所示，該燈具相對傳統(tǒng)的隧道燈具不但光輸出效率高達(dá)75%以上，

19、而且是全截光燈具，燈具照射面積大，可使用相對較少數(shù)量的燈具實現(xiàn)隧道照明所要求的均勻度和平均照度。目前市場上HID 隧道燈具的平均效率大概65%70%之間,可以節(jié)能5%10%,由于照射面積大,可以采用較少燈具,參照150W 高壓鈉燈能耗,也可節(jié)省5%10%左右。圖12 是一款新型格柵燈的光學(xué)系統(tǒng)以及配光曲線特征，反射器形狀設(shè)計采用自由曲面,利用該反射器獲得的燈具配光分布特征曲線如圖12 所示，該燈具光輸出效率實測高達(dá)75%以上，眩光控制等級滿足CIBSE LG3 CATII 的要求，燈具配光曲線為典型的配光,燈具照射面積大，可使用相對較少數(shù)量的燈具實現(xiàn)隧道照明所要求的均勻度和平均照度。相比傳統(tǒng)燈

20、具，由于照射面積大,光輸出率高,可以采用較少燈具滿足辦公室照明要求，參照3X28W 熒光燈能耗,也可節(jié)省10%左右。圖13 是一款新型熒光燈光源高掛燈及其光學(xué)系統(tǒng)，這款燈具主要替代400W HID 光源高掛燈，反射器形狀設(shè)計采用自由曲面，利用該反射器獲得的燈具配光分布特征曲線如圖14 所示，該燈具光輸出效率實測高達(dá)91%以上，燈具在角75方向最大亮度不超過3000cd/m2（6X54W）,所以眩光控制很好，而且燈具照射面積大，可使用較少數(shù)量燈具實現(xiàn)工廠倉庫所要求的均勻度和平均照度。相比傳統(tǒng)燈具（400W 金鹵燈高掛燈）,考慮能源消耗和燈泡更換成本，一年可節(jié)省費用16%，具有顯著的經(jīng)濟效益。圖15 是一款傳統(tǒng)道路燈反射器，采用高純鋁深拉延成型，表面進(jìn)行氧化處理，由于反射器形狀不規(guī)則，表面拋光困難，所以反射器鏡面反射率很難提高，燈具光效和配光形狀很難改善，反射器成型廢品率高，目前使用傳統(tǒng)反射器結(jié)構(gòu)的全截光路燈出光效率大概在70%80%之間.燈具配光分布特征曲線如圖15 所示。依據(jù)光學(xué)原理設(shè)計新型的道路燈反射器，該反射器采用傳統(tǒng)成型技術(shù)，也可以提高燈具效率到85%左右，即可節(jié)能5%10%，而且道路側(cè)光輸出高，燈具有效效率高，節(jié)能就更加顯著,如圖16 所示。投光燈光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計也相當(dāng)重