灯具光学系统设计在照明节能减排中的作用

灯具光学系统设计在照明节能减排中的作用来源：中国照明网作者：宋刚王建摘要：本文主要根据照明应用场合的具体情况分析，在灯具光学设计时充分考虑CIE关于绿色照明的理念和要求，首先选择短弧，高光通或高显色性和高流明维持率的光源，其次采用模块化设计全方位组合不同反射功能的反光罩和遮光罩，控通用电气照明有限公司上海201203摘要：本文主要根据照明应用场合的具体情况分析，在灯具光学设计时充分考虑CIE关于绿色照明的理念和要求，首先选择短弧，高光通或高显色性和高流明维持率的光源，其次采用模块化设计全方位组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状，同时改善照明灯具控光材料的光学性能，提高灯具的光输出效率，降低灯具溢出光及偏射光，减小人工照明形成的天空杂散光，提高照明场合的照明水平和视觉舒适度，控制光污染，节省能源，降低照明成本。关键词：光学设计（opticsdesign）；照明灯具(luminaire)；绿色照明(greenlighting)；溅射光(spilllight)；一、引言灯具作为照明单位器件，从功能方面可划分为机械结构及安装系统、电器及照明控制系统和光学照明系统，这三者相互作用，相互依赖，相互交融组成一个完整的灯具。其中灯具光学照明系统是实现灯具照明功能的终端执行部件，该系统主要包括光源和控光系统，它的工作最终体现灯具的使用性能。“绿色照明”是一个针对照明场合的要求，它的科学定义为：通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品（电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材以及调光和控光器件），改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。“绿色照明”是20世纪９０年代初期照明行业提出的一个全新方针，它的出发点是节约能源、保护环境。实施绿色照明的宗旨是发展和推广高效照明器具，节约照明用电，建立优质、高效、经济、舒适、安全、有益的环境，绿色照明不仅要求节能，还要在满足对照明质量和视觉环境条件的要求下实现节能，因此不能单纯依靠降低照明标准来实现上述目的，而是要提高整个照明系统的节能能力，在同样的照明标准和照明质量下用通过更少的灯具和更低的功率消耗来实现。二、基于绿色照明理念的灯具光学设计照明系统的节能主要从两方面进行：一是研制和推广应用高效优质的照明灯具；二是提供合理的照明控制系统和工程应用。研究高效的照明灯具主要是从灯具光学系统的设计出发，合理选择灯具光源，科学设计灯具光学系统形状，采用性价比合理的反射材料和折射控光材料。（一）光源的选择电光源的发光原理不同、制作工艺不同、材料不同，则发光效率就不同。单位功率发出的光通量称为发光效率（以下简称光效），更确切地说就是电光源的发光能力。照明要节电，首先尽量提高电光源的发光能力，让尽量少的电能产生尽量多的光。金属卤化物灯的光效已接近甚至超过了1001m/W，有专家预计2010年光效可达1201m/W，是泛光照明、道路照明和高大厂房照明的主要光源；高压钠灯光效已达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。在实际的照明应用中，片面追求光源的高显色性和高色温，能造成极大的能源浪费。在一些体育场馆的泛光照明中，一般都采用１０００～２０００Ｗ的大功率金属卤化物灯，按显色指数通常分为６５（或８０）、９０两种；按相应的色温分为３７００Ｋ（或４０００Ｋ）、５６００Ｋ两种。后者通常应用于国际性的彩电转播、奥林匹克运动会、“世界杯”比赛以及高清电视转播中；前者用于日常的训练、比赛、彩电转播中。在全球不同地区如北美和欧洲，其执行的标准也有较大的差别，现行的体育照明标准对此要求也有所不同。不同显色指数和色温的光源其光通量有明显差别，以１０００Ｗ的金卤灯光源为例。显色指数为６５的金卤灯光源光输出为１１００００Lm，而显色指数为９０的金卤灯光源光输出仅为９００００Lm。前者的光通量高出后者约２０％，意味着在同样的照度水平和照度均匀度要求下，后者可节能２０％左右。现有金卤灯结构分为单端金卤灯和双端金卤灯2种（图1），每种金卤灯又可分为长弧发光管和短弧发光管两种(图1)，应用于不同的灯具中。比较这些产品特性可以发现，短弧双端金卤灯具有以下特点：允许灯具系统的设计更加简洁，并使精确的光学系统具有较高的效率、良好的光束控制能力和最低限度的溢出光；燃点位置位于水平方向±5°以内，有助于金卤灯性能的稳定；但是在工作时，灯的封装部位将暴露在空气中，因此必须控制灯具温度，灯与灯之间颜色差异较难控制。单端短弧金卤灯同样具有自己的优势，特别是在对眩光、外溢光的控制以及灯具的精确配光方面：也可以精确地控制光线，提供更多的配光选择、良好的外溢光及眩光控制、透明管状外玻壳、高光效等；如果保持水平方向±5°以内的燃点位置，可以最大程度地降低金属卤化物灯固有的色差，初始及燃点寿命期间均具有很高的光效，灯具寿命比双端金卤灯长，灯与灯之间的颜色差异容易控制。根据金属卤化物灯具的特性，当灯管处于水平和垂直状态时被点燃，灯具的燃点效率最高。一般灯具安装在灯杆或者马道上时，灯具的瞄准角度与水平方向会有一个２５°～４０°左右的夹角，此时，灯具的倾斜系数较低，总的光失系数降低，灯具的利用效率下降，必须使用更多的灯具才能达到这一照明效果。使用Ｚ形光源。（图2）时，通过灯管Ｚ形的校正，可使灯管基本处于水平状态，提高灯具的倾斜系数，提高了灯具的利用效率，减少灯具的使用数量，有效节约了电能。同时，采用Ｚ形光源后，结合灯具的设计，部分本来投射到空中的外溢光通过反射器的反射被重新投射到场地中，从而提高了灯具的效率，使场地内可供利用的光能提高了２５％左右，并且减少了对周边环境的外溢光污染和场地内眩光。在没有配置外置眩光控制器的情况下，可减少外溢光达５０％左右；选用外置眩光控制器后，外溢光可减少９０％～９５％。（二）灯具控光器件的设计原理1．灯具光学设计与照明节能的关系灯具是光源、灯罩和相应附件组成的总体。灯具的光照主要特性，一是配光性能；二是灯具效率；三是防止眩光特性。灯具的主要作用是让光依人们需要按一定的规律分配。光源在灯具内发光后总会损失一部分光，灯具发出的光通量与光源光通量之比称为灯具效率，灯具效率高意味着光在灯具内的损失少，发出光多，意味着节能。各种灯具的效率差异很大，大致在30%～95%之间，如窄光束的投光灯一般在30%～50%左右，为了提高灯具效率，灯具光学系统设计就显得非常重要。不同分类的灯具，照明要求不同，光学系统设计所要关注的内容不同，灯具的分类方法很多，若从光分布图看，可分为三种形式。１、双向非对称式，2、单向对称式，3、双向对称式，4、轴对称式3。按照照明设计要求对灯具分类，可分为：１、室内照明灯具，２、泛光及投光照明灯具，３、道路及庭园照明灯具。按照使用场合分类就更多。就灯具使用而言，泛光照明用投光灯功率大，亮度高，又布置在建筑物附近，极易对路人造成眩光，对周围建筑物内的居民造成光干扰。因此，在进行照明设计时，对灯具的选型及灯具安装位置的选择都要充分考虑，应尽量减少溢散光，灯具的位置和投射角度要合理，要提高泛光照明利用系数（被照表面所得到的光通量与光源发出的光通量之比值）。国际照明协会规定了７种最基本的灯具配光曲线（图4），也有部分灯具提供更多类型配光曲线，以满足市场的不同需求。道路照明的范围十分广阔，覆盖了城市乡村的大小街道。其最重要的功能是为驾驶员提供安全的照明，尤其是高峰期间在市中心交通混乱的区域，对照明的要求是非常高的,表一是常见道路照明功率密度限值。道路照明能源消耗占整个照明能源消耗的比重很高，依照2002年数据，全国道路照明灯光盏总数将超过1200万只，以市场用量最大的250W高压钠灯做计算基础，每只钠灯的年耗电量为：250×1.15(电感镇流器的电耗)×11.5h÷1000×365天h=1200度。所以灯具光学性能对节能至关重要。当前的灯具相关标准已经对灯具光强分布、灯具效率和眩光限制提出要求。对于灯具效率，常规道路照明灯具效率由60%提高到70%，泛光灯效率由55%提高到65%，分别提高了10%。因此灯具性能要高于标准要求实现配光分布，效率及眩光控制，必须进行科学合理的灯具光学系统设计，传统道路照明的配光特征曲线如图5所示。室内照明灯具光学设计对节能减排也起到重要作用，比如办公室照明多采用格栅灯，如果格栅和反射器能够科学设计，提高格栅灯的效率，那么节能效果就相当明显。当前格栅灯满足CATII眩光控要求的效率大多50%～60%，而且光分布也不是很好，要保证办公室照明的基本要求，就需要更多数量的灯具，会造成能源浪费。现在一些著名企业都推出灯具效率在70%以上的优良眩光控制格栅灯，照明质量得以改善，而且立刻节能10%以上。还有就是厂房和仓库的照明，目前大多使用HID光源的工矿灯，HID工矿灯的效率大概在60%~80%之间，如果采用荧光灯管的高挂灯，科学设计其光学系统，则眩光控制要求比HID工矿灯好，灯具效率可达90%以上。比如采用6X54W高效荧光灯管的高挂灯照明效果与采用400W金卤灯的工矿灯相当,但可节能20%以上。图6是一些室内照明用典型灯具的配光特征曲线。2．灯具光学系统设计原理灯具光学系统就是灯具使用光源，遮光罩（灯罩）和反射器（灯杯）组成的具有相互位置关系的整体，是灯具结构一个子系统，是实现灯具照明功能最直接的、也是最终的执行系统。灯具光学设计就是利用几何光学原理设计由复杂非自由曲面组成的反射器和遮光罩，使光线射向所要求照明方向的一种办法。在灯具光学设计中，评价灯具光学性能的主要因素是被照平面的照度及照度均匀度、灯具输出的光通量、灯具眩光等。有许多因素影响灯具光学功能的评价，诸如使用场合照明的要求，照明空间的布局与结构，被照面的表面特性、背景光强、墙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状都是由很多自由微曲面组成，反射曲面的形成采用多曲面反射配光设计法（图7），灯具的反射器由许多片不同的反射片嵌在反射罩内组成（图8），采用３６０°角布置，反射器可以组合成不同形状，不同功能的小反射曲面组合成特定光反射功能的子模块，以实现特定的光反射功能,采用这种布置方式对光线的控制更加精准，进一步减少了外溢光，提高灯具的效率。反射片的不同组合搭配，能够形成多种配光曲线。在新开发照明灯具时只需按照配光要求组合反射器模块，就可以实现特殊要求的配光设计，从而在应用中选择合适的配光，做到合理投射和利用光线，以达到最佳的照明效果。这样做一则减少灯具开发进度，二则便于通过改变局部反射器模块形成新的配光，灯具结构不需要太大改动。采用模块化设计全方位组合不同反射功能的反光罩和遮光罩，减少内部反射次数，控制投射方向和光束形状，原本投射到非照明区域的散射眩光、溢出及偏射光和人工照明形成的天空杂散光得以减少。可以提供一个舒适、清晰自然的照明环境，同时节省成本，降低能源消耗。3．照明灯具控光器件材料的选用灯具的反射面应尽量选用高反射比的材料，灯具上的透光罩应尽量选用透射比高的材料，以提高灯具的效率。目前多数投光灯的反射器材料大多采用铝型材厂提供的用于照明的铝板，如安铝，美铝、意铝、法铝等品牌的铝板，国产铝主要是甘铝、贵铝等。在设计反射器时为了保证工作平面上照度的均匀性，一般多采用锤纹或是雾面材料(图9)，但缺点是光线漫射会造成灯具出光率降低，而且不易形成窄光束配光，造成照明眩光，与绿色照明的宗旨相背离，根据笔者灯具设计的经验，可以考虑反射器多采用高反射率的镜面铝板（图9），整个反射器采用多自由反射曲面的组合，而不是当前一大块曲面的反射形式，便于实现灯具光束的控制。虽然反射器加工成型成本会增加，但从长远考虑，考虑节能的费用，加工成本增加的费用完全可以补偿，利用镜面反射材料代替一般的雾面材料，灯具出光率提高10%以上，利用镜面材料代替锤纹铝材，提高出光率5%以上。另一个方面是有关折射罩材料的选用，由于光线以大入射角入射透镜，则在入射表面形成较强的反射，真正进入透镜的光线就会减少，降低灯具