照明与节能

照明消耗的能源，在工业发达国家约占本国能源总消耗量的3—5%，电力生产量的10—20%。我国的照明耗电约占总电量的10％，尽管这一比例还不很大，但由于大力提倡节约能源、保护生态环境也就成为当务之急。据估算，节约1千瓦发电容量的投资不到新增用量造价的20％，因之可见，利用新技术开展节能照明的潜力很大。为此，国家有关部门自上世纪末大力推广"绿色照明工程"。所谓绿色照明，是指推广使用效率高、寿命长、安全可靠、性能稳定的电光源、灯具和电器附件以及调光控制器件组成的照明系统，以达到节约用电，减少发电对环境的污染，提高人们工作及生活质量的目的。
    电光源，是照明之源，对节能照明具有首要的意义。回顾过去的20世纪，光源的发展经历了二个时期：从白炽灯的出现到三十年代末是第一时期，这是白炽灯发明、改进和成熟的时代。三十年代末开始的第二时期是开发气体放电光源的时代，它又可分为二个阶段：第一阶段以荧光灯的普及应用为标志，是低气压放电灯的时代；第二阶段自六十年代中期发明金属卤化物灯和高压钠灯为开端，由此进入高压气体放电灯的照明时代。
    回顾历史，我们可以看到：由于电光源在发光效率、寿命和颜色特性上不断改进，为照明方式的变革和照明应用的发展提供了机会和条件。现代人工光源照明设计理论和应用技术是在电光源发展的第二个时期，即高光效、多品种的气体放电灯问世后才逐渐形成和完善的。
    总的说来，节能照明主要为三个内容：照明设施、设计及管理。具体为以下五个方面： 
    （1）开发并应用高光效的光源； 
    （2）开发并应用高效率灯具及配套的低能耗电器； 
    （3）合理的照明方式；
    （4）充分利用天然光； 
    （5）加强照明节能的管理。
一、光源
  它是照明节能的主体。目前国际上节能照明光源的发展情况大体如下：
    l、螺旋形紧凑型荧光灯（SCFL）
    紧凑型荧光灯俗称节能灯，常见的有单U（或H）型，双U（H）型及3U（H）型等，一般紧凑型荧光灯因受灯管高度和塑料底座直径的制约，放电电弧较短，管电压低，使其发光效率受到限制。螺旋灯管放电电弧可做得较长，光效相应提高，同时，螺旋灯只有二个端点安装在底座上，端点上的光损失仅 3％，双 U管有4个端点，3U管有 6个端点，它们的光损失分别增加到6％及9％。而且在螺旋管卷绕成形时，适当控制螺旋间隙，让内圈光更多外射，又可以进一步提高发光效率。对不同功率的螺旋灯，可通过适当调整其卷绕直径，来控制整灯的高度，使之与白炽灯的高度近似。                                                      
   目前，螺旋灯的功率从9W、13W、15W、18W、23W及26W发展到32W、42W、55W、它们的特性列于表一中。
  表一    螺旋灯特性

  近年来，在上述螺旋灯的基础上，进一步缩小管径，增长放电距离，形成了冷阴极双螺旋荧光灯（SCFL），它们的外形尺寸如图二所示，玻管直径为3.5mm左右。典型的5W灯管与同类产品相比如表二所示。由表可见SCFL-5比普通的同功率热阴极节能灯高20％，比白炽灯高五倍；表面亮度分别比后二者高一倍和五倍；寿命分别比后二者长二倍和十五倍；开关决数则比节能灯多6倍，比白炽灯多40倍。目前已做成 3W、5W、7W、9W及11W整灯，它们的总光通量分别为120、200、280、360及440流明，除了用于室内照明及室外装饰及指示照明外，由于其寿命长、耐开关冲击的特点，特别适用于超大彩色屏幕的动态显示。

           图二    冷阴极荧光灯外形主要尺寸
       表二  5 W冷阴极灯与热阴极灯、白炽灯比较

  2、大功率紧凑型荧光灯（HCFL）
    一般的紧凑型荧光灯，功率大都在36W以下。最近，我国在国际上首先开发出大功率紧凑型荧光灯，功率为的55W、65W、85W、100W及120W，外形有3U、4U及5U，其中65W以下还形成整体式。它们可广泛用于室内及室外的大面积照明，可取代150W以下的高压钠灯和金属卤化物灯，250W以下的高压汞灯以及500W以下的白炽灯。灯的色温在2700K到6400K。配以适当灯具后，可适用于工厂、学校、商场、宾馆、百货公司、街道、隧道、广场、庭院、航站楼及候车厅等场所照用。

         表三  大功率紧凑型荧光灯特性

 以55W灯为例，经济效益分析列于表四中。

表四以55W灯为例经济效益分析  

    3、细管径直管荧光灯
    目前，国内常用的是1.2m长，管径为38mm或32mm的直管荧光灯，它们的发光效率一般在60lm／W，寿命在5000小时左右。所谓细管径是指管径比上述二种更细的荧光灯。1974年研制成功的三基色荧光粉的荧光灯突破了管径制约，是一种光效与显色质量俱优的节能新光源。新型荧光灯用的三基色荧光粉是用活性铝酸盐和稀土元素制造的。这种荧光灯粉将紫外线转换成可见光的效率高，能经受更高的紫外线强度，所以三基色荧光灯比标准荧光灯管径（38mm）减小1／3，为26mm。同时，功率也减小10％，但输出光通量不变。 1978年，国外公司首先推出了这种称为T—8的荧光灯，1985年采用三基色荧光粉及电子镇流器的T—8荧光灯。光效达100lm／W，显色指数在85以上。其后，又进一步改进提高，使这一类灯管的光通量维持率大大提高，点燃1万小时后，其光通量的衰减与点燃100小时比较，只有5％左右。目前欧美、日本等国已大都生产T—8的灯管，色温度分别有2700K、3000K、4000K、5000K及6500K；显色指数达80-90，寿命为16000小时，更有报导寿命为20000小时，甚至24000小时的。与此同时，国外又进一步开发了更细管径的T—5（F16mm）荧光灯，它们的光效更高，可达104lm/W，1万小时点燃后，光维持率为95％，有的国家甚至开发了F8mm的超细管径灯。
我国也在大力的开发、生产以及推广应用T—8及T—5的细管径荧光灯，但就发光效率和寿命等方面与国外相比尚有一定的差距。
细管直管荧光灯的特性列于表五、表六中。

表五   1.2m直管型荧光灯特性评估表

 表六  T5型直管型荧光灯的特性表

    4、无极荧光灯 
    无极荧光灯的放电方式为高频电磁耦合感应，放电频率为2-20兆周，故而灯管内不再需要电极，因此可大大延长灯管的寿命。近年来国外各大公司都在大力开发这一款产品，他们在解决噪音，提高点灯线路效率和降低成本方向做了不少工作。1993年以未，开始有了实用型的无极荧光灯投入市场。其中GE公司的结构见图三。灯的功率为23W，总光通量1100lm，寿命 1万小时，飞利浦 QL灯寿命可达6万小时。它们的特性列于表七中，目前国内无极荧光灯研制工作已开展，但到商品化仍有相当距离。

            图三      通用电气公司无极荧光灯结构

表七  几种无极荧光灯特性

   5、陶瓷金属卤化物灯
    作为第三代光源的石英金属卤化物灯自60年代初问世以来，经过四十年的发展，已经成为一种成熟的节能光源，由于它的光效高、显色性好、结构紧凑，已广泛应用于室内、室外各种场所的照明。然而，当人们希望进一步提高它的性能，例如提高色温的一致性，延长寿命以及做成小功率或超小功率灯以应用于室内许多场合时，因石英管壁与管内的一些金属卤化物会引起反应等原因，传统的石英金属卤化物灯遇到了很大困难，考虑到高压钠灯用陶瓷管的优点及工艺，于是科学工作者经反复研究，制成了陶瓷金属卤化物灯。国外的一些大公司如飞利浦公司，通用电气公司等，已有大量的成熟产品推向市场，特别是通用电气公司又进一步对陶瓷金属卤化物灯的结构作了简化改进，从而大大提高了它的寿命和光色一致性。陶瓷金属卤化物灯比石英金属卤化物灯有更大的优点： 
    （1）显色性好。一般显色指数都在80以上，且为暖白色。
    （2）光效高、光衰小。视不同的功率和结构，光效一般都在80lm／w以上，可以高到100lm／w左右，比双石英金卤灯高10-20%。 
    （3）色温稳定。颜色漂移性小，色偏差《土200k。石英金卤灯则为土600k。
    （4）寿命长。飞利浦公司双端为8000小时，单端为6000小时；通用电气公司双端为15000小时，单端为12000小时；
    （5）体积小，无紫外线，更适合于室内照明。
    表八列举了GE公司陶瓷金卤灯特性

    表八  通用电气公司陶瓷金金卤灯特性

    6.LED固体光源
    LED是英文"发光二极管"第一个字母的缩写。它是通过半导体P-N结发光将电能直接转化为光能的器件，LED早在 1960年前就已出现，当时由于制造材料及技术的限制，其发光亮度小，且只有红的一种颜色，在很长一段时间内只用于信号指示和字母数字显示器等有限的领域中。随着科学技术的发展，出现了许多新型材料，同时半导体器件的生产工艺也日臻完善，使人们开发了不同颜色的高亮度LED光源，它越来越被照明界的业内人士看好，认为将成为21世纪新一代的照明光源。

                图四       LED灯结构
    LED光源如图四所示。当它处于正向工作状态时会发出单色光，由于制备材料和工艺的不同，目前发光的颜色有红、绿、黄、橙和蓝色，最近又出现了发射白光和紫外光的LED。
    LED发光管有效寿命长，可达10万小时，有些生产厂商的期望寿命为 25万小时；功耗低，低电压 6- 24V工作，工作电压随产品不同而异，工作电流大都在20mA左右，是一个比使用高电压光源县安全的光源；激励响应时间短，几乎在加上工作电压的"同时"就发光；光源尺寸小，每个LED小片为3-5mm正方形；颜色除了上面提到的几种单色光外，也出现了白光，显色指数R_a=70，色温随荧光粉不同而变，目前其白光的光效已达15－20lm／W，个别公司已有报导为 40－50lm／W；作为固体光源，LED的可靠性高，可抗震同时适合于易变的环境。为此，国际著名的光源厂都投巨资进行开发，如飞利浦公司、GE公司、欧司朗公司及东芝公司等，他们在致力于提高光效的同时，也在考虑：由于单个LED光源的功率在0.1W左右，发出的光通量极为有限，如何将许多单个光源集合在一起或是开辟新的途径提高总功率，使LED做成新一代的照明光源以代替传统的白炽灯或紧凑型荧光灯。再有一个问题降低价格，使之具有合理的性能价格比。GE公司预期5-10年后，LED光源可成为实用光源。
    二、灯具和配套电器
    在节能照明中除了选择高效率、合理配光的灯具外，一个常易被人们忽视的问题是：使用气体放电光源的镇流器本身的能耗。目前各国都在研究开发品质优良、可靠性好、能耗低的电子镇流器以及低能耗的电感镇流器。以一支40W／36W普通荧光灯电感镇流器为例，其自身功耗为8－10W，节能型电感镇流器功耗降为5W左右，超节能电感镇流器，其能耗低达3.5W，接近于电子镇流器水平。
    为了进一步节约照明用电，美国首先推出了室内大量使用的直管荧光灯镇流器能效标准，能效因素（BEF）按下式计算：
    BEF=μ/ρ×100
    μ：镇流器的流明系数值
    ρ：线路功率，W。
其能效标准列于表九中。

表九  美国现行荧光灯镇流器能效标准

    其他气体放电光源镇流器的能效标准正在制订中。我国在去年六月也开始实施管形荧光灯镇流器能效限定值及节能评价值，它们的数据分别列于表十、表十一中。

表十 中国镇流器能效限定值

  表十一中国镇流器节能评价值

    对光源而言，它们的能效限定值即必须满足强制性最低发光效率（lm／W）值。美国对一般照明用荧光灯及反射型白炽灯的能效标准（即最低平均发光效率）分别作了规定，其他如高强度气体放电灯的能效标准正在制定中。
    有了上述二类（光源与镇流器）能效限定值，即可根据室内照明标准来规定不同场所如办公室、商场等每平方米面积所用照明设施的功耗。例如美国能源部标准：办公室为11.9－15.1W／m²，零售商店为18.5－29.1W／m²等等。他们有关专家分析，如果采用了可行的提高能效的措施，商业室内照明用电将节约64-71％，民用建筑室内、室外照明用电将节约49-56％。
    三、合理的照明方式
    首先要考虑到的是照明标准，照明标准的高低对电能的消耗有直接的影响，我们反对一味的降低照度，这会影响工作效率，而以牺牲工作效率来求节能得不偿失。
    20世纪 70年代能源危机以前30年间，发达国家的照明标准平均提高了三—五倍，达到很高的消费水平。当时因光源的光效不能提高和电力生产的迅速发展尚能平衡提高照明标准所增加的电力消费，照明用电占电力总量的百分比并没有增加。70年代以后，电费随石油价格的猛涨而增加，迫使照明设计人员考虑，如何适当修订照明标准和改进布光方法，以求获得合理的照明方式而不影响工作效率。例如：所推荐的照度标准各国大致接近；从单一的照度标准改变为上、中、下三个照度值，使设计人员有选择的余地；规定工作房间的照度标准是指工作面需要达到的照度等。这样，一个房间可被划分成工作区和非工作区，保证工作区达到规定标准，非工作区照度可适当降低以节约能源。由不同工作区，由于工作者的视力或年龄不同，也可以因人因地选择照明标准，以避免不必要的浪费。
    对人的视觉功能进一步研究表明，照明标准的制定，单以工作面的照度作为评定指标很不完善，它忽略了入射光的方向、人眼视野内的亮度分布、眩光及光幕反射等等许多影响作业可见度的因素。例如在作业面上存在光幕反射，就会严重损害可见度，照度再高也无济于事。美国经过多年研究，提出了反映实际可见度水平的新评价指标：等效球照度。据此理论进行照明设计，不仅可获得较好的可见度，而且可节电30%。由此可见，无限制地单纯增加工作面照度，既浪费了电能，也不是改进照明质量的有效方法。
    以办公室照明为例，国际照明委员会（CIE）对照明标准用了上、中、下三个照度值作为推荐。以保持工作人员的视力、亮度对比的辨别能力、颜色辨别能力，进而提高工作效率和减轻疲劳、推荐的照度为：
    一般办公室                 300－500－750lx
    大进深办公室               500-750-1000lx
    计算机室、绘图、打字室     500－750－l000lx
    陈列厅、接待室、会议室     300－500－750lx
    走道、交通区               30-100-150lx
    以 500lx计算，其能耗标准在20W/M2左右。室内的工作面之间如果需要用辅助照明，则其照度应在室内平均照度3倍以下。考虑人眼的视觉适应，室内和走廊相邻房间之间的水平照度，应为高照度水平的1／5以上，但若低照度处照度达到200lx以上，则没有这一要求，同一房间及相邻房间使用的全部光源，最好具有相近的色温，显色指数能在80以上。在部分利用天然采光的办公室，室内人工照明光源的颜色应与入射的日光相近。
    四、天然采光
    天然光是取之不尽，用之不竭的能源。如何利用天然光作建筑物的照明，以节约照明用电，已引起国内外建筑和照明设计人员的高度重视。过去，在一些工业发达国家，由于土地价格昂贵，空调普及，光源发光效率增高，寿命延长，加以电费便宜，因而在照明设计中对天然光的利用越来越少。20世纪70年代能源危机以后，国际照明委员会（CIE）先后召开多次大会，并组织进行了全球天然光资源的调查和观测（ IDMP计划），在全球分布近50个天然光观测站（我国有北京、重庆二个），经过长期观测，积累了大量数据资料，目前正在分析整理，有关天然采光的国际照明委员会三个指导性出版物，不久将陆续向世，CIE希望通过这些，来进一步推动各国对天然光的充分利用，以进一步节约电能。
    天然采光的缺点是照射深度有限，照度不够稳定，室内照明受室外自然光的变动而变动。因此，在距侧窗较远，自然光不足的地方，还要有辅助的人工照明，目前，在国外许多场所已应用自动调光设备，它能随自然光强弱的变化自动调节人工光源的照明，以保证工作面有恒定的照度。这样，不仅能改善照明效果，而且比开关控制方法节省更多的电能。室内需要的照度水平越高，调光控制的优越性越大。
    为了增加天然采光，并不能盲目的加大窗户面积或增加窗户数量，开窗过大会增加眩光，同时为使室内保持恒定温度，空调负荷又增加，用电量反而更多。为了克服这一困难，现代许多建筑已大量应用涂以特定薄膜的幕墙玻璃，这层薄膜可以透过80%以上的可见光，而将太阳光内的红外热辐射反射回去，这不仅能避免房间过热，减少空调负荷，而且眩光也大为减弱，除以之外，建筑采光工作者还提出不少对天然光的采光方法和设想。例如，利用反射镜的反射、棱镜组的全反射、导光管或光导纤维导光，将天然光直接引到室内需要照明的地方；也可以间接的利用太阳光的红外辐射，产生热发电供照明使用；或是利用光电效应，将太阳光直接变成电能用于照明等等。
    由于设计，采光方法的不同，一般而言，利用自然光能节约用电10－70％。
    五、照明管理
    加强照明管理是保证节能取得成效的重要环节。
    对照明设施的使用，我们应从空间和时间二个方面节约能源。在空间上，要将工作区相对集中，对室内灯具的布置，应使工作区、交通区和决要区域有明确划分，以便运用不同的照度标准。例如美国建议：对办公室照明，若工作区照度为1，交通区为1／3，其他次要区域的照度只需要1／9。在时间上节能，指在不需要照明的时间将好灯关灭，或是不需要灯光太强时，将灯光调暗。目前，国际、国内在许多地方已采用照明自动开关或定时开关，在家庭、旅馆或病房等生活照明区已普遍使用连续调光器，按使用人需要调节灯光的明暗，既形成舒适的照明环境，又节约了电能。
    照明设备在使用过程中，无论光源的光亮度或是灯具反射面的反射率都会随点燃时间的增加而逐步下降。因此对照明设施的维护、保养，对于节能也是非常重要的。所以每隔一定时间就应擦洗一次灯具更换新打、基于这一情况，在照明设计时，必须使初始照度高于标准值，以保证照明装置在相当一段时期提供的实际照度不低于标准位，例如一办公室要求500lx照度，考虑到光源在整个点燃寿命过程中亮度的衰减和灯具污染损失光通量总和为30％，设计的初始用度就应为714lx，这一初始照度比标准高 43％，即需要多装 43％的灯，多耗 43％的电。如果在光源的寿命中期换灯并缩短擦洗灯具的周期，使先通量损失总和由30％降为15％，则设计初始照度只要588lx，而只要多装18％灯具，多耗18％的电能。
                                                                             复旦大学何鸣皋