灯具配光与照明节能的关系[1]

　　1 引言

　　当前，照明工程设计中，在确保照明数量和质量前提下节能要求成为特别关注的课题。其实，人类有了电光源至今，实用光源的效率从每瓦几个流明到现今每瓦100 流明以上，就是一部人类100 多年来追求照明节能的发展史。不同的是，当今社会发展迅速、能耗大增，在开源节流、保护环境刻不容缓的形势下强调照明节能，对照明节能的种种要求自然愈严愈高。照明工程的节能设计成为照明节能工作最基本、最重要的一步。目前，若干照明领域中制定了照明节能标准，对照明消耗功率作了限制，用照明功率限值或称作照明功率密度( LPD)限值作为衡量照明系统节能与否的最重要指标之一。本文主要从LPD 与若干照明要素之间的关系进行分析，除了照明系统设计中满足规定的照明数量和质量等硬指标外，还应注意到影响LPD 的若干因素，如灯具的光分布特性( 配光) 选用等。只有在选用照明系统的硬件如光源、灯具和配套设施效率同时，选用合理的照明系统软件如设计方法、灯具配光和布置方案等才有可能达到LPD 的要求。

　　2 LPD 的确定

　　众所周知，照明系统设计中利用流明法或利用系数法确定设计( 工作) 照度是照明设计最基本的方法，其计算公式如下:

　　式中:η———被安装的光源数量;

　     　W———光源的额定功率，单位: 瓦;

　　     UF———总的光通利用系数;

　    　MF———照明设备的维护系数;

　　     E———设计照度，取自照明设计标准，单位: lx。

　　从( 2) 式中可以清楚看出: N × W/S就是要确定的照明功率密度值，即LPD———单位面积上安装的照明功率值。

　　显然，N × W/S与设计照度，光源的发光效能，总的光通利用系数和照明设备的维护系数有关。

　　另外，从( 3) 式右侧第一项可以看到，设计照度的单位为流明/平方米，除以光源发光效率η( 流明/瓦) ，其单位恰好等于瓦/平方米，即LPD的单位，只是还需乘上UF 和UM 无量纲系数。

　　从( 4) 式[1]中可以看出，LPD，E 和UM 均由照明设计者根据相关的照明设计标准取得。η 不仅取决光源的发光效能，还要考虑点灯附件、控制器件等功率损耗，可以从制造厂商处获得，这些均属于相对固定的参数。

　　公式( 4) 中，UF 是唯一的一项有照明设计者的设计经验和技巧来影响LPD 的相关系数，而且成反比关系。在满足照明质量的前提下，UF 越大，LPD 越小，意味着节能效果越好。反之，UF 越小，LPD 越大。相对固定的参数取得后，合理和科学的确定了UF 值，可以确定LPD 值，并满足节能要求。

　　3 利用系数与灯具的关系

　　众所周知，在照明工程设计中，利用系数的定义就是被照面上接受到的光源光通量与该光源( 用于被照面上所有光源) 的总光通量之比，所以，可以理解为光源光通的利用系数( 此处不考虑多次反射) 。用公式表示为:

　　式中，UF总——被照面上总的利用系数或光源总光通量的利用系数

　        　S——被照面面积，单位: 平方米( m2 ) ;

              E———算得的照度或测得的照度，单位:勒克斯( lx) ;

　　        F总——用于被照面照明的所有光源光通量，单位: 流明( lm) 。

　　( 5) 式中的E × S，即被照面上所得的光通量可以改写成F总× η灯具× UF灯具，则( 5) 式变成:

　　UF灯具的定义就是落入被照面上的灯具光通与灯具发出的总光通之比。

　　值此，从公式( 6) 中不难看出，照明系统总的利用系数与灯具的利用系数发生直接关系。反之，灯具的利用系数也直接影响照明系统总的利用系数，从而进一步影响照明系统的节能特性。另外，照明系统总的利用系数的最大值就是灯具的效率。这里，由于灯具光束角外的溢散区光通置零处理，灯具的利用系数就是灯具的光束光通利用率。

　　4 灯具利用系数分析

　　按相关照明设计标准确定下，灯具光通落入被照面上的数量显然与被选灯具的安装高度、位置和配光( 主要为灯具的光束角和光强值分布) 等因素有关。而且一般情况下，同种灯具的效率随配光的宽窄而变化，配光越宽，其效率就越高，但灯具的利用系数不一定高，即使满足被照场所的照明数量和质量要求，也不一定节能，这在体育场所照明设计中尤为突出。

　　本文意在通过简单的计算来分析影响灯具利用系数这个主要因素，并引起照明设计者的关注。为了计算简单化，作出一些假定:

　　4. 1 第一种方案

　　( 1) 假定有一被照面的面积为30 × 30 平方米，设计照度为20 lx; 要求的照明均匀度为0. 5;

　　( 2) 选用的光源为400W 高压钠灯，其发光效能为105 lm/W ( 考虑到点灯附件的功率损耗) ，并安置在被照面中心上方( 如图1 所示) ;

　　图1 中: L——灯具

　　H——安装高度，单位: 米;

　　R——最大投射半径，单位: 米;

　　C——界限角，单位: 度。

　　( 3) 假定所选用的灯具为一种光源、多种配光，其效率为70% ，且不随配光而变; 再假定多种配光的光束光通也是不变的，即光束角可以变化，其光束光通不变。另外每种配光的光束角内的光强值不变，灯具的溢散光设定为零。这主要为了突出光束角和光强可变性对灯具利用系数的影响程度。

　　这样的假定其结果是固定了某些可变的因素，使灯具利用系数只是与灯具的安装高度和配光的宽窄有关。

　　本文选用了九种轴对称配光，如图2 所示。根据C 型测角仪原理可以取得光源或灯具光束角光通。

　　通过计算，可以算得假定中每种配光光束角内的光强值，见表1。