灯具光学系统设计在照明节能减排中的作用[1]

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（optics design）；照明灯具(luminaire)；绿色照明(green lighting)； 溅射光(spill light)；

　　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。