無極熒光燈應(yīng)用節(jié)能分析

祁增慧 桂垣 楊曉晴

(河北建筑工程學(xué)院，張家口 075024)

1 引言

綠色照明的宗旨是提高照明質(zhì)量，節(jié)約資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。通過研發(fā)和推廣光效高、壽命長、性能穩(wěn)定的綠色光源逐步替代傳統(tǒng)的低光效、低壽命、維護(hù)費(fèi)用高的光源是節(jié)能的主要措施。目前我國已自主研發(fā)出被譽(yù)為21世紀(jì)“綠色照明”領(lǐng)域可普遍推廣的無極熒光燈，它具備超長的壽命、高光效、高功率因數(shù)、穩(wěn)定光通量輸出、高顯色性、低溫快速啟動(dòng)等良好性能參數(shù)，使用中能達(dá)到高效節(jié)能。本文對(duì)無極熒光燈適合使用的室內(nèi)、室外照明場所做節(jié)能的對(duì)比分析。

2 無極熒光燈原理

如圖1所示，無極熒光燈主要是由:電源高頻發(fā)生器、功率耦合器和無極熒光燈管三部份組成，高頻發(fā)生器產(chǎn)生的高頻能量通過功率耦合線圈耦合到燈管內(nèi)的等離子體中，激發(fā)等離子體和通過玻璃泡殼內(nèi)壁上涂有的三基色熒光粉轉(zhuǎn)換發(fā)光。無極熒光燈系統(tǒng)并不是利用電極將外部的電能轉(zhuǎn)化為燈內(nèi)工作所需的能量，而是利用一對(duì)鐵芯在燈內(nèi)形成感應(yīng)電流。燈管內(nèi)沒有傳統(tǒng)的燈絲和電極，它不象熒光燈、高壓鈉燈、金鹵物燈等氣體放電燈是通過電極放電發(fā)光的，所以不存在由于電極濺散或失效而造成燈壽命終止的問題，因此它有傳統(tǒng)光源難以比擬的超長壽命。無極熒光燈光譜屬典型的三基色熒光光譜。

圖1 感應(yīng)放電的變壓器模型示意圖

3 室內(nèi)照明無極熒光燈應(yīng)用節(jié)能分析

3.1 室內(nèi)照明光源現(xiàn)狀

室內(nèi)照明屬典型的明視覺照明環(huán)境，依據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034—2004編制組對(duì)全國六大區(qū)的部分大中城市室內(nèi)照明所用光源的調(diào)查結(jié)果顯示，居住建筑多采用白熾燈、緊湊型熒光燈;圖書館、辦公建筑、商業(yè)建筑、會(huì)議室、醫(yī)院建筑、學(xué)校建筑、博物館照明普遍采用直管熒光燈和緊湊型熒光燈，金鹵燈、鹵鎢燈、白熾燈等其他光源用得很少。影劇院建筑采用白熾燈比較多;旅館建筑照明，客房大部分采用白熾燈，緊湊型熒光燈和直管熒光燈;交通建筑照明采用直管熒光燈、金鹵燈、緊湊型熒光燈;工業(yè)廠房及倉儲(chǔ)建筑普遍使用高效的直管熒光燈和金屬鹵化物燈，在對(duì)顯色性要求不高的工業(yè)廠房中采用了高壓鈉燈。由上述調(diào)查結(jié)果得知，在室內(nèi)照明的低空間場所普遍使用直管熒光燈和緊湊型熒光燈;在室內(nèi)照明的高空間場所普遍使用金屬鹵化物燈、高壓鈉燈，符合CIE各種場所光源使用推薦標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 室內(nèi)照明無極熒光燈應(yīng)用節(jié)能分析

室內(nèi)照明分為功能性照明和環(huán)境照明，前者光源的選擇主要考慮如照度、顯色性、啟動(dòng)等參數(shù)，后者主要考慮通過合適的光源構(gòu)建一個(gè)合適的環(huán)境氛圍。兩者都要考慮根據(jù)所選用的光源一次性投資費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用。在滿足基本條件下，光源盡量選用高光效、壽命長、顯色性好的光源，這是綠色照明的節(jié)能目標(biāo)。各種主要電光源的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 各種主要電光源的技術(shù)指標(biāo)

由表1知，在室內(nèi)照明低空間場所 (一般小于4.5米)中使用的典型光源應(yīng)選熒光燈，因其光效較高，顯色性好。但也有壽命低，光衰大、單只功率不能做的較大 (否則會(huì)使光效降低、壽命降低)等缺陷，故其在使用中維護(hù)量大，需經(jīng)常更換光源;而無極熒光燈性能參數(shù)和熒光燈相近，但因其無電極從而其壽命比熒光燈長6－10倍，光衰也比熒光燈小6倍，單只功率大，可以基本替代直管和緊湊型熒光燈。

在室內(nèi)照明的高空間場所 (一般大于4.5米)中一般無法選擇熒光燈，因單只功率低造成燈具個(gè)數(shù)太多和維護(hù)困難。現(xiàn)在使用的典型光源金鹵燈光效大，初始效果好，顯色性好，單只功率大，但其光衰大、穩(wěn)定性差，再啟動(dòng)困難，壽命較低;高壓鈉燈光效在照明光源中最高，價(jià)格較低，但顯色性差，光衰大、壽命較低、再啟動(dòng)困難;無極熒光燈雖光效稍低于金鹵燈、高壓鈉燈，但其他性能均優(yōu)于金鹵燈和高壓鈉燈，尤其是它的長壽命使高空間場所維護(hù)困難的問題得到了根本解決。

光源的選擇首先是滿足照明設(shè)施的使用要求，選用高光效、壽命長、顯色性好的光源、無極燈雖價(jià)格較高、一次投資較大，但使用數(shù)量減少，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用降低，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是合理的。綜合考慮無極燈的優(yōu)勢(shì)比較全面，其高光效、低光衰、顯色性高、超長壽命、可實(shí)現(xiàn)瞬間啟動(dòng)和低溫瞬時(shí)啟動(dòng)，它的性能決定了無極燈非常適用于室內(nèi)照明中功能性照明場所，尤其適用于光源點(diǎn)燃時(shí)間長和光源維護(hù)困難的場所。

4 道路照明無極熒光燈應(yīng)用節(jié)能分析

4.1 室外照明光源現(xiàn)狀

道路照明分為快速路、主干路照明、次干路照明、支路照明、隧道照明。道路照明使用的光源，最早采用白熾燈，后采用高壓汞燈、金鹵燈，現(xiàn)在道路照明用典型光源是高壓鈉燈。道路照明光源多數(shù)情況下要求壽命長、光通量大、效率高、維護(hù)量小，主要原因是道路照明光源點(diǎn)燃時(shí)間長、更換、清潔等維護(hù)工作不便，同時(shí)道路照明的節(jié)能也是一個(gè)重要的問題。道路照明屬于典型的中間視覺和暗視覺應(yīng)用環(huán)境，其亮度介于0.035cd/m2和3cd/m2，在這種應(yīng)用環(huán)境下光源的光通量和相對(duì)光效與明視覺條件下是有所不同的。

4.2 中間視覺及暗視覺條件下現(xiàn)有照明評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的缺陷

按照CIE的規(guī)定，對(duì)光度學(xué)單位的定義、光度學(xué)儀器、光源和照明燈具以及照明設(shè)備安裝的評(píng)價(jià)依據(jù)，一直采用人眼在明視覺狀態(tài)下的光譜光視效率函數(shù) (曲線)v(λ);在照明應(yīng)用中，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及測量儀器、光源的出廠參數(shù)均沒有考慮在暗視覺下應(yīng)按照v'(λ)曲線作為評(píng)價(jià)依據(jù);而且目前在進(jìn)行道路照明等中間視覺及暗視覺條件下照明的設(shè)計(jì)時(shí)，是在明視覺條件下計(jì)算光源的光通量，而對(duì)光源光通量的測量所用的測量儀器的光電池也仍是模擬明視覺下的v(λ)曲線來修正的，這與中間視覺及暗視覺下的光通量概念不符。其實(shí)任何光源在明視覺、中間視覺及暗視覺條件下發(fā)出的可見光光譜是一樣的，但由于光通量的定義是人眼主觀感覺的可見光部分，所以造成兩種條件下光通量有很大差別。

現(xiàn)在道路照明用典型光源是高壓鈉燈，通常主、次干道使用的高壓鈉燈的功率為400W和250W，在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常采用200W無極熒光燈取代400W高壓鈉燈，用150W無極熒光燈取代250W高壓鈉燈，就可以達(dá)到與鈉燈相同的照度。主要從以下分析。

圖2 高壓鈉燈的相對(duì)光譜能量分布和不同亮度下的光譜儀光視效率函數(shù)疊加圖

圖2顯示了高壓鈉燈 (400 W)的相對(duì)光譜能量分布曲線及三條明、暗視覺下的光譜光視效率函數(shù)曲線．從圖2可清晰看出，明視覺下高壓鈉燈有高的光效是由于它的輻射能量光譜主要集中在560nm到620nm之間，正好在明視覺函數(shù)的峰值附近。但在暗視覺及中間視覺下，由于高壓鈉燈在藍(lán)光和綠光部分 (505 nm附近及505 nm至555nm之間)幾乎沒有輻射能量輸出，所以有效光效就會(huì)明顯減少。圖3顯示了無極熒光燈 (200 W)的相對(duì)光譜能量分布曲線及三條明、暗視覺下的光譜光視效率函數(shù)曲線．從圖3的相對(duì)光譜能量分布可以看出，無極熒光燈在436nm、545nm、610nm均出現(xiàn)了極大值，屬典型的三基色熒光光譜，在藍(lán)光、綠光部分有較大的能量輸出，無極熒光燈能量輸出的某些峰值落在了暗視覺及中間視覺下的光譜光視效率函數(shù)曲線的高靈敏度區(qū)域，從高壓鈉燈和無極熒光燈的光譜功率分布中看出，無極熒光燈輻射出的能量中含有短波輻射成份比高壓鈉燈多，在明視覺時(shí)，無極熒光燈的發(fā)光效率低于高壓鈉燈，但在暗視覺時(shí)，無極熒光燈的發(fā)光效率值大于高壓鈉燈的發(fā)光效率值1倍多。這就是說在暗視覺條件下如果采用無極熒光燈照明，會(huì)更有利于提高視覺功效，也就是在實(shí)踐中為什么用200W的無極熒光燈比用400W的鈉燈人眼感知還要亮的原因，而用現(xiàn)有照明測量儀器測得的照度卻低很多，暗視覺下照明評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)需要制定。

圖3 無極熒光燈的相對(duì)光譜能量分布和不同亮度下的光譜儀光視效率函數(shù)疊加圖

與高壓鈉燈比較，暗視覺初始光效無極熒光燈高，壽命長，光通維持率高，以2000小時(shí)為界，無極熒光燈能維持95%的光通量，而高壓鈉燈只能維持70%左右的光通量。國家在道路照明標(biāo)準(zhǔn)上，主干道照明維持值需要20lx以上，但實(shí)際上新設(shè)計(jì)的路段，鈉燈初始照度流明數(shù)最少要設(shè)計(jì)到35～50lx，目的是為了保證6個(gè)月后道路照明能確保20lx，這就大大浪費(fèi)電能了;無極熒光燈初始只要設(shè)計(jì)確保20～30lx之間，就能足以維持光輸出達(dá)標(biāo)。僅用初始流明狀態(tài)下的照度比較還是不夠科學(xué)的。在燈已經(jīng)有光衰顯示的情況下，同功率的無極熒光燈比同功率高壓鈉燈照度要提高一倍。

4.3 道路照明的節(jié)能和控制

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國城鎮(zhèn)在夜晚9點(diǎn)后，大中城市在午夜12點(diǎn)后道路上行人、車輛已經(jīng)比較少。從這一時(shí)段直至清晨6點(diǎn)路燈熄滅，在交通流量低峰的道路上仍然保持較高照度顯然沒有必要。由于無極熒光燈采用了IC技術(shù)，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)調(diào)光和智能控制，而且工作性能穩(wěn)定。另外一個(gè)較好的節(jié)能途徑是采用太陽能或風(fēng)光互補(bǔ)無極熒光燈作為道路照明光源，既無污染又節(jié)約能源。無極熒光燈的高頻發(fā)生器內(nèi)部本身具備boost升壓電路，所以它對(duì)蓄電池的供電電壓的要求大大降低了，系統(tǒng)只要能提供150V的電壓，無極熒光燈就能正常工作，這使得系統(tǒng)成本降低。無極熒光燈的功率因數(shù)可以達(dá)到0.99，鈉燈在帶補(bǔ)償?shù)那闆r下也只在0.85左右，所以同功率高壓鈉燈要比無極熒光燈多消耗15%左右的電能，在初期投資中電纜投資可以降低。

5 結(jié)論

無極熒光燈具有長壽命、高光效、高顯色指數(shù)、寬范圍色溫、單只光源功率可大可小，可連續(xù)和瞬時(shí)啟動(dòng)等特性，屬典型的三基色熒光光譜，這些都是熒光燈、金鹵燈、高壓鈉燈等其他光源所無法同時(shí)具備的，這就決定了無極燈在綠色照明中具備廣泛推廣的價(jià)值，特別適用于公共場所照明、廠礦車間、地鐵、公路、隧道、橋梁、體育場館、機(jī)場、車站、碼頭、城市道路、大型商場照明以及廣告牌投光等，尤其適用于室內(nèi)光源點(diǎn)燃時(shí)間長、高空間光源維護(hù)困難的場所和道路照明領(lǐng)域，用以替代直管熒光燈、緊湊型熒光燈和高壓鈉燈。

在照明工程的改造中，采用無極燈代替高壓鈉燈，其在后期的運(yùn)行費(fèi)用上有明顯的節(jié)約效果，節(jié)約的電費(fèi)及維護(hù)費(fèi)用可以在短期內(nèi)收回前期投資的成本。隨著無極燈技術(shù)的日益完善，其價(jià)格也逐步與鈉燈相當(dāng)，這使收回成本的時(shí)限又有所縮短。電費(fèi)的支出減少也反映出電能的消耗減少，這對(duì)緩解電力供應(yīng)緊張局面、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)更具有現(xiàn)實(shí)意義

無極熒光燈現(xiàn)在推廣困難主要是因?yàn)閮r(jià)格較高，根源是其沒有形成規(guī)模生產(chǎn)，將來成規(guī)模之后成本必定會(huì)下降，無極燈的廣泛應(yīng)用將為節(jié)約能源提供一條捷徑。因此無極熒光燈是綠色照明中最有應(yīng)用前景的光源之一。

［1］葉峰．道路照明節(jié)能技術(shù)探討．南京市政．2007年第1期

［2］建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 編制組編．建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)講座．北京:建筑工業(yè)出版社

［3］北京照明學(xué)會(huì)照明設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì)編．照明設(shè)計(jì)手冊(cè)．北京:中國電力出版社

［4］愈麗華編．電氣照明．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社

［5］中國綠色照明工程項(xiàng)目辦公室．中國建筑科學(xué)研究院編．綠色照明工程實(shí)施手冊(cè)．北京:建筑工業(yè)出版社