燈具配光與照明節能的關系

張耀根 高 飛 李山林

(1.中國建筑科學研究院，北京 100044;2.中國照明學會，北京 100022;3.公安部第一研究所，北京 100048)

1 引言

當前，照明工程設計中，在確保照明數量和質量前提下節能要求成為特別關注的課題。其實，人類有了電光源至今，實用光源的效率從每瓦幾個流明到現今每瓦100流明以上，就是一部人類100多年來追求照明節能的發展史。不同的是，當今社會發展迅速、能耗大增，在開源節流、保護環境刻不容緩的形勢下強調照明節能，對照明節能的種種要求自然愈嚴愈高。照明工程的節能設計成為照明節能工作最基本、最重要的一步。目前，若干照明領域中制定了照明節能標準，對照明消耗功率作了限制，用照明功率限值或稱作照明功率密度 (LPD)限值作為衡量照明系統節能與否的最重要指標之一。

本文主要從LPD與若干照明要素之間的關系進行分析，除了照明系統設計中滿足規定的照明數量和質量等硬指標外，還應注意到影響LPD的若干因素，如燈具的光分布特性 (配光)選用等。只有在選用照明系統的硬件如光源、燈具和配套設施效率同時，選用合理的照明系統軟件如設計方法、燈具配光和布置方案等才有可能達到LPD的要求。

2 LPD的確定

眾所周知，照明系統設計中利用流明法或利用系數法確定設計 (工作)照度是照明設計最基本的方法，其計算公式如下:

這就是最基本的計算照度公式，經變換后可得:

或

式中:N——被安裝的光源數量;

W——光源的額定功率，單位:瓦;

η——光源的發光效能，單位:lm/W;

UF——總的光通利用系數;

MF——照明設備的維護系數;

E——設計照度，取自照明設計標準，單位:lx。

另外，從 (3)式右側第一項可以看到，設計照度的單位為 流明/平方米，除以光源發光效率η(流明/瓦)，其單位恰好等于 瓦/平方米，即LPD的單位，只是還需乘上UF和UM無量綱系數。

公式 (3)可以改寫為:

從(4)式［1］中可以看出，LPD，E和UM均由照明設計者根據相關的照明設計標準取得。η不僅取決光源的發光效能，還要考慮點燈附件、控制器件等功率損耗，可以從制造廠商處獲得，這些均屬于相對固定的參數。

公式 (4)中，UF是唯一的一項有照明設計者的設計經驗和技巧來影響LPD的相關系數，而且成反比關系。在滿足照明質量的前提下，UF越大，LPD越小，意味著節能效果越好。反之，UF越小，LPD越大。相對固定的參數取得后，合理和科學的確定了UF值，可以確定LPD值，并滿足節能要求。

3 利用系數與燈具的關系

眾所周知，在照明工程設計中，利用系數的定義就是被照面上接受到的光源光通量與該光源 (用于被照面上所有光源)的總光通量之比，所以，可以理解為光源光通的利用系數 (此處不考慮多次反射)。用公式表示為:

式中，

UF總——被照面上總的利用系數或光源總光通量的利用系數;

S——被照面面積，單位:平方米 (m2);

E——算得的照度或測得的照度，單位:勒克斯 (lx);

F總——用于被照面照明的所有光源光通量，單位:流明 (lm)。

(5)式中的E×S，即被照面上所得的光通量可以改寫成F總×η燈具×UF燈具，則 (5)式變成:

公式 (6)中:η燈具——燈具的效率，單位:%;

UF燈具——燈具的利用系數。

UF燈具的定義就是落入被照面上的燈具光通與燈具發出的總光通之比。

值此，從公式 (6)中不難看出，照明系統總的利用系數與燈具的利用系數發生直接關系。反之，燈具的利用系數也直接影響照明系統總的利用系數，從而進一步影響照明系統的節能特性。另外，照明系統總的利用系數的最大值就是燈具的效率。這里，由于燈具光束角外的溢散區光通置零處理，燈具的利用系數就是燈具的光束光通利用率。

4 燈具利用系數分析

按相關照明設計標準確定下，燈具光通落入被照面上的數量顯然與被選燈具的安裝高度、位置和配光 (主要為燈具的光束角和光強值分布)等因素有關。而且一般情況下，同種燈具的效率隨配光的寬窄而變化，配光越寬，其效率就越高，但燈具的利用系數不一定高，即使滿足被照場所的照明數量和質量要求，也不一定節能，這在體育場所照明設計中尤為突出。

本文意在通過簡單的計算來分析影響燈具利用系數這個主要因素，并引起照明設計者的關注。

為了計算簡單化，作出一些假定:

4.1 第一種方案

(1)假定有一被照面的面積為30×30平方米，設計照度為20 lx;要求的照明均勻度為0.5;

(2)選用的光源為400W高壓鈉燈，其發光效能為105 lm/W(考慮到點燈附件的功率損耗)，并安置在被照面中心上方 (如圖1所示);

圖 1 中:L——燈具

H——安裝高度，單位:米;

R——最大投射半徑，單位:米;

C——界限角，單位:度。

圖1 燈具布置示意圖

(3)假定所選用的燈具為一種光源、多種配光，其效率為70%，且不隨配光而變;再假定多種配光的光束光通也是不變的，即光束角可以變化，其光束光通不變。另外每種配光的光束角內的光強值不變，燈具的溢散光設定為零。這主要為了突出光束角和光強可變性對燈具利用系數的影響程度。

這樣的假定其結果是固定了某些可變的因素，使燈具利用系數只是與燈具的安裝高度和配光的寬窄有關。

本文選用了九種軸對稱配光，如圖2所示。

根據C型測角儀原理可以取得光源或燈具光束角光通。

有公式:

根據假定 (3)，并利用球帶系數［2，3］可以把公式 (7)變成:

圖2 九種燈具配光 (光束角)示意圖

則燈具光束角內光強有:

根據假定 (2)，燈具的光束光通為:

Φ燈具=400×105×0.7=29400lm通過計算，可以算得假定中每種配光光束角內的光強值，見表1。

表1 九種燈具光束角內算得的光強值

圖2為燈具配光示意圖，圖中的光束角的1、2、3等于燈具的截光角，因為燈具的溢散區光通置零處理。

利用表1的光強數據，如圖1所示進行計算，算得的結果如表2(1)～(6):

表2(1) R/H=0.60界限角C=31.21°H=35m R=21.21m(投射半徑)被照面積=30×30

表2(2) R/H = 0. 70 界限角C = 35. 26° H = 30m R = 21. 21m ( 投射半徑) 被照面積= 30 × 30

表2 (3) R/H=0.85界限角C=40.3°H=25mR=21.21m(投射半徑)被照面積=30×30

表2(4) R/H=1.06界限角C=46.69°H=20mR=21.21m(投射半徑)被照面積=30×30

表2(5) R/H=1.41界限角C=54.73°H=15mR=21.21m(投射半徑)被照面積=30×30

表2(6) R/H=2.21界限角C=64.76°H=10mR=21.21m(投射半徑)被照面積=30×30

從以上的數據可以看到，采用單燈照明時的配光應是:

(A)燈具光束角只在大于界限角時才有可能出現要求的照明均勻度;

(B)科學選取燈具光束角既可以滿足照明要求，也能滿足節能指標;燈具光束角小可以滿足節能指標，但不一定符合照明工程要求。

(C)本方案中假定燈具的效率為定值，事實上燈具配光越寬、效率也高，但照明系統的利用系數并不一定增大，甚至相反，因此不一定節能;

(D)相比之下，在本方案中較合理的數椐是:表2(1)－第5列，表2(3)－第6列，

表2(4)－第7列，因為這些數據均符合初設的平均照度和照明均勻度要求。至于最實用的方案則還要對安裝高度、眩光控制、燈具相關參數、經濟指標等因素進行綜合考慮后選定。

4.2 第二種方案

圖3 雙燈布置示意圖

與第一種方案無多大差別，只是在第一種方案上再增加相同的被照面和相同參數的燈具，其目的為了分析采用多套燈具照明時對照明系統利用系數的影響。

圖3為照明布置示意圖，圖3中的符號與圖2一樣。

由于燈具參數與前相同，只是增加面積和燈數，使照明計算大為簡單。

表3(1)～(3)列入照明參數和計算結果，考慮數值較多，只列入與上述三列有關的數據以便分析和比較。

表3(1) R/H=0.60界限角C=31.21°H=35mR=21.21m(投射半徑)被照面積=60×30

表3(2) R/H=0.85界限角C=40.3°H=25mR=21.21m(投射半徑)被照面積=60×30

表3(3) R/H=1.06界限角C=46.69°H=20mR=21.21m(投射半徑)被照面積=60×30

同樣，從數據中可以看到:

(A)被照面積和燈具數量按比例增加時，經計算，有些照度平均值有所提高，因而系統總的利用系數隨之增加，也就更節能。這是因為在某些燈具光束角照射下光通量疊加所致。也就是選擇合適的配光可以達到節能的目的。

(B)隨著照度平均值增加，出現照明均勻度有所下降，這是因為疊加區域的照度增加而導致照度平均值增加，但照度最小值不變，所以照明均勻度下降。

(C)隨著照明面積和照明燈具增加，選擇合理的配光，調整安裝位置，使燈具照射的區域相互搭接，并提高被照面邊緣區域的照度是可以實現的。

5 舉例說明

5.1 室外足球場照明

室外足球場的標準面積為 S=110m×70m(包括邊緣線);

照明方式為雨篷下馬道布燈;

光源為大于1000W的金鹵燈。根據節能要求，燈的發光效能 (包括鎮流器等點燈器件消耗的功率，按燈功率的15% 計算)為:85lm/W;

采用的相關燈具效率按國家標準 (JGJ153—2007)要求，最低不小于65%，而國際著名品牌的燈具幾乎均在75%以上，甚至于超過80%，均衡之下取70%較合理;

在10°～18°光束角下的燈具利用系數應大于0.7;一般情況下，考慮不同投射距離，往往采用燈具配光寬窄搭配，光源總的利用系數應不小于0.5;

照明維護系數，根據國家標準 (JGJ153—2007)對環境污染程度，取0.7和0.8兩擋;

照度設計值:主攝像機平均垂直照度值為1400 lx(要求標準電視轉播)，

折合成平均水平照度為1400×1.5=2100 lx.

(高清電視轉播時平均水平照度可以取2000×1.4=2800 lx)

利用公式⑴，可以算得的LPD值為:

(重大國際比賽)

或環境污染程度取0.8維護系數時，有:

這里需要說明的是，在公式⑶中沒有反映燈具與LPD發生直接關系，但選擇燈具的光束角，就是與投射距離和燈具的利用系數有關。在被照面面積和燈具光束角不變情況下投射距離大小自然影響燈具的利用系數。

若在四塔照明系統下，燈具的投射距離可能超過100m，有兩種不同的方法確定LPD值，一種是保持上述的LPD值不變而調整燈具的光束角，使其變得更小，此種做法可能會影響包括眩光控制和照明均勻度等照明質量的要求;另一種做法是，保持燈具的光束角不變即燈具配光不變，這會降低系統總的利用系數值，如果調整系統總的利用系數，即把0.5降為0.45(經驗數據)，以保證賽場的照明節能要求。燈具的投射距離，即燈具安裝位置對照明節能會產生很大的影響。

計算可得:

5.2 道路照明

假定有一路寬為24m，燈桿的間距為40m，光源采用高壓鈉燈，燈具效率取70%，系統總的利用系數取0.5，維護系數為0.7，根據公式 (7)可以算得:

如果系統總的利用系數取0.4，則有:

顯然，系統總的利用系數從0.4變化到0.5，對LPD，即照明節能影響十分明顯，而直接因素涉及燈具配光。

6 結論

(1)燈具的配光是直接影響照明系統利用系數的因素之一，因此對照明系統的節能有著舉足輕重的作用。合理選擇燈具的配光不僅能夠滿足相關照明要求，也能達到節能目的。

(2)同種燈具配以不同的配光有著不同的燈具效率。配光越寬則效率越高，但系統的利用系數不一定高，即不一定節能。所以，只有在不同的燈具配以相同配光時，選擇燈具效率高者才節能。

(3)在照明設計時選擇多套燈具比單套燈具更有可能節能。特別在大面積照明時不僅選擇多套燈具來提高燈具利用系數，而且根據投射距離可配以不同的配光來達到節能目的。

(4)本文不涉及帶有多次反射的室內照明，這是因為可以通過查詢燈具數據找到室內照明的系統利用系數。

［1］張耀根，彭明元．制定照明節能方法的研究 (研究報告)．中國建筑科學研究院物理所，1990年10月．

［2］M.A．Cayless，A．M．Marsden．Lamps and Lighting(P84)．Thorn EMI Lighting Ltd，1984年．

［3］劉慧，楊臣鑄．光度測量技術 (P82)．中國計量出版社，2011年1月．