书城科普读物低碳校园
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第11章 低碳校园与节能照明(1)

一、高效节能照明

低碳校园体现于方方面面,比如校园照明设施。应用高效节能照明,将是低碳校园画龙点睛的一笔。

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%~5%,电力生产量的10%~20%。中国和美国的照明耗电占各自总用电量的10%~12%和20%,尽管这一比例还不很大,但随着我国城镇建设的飞速发展和人民生活水平的提高,高效节能照明已成为当务之急。据估算,节约1kW发电容量的投资不到新增发电容量造价的20%,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20世纪末开始大力推广“绿色照明工程”。所谓绿色照明,是指节约能源、保护环境,有利于提高人们生产、工作、学习效率和生活质量、保护身心健康的照明。实现“舒适、科学、方便、节能”的良好照明环境,就是绿色照明的目的。推广节能的新型光源,实现节能照明,是实

施绿色照明工程的主要任务。

照明节能的主要技术措施首先是推广使用高光效光源,即能效高、寿命长、安全和性能稳定的光源。白炽灯价格较低,但发光效率较差。近几十年来,荧光灯技术不断进步,先后发展了紧凑型荧光灯以及高性能T8直管形荧光灯(功率从15W到58W)、T5直管形荧光灯(功率从8W到42W)。紧凑型荧光灯由于外形、装饰性的限制,多用于替代中小功率白炽灯作局部照明,而配用电子镇流器的直管形荧光灯能适应工作环境的温度变化,还可以用于室外照明。其中T8荧光灯将在传统的荧光灯市场上逐步扩大市场份额,而T5荧光灯则将在新建建筑室内照明中更广泛地使用。

出口指示灯又称安全门灯,我国一般以荧光灯为光源,额定功率在13W左右,少部分以白炽灯为光源,额定功率在40W左右。目前国外采用发光二极管光源为出口指示灯的光源部件,不但可使出口指示灯在无电源供电情况下维持较长的使用时间,也使指示灯亮度大大提高,在烟雾较大时保持良好的指示功能。

宽大场所用的光源一般采用高强度气体放电灯。此种灯分为金属卤化物灯、高压钠灯和高压汞灯三大类型,都是利用弧光放电点灯。金属卤化物灯具有高演色性、高效率、长寿命和低光衰性能,功率选择范围大(18W~10kW),可广泛用于户外及室内。而高压钠灯发光效率高、耗电少、寿命长、光色呈金白色,透雾能力强,适用于道路及广场照明。高压汞灯是目前用量较多的灯种,它与金属卤化物灯、高压钠灯相比,光效较低,发光颜色单调、显色性差、污染严重、寿命较短,应予逐渐淘汰。但自镇流高压汞灯可不用镇流器运行,初装费用相对较低,目前在中国农村有一定市场。

采用高效灯具。应该在满足眩光限制要求下,选择直射型灯具,室内灯具的效率不宜低于70%,尽量少用格栅式灯具和带保护罩的灯具。室外灯具的效率不宜低于55%,还应根据不同的使用现场,采用控光合理、光通量维持率好以及光利用系数高的灯具。

荧光灯是一种能量转换灯具,在电能转换为光能的过程中,镇流器起着重要作用。过去常用的电感镇流器,结构简单,耐用可靠,价格低廉,但功率损耗很大。后来发展起来的电子镇流器,与电感镇流器比较,节约能源,自身的功率损耗仅为电感镇流器的40%左右,工作电流也仅为0%左右,温升少,重量轻,无噪声,无频闪,使灯管寿命延长,光效提高20%,可在低温、低压下工作,应大力鼓励发展。但从我国现实国情出发,现阶段还要以节能型电感镇流器作为过渡。

在照明设计中,应选择合理的照度标准值,按不同的工作区域确定不同的照度。照明要求高的场所采用混合照明方式,适当采用分区照明方式,在一些场合下也可采用一般照明与重点照明相结合的方式。

选用适当的控制方式,也可取得照明节能的成效。可充分利用天然光的照度变化选择照明控制方式,确定不同条件下照明点亮的范围。按照照明使用的特点,可采取分区控制灯光或设清扫用灯等措施;还可采用各种节电开关,如定时开关、调光开关、光电自动控制器、限电器、电子自控门锁节电器以及照明自控管理系统等。

还应充分利用天然光,如在建筑设计时考虑开顶部天窗采光,利用天井采光,利用屋顶采光等;可利用集光装置进行采光,如设反光镜,利用光导纤维、光导管等。

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。

二、照明节电常识知多少

1.电光源的性能参数

(1)光和光谱

光源发出的光以电磁波的形式在空间传布。光的波长在380~780纳米范围内,人们对波长不同的光的反应就是不同的颜色。光源辐射的光往往由许多不同波长的单色光组成,把光线中不同强度的单色光按波长长短依次排列,称为光源的光谱。

(2)光通量

光源在单位时间内向四周空间辐射的能量叫光源辐射功率。光源在单位时间内向周围空间辐射出并引起视觉的能量称为光通量,用光通量表示,单位为流明(lm)。

光源辐射功率与光通量都是辐射功率的概念,它们的区别在于:光源辐射功率是光源在单位时间内向四周空间辐射的能量的总和;而光通量是单位时间光源发射并被人的眼睛接收的能量之总和,显然光通量仅仅是光源辐射全部能量中可见光部分的总和。

(3)发光效率

光源每消耗1W电功率所发出的光通量称为发光效率,单位为流明/瓦特。

发光效率实际是光源将电能转化为可见光的效率,显然,发光效率数值越高表示光源的效率越高。从经济方面考虑,光效是评价电光源用电效率最主要的技术参数。光源单位用电功率发出的光通量越大,则电能转换光能的效率越高,即光效越高。

电光源是照明节电的主体部件,在能完成相同照明功能的条件下,要选用光效高的电光源替代光效低的电光源。

(4)发光强度

光源在给定方向上单位立体角内辐射的光通量,即称为光源在该方向上的发光强度,用I表示,单位为坎德拉(cd)。

一般来讲,光线都是向不同方向发射的,并且强度各异。单位立体角的光通量就叫做光强。

(5)照度

受照体在单位面积上接收的光通量,称为照度,用E表示,单位为勒克斯(lx)。

1lx相当于1m2被照面上光通量为1lm时的照度。夏季阳光强烈的中午地面照度约5000勒克斯,冬天晴天时地面照度约2000勒克斯,晴朗的月夜地面照度约0.2勒克斯。

照度是衡量物体被照明亮程度的有关指标。照度与视力、生产率、事故率均有密切的关系。在一定范围内增加照度可以提高视力、提高劳动生产率,但照度并不是越高越好,照度不够和太高都会对眼睛造成伤害。不同的照度使人产生不同的感受:照度太低容易使人疲劳和精神不振:照度太高同样会引起视觉疲劳,损伤视力。

在工作环境中被观察对象的分布位置千差万别,若一个工作环境中有照度极不相同的表面,将会导致工作者视觉不适,容易引起视觉疲劳。因此希望工作区内的照度均匀或者变化平缓,这就需要规定一个最低的照度均匀度,以保护工作者的眼睛,保证工作质量。

(6)亮度

发光体在单位投影面积上的发光强度,称为发光体在该方向上的亮度,用L表示,单位为坎德拉/平方米(cd/m2)。

人眼对于明暗的感觉不是直接取决于物体上的照度,而是决定于物体在眼睛视网膜上成像的照度。所以,确定物体明暗程度要考虑物体垂直于观察方向上的平面上的投影面积和物体(被照物体)在该方向上的发光强度。

亮度实际是表示眼睛从某一方向所看到物体反射光的强度。目前,许多国家以亮度作为衡量照明质量的一个重要评价指标。

为了形成舒适的照明环境,需要有适当的亮度和亮度分布。在室内亮度分布变化过大而且视线不固定的场所,眼睛由于到处环视,其适应的情况经常变化,从而引起眼睛的疲劳和不舒适;另一方面,过于均匀的亮度分布不但会降低物体的清晰度,而且使室内物品过于呆板,也不能令人满意。所以要创造一个良好的、使人舒适的视觉环境,需要选择适当的灯具和恰当地选择室内各表面的反射系数,以形成合适的亮度分布和相应的照度分布。高反射系数能充分利用光线,但过高的反射系数与高照度结合会使视觉不适,甚至产生眩光;而低反射系数不仅使光利用率降低,且在低照度下会形成低沉和压抑的气氛。

(7)色温

色温是电光源的技术参数之一。当热辐射光源的色品与某一温度下黑体(能全部吸收光能的物体)的色品完全相同时(对于气体放电光源为相似)黑体的温度,简称色温(对气体放电光源称为相关色温),单位为开(K)。

应该指出,色温是指黑体的温度而不是光源的温度。黑体的温度越高,光谱中蓝色的成分越多,而红色的成分则越少。例如:白炽灯的光色是暖白色,其色温表示为2700K左右,而日光色荧光灯的色温则是6000K左右。

(8)光色

光色实际上就是色温。光色是灯光颜色给人直观感觉的度量,与光源的实际温度无关。不同的色温给人不同的冷暖感觉,高色温有凉爽的感觉,低色温有温暖的感觉。一般地说,在低照度下采用低色温的光源会感到温馨快活;在高照度下采用高色温的光源则感到清爽舒适。在比较热的地区宜采用高色温冷感电光源,在比较冷的地方宜采用低色温暖感的电光源。因此,可根据各自的环境条件和爱好,选择适宜色温的电光源。色温与感觉的关系大致分为三类:暖色,小于3300K;中间色,300~5000K;日光色,大于5000K。

由于光线中光谱的组成有差别,因此即使光色相同,灯的显色性也有可能不同。

(9)显色性和显色指数Ra

光源对被照物体显现颜色的性能称为光源的显色性。

光源的显色指数是指物体的颜色在待测光源照射下,与在另一相近色温的黑体或日光参照光源照射下物体颜色相符合的程度。

显色指数是衡量光源显色性优劣或在视觉上失真程度的指标。国际上规定日光参照光源的显色指数为100。其他光源的显色指数均小于100,符号是Ra。颜色失真越少,显色指数Ra越高,表示光源的显色性好,反之显色性越差。

国际照明委员会(CIE)用显色指数把光源的显色性分为优、良、中、差4组作为判别光源显色性能的等级标准。

显色性是择用电源的一项重要因素,对于显色性要求很高的照明用途更是如此。例如,美术品、艺术品、古玩、高档衣料等的展示销售,为避免颜色失真,就不宜采用显色性比较差的电光源;但是,在显色性能要求不高,而要求彩色调节的场所,可利用显色性的差异来增加明亮提神的气氛。如汞灯以绿色为主,白炽灯以红光为主,它们分别照到绿色和红色物体上就更加鲜艳;对于追求装饰性和娱乐性的某些场合,可选择与装饰色调相匹配的灯种,或采用混合照明。

显色性是定性指标,显色指数是定量指标,它是衡量光源显现被照物体真实颜色能力的参数,光源的显色指数越高,对被照物体颜色的再现越接近自然原色。显色性和显色指数两者都反映了光源的显色能力。

光源的颜色特性主要表现在色温和显色能力(显色指数、显色性)两方面。光源按色温的不同使人产生冷暖感觉。通常人们认为太阳光的色温接近5000K,小于3300K的低色温光线能够营造温暖、柔和的气氛;大于5000K的色温光源给人以清凉、安静的感觉。光源的显色能力是指光源对物体照明后物体显现颜色的“真实程度”。由于人们习惯于在日光下生活、工作,特别是太阳光的颜色最丰富,因而认为日光下看到的物体颜色最真实。人造光源,特别是各种气体放电灯发出的光的颜色没有阳光丰富,显色能力较差。

(10)眩光

眩光是一种光污染。由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜,或存在极端的对比,以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象。当选择光源不当、选择灯具不当或光源与灯具应用不当时,往往产生眩光。

照明的目的就是给周围的各种物体以适宜的光照和光分布,使视觉能正确感知观察的对象和确切了解所处的环境。人眼需要的最佳照明条件中,照度、亮度、色温、显色能力、眩光几个因素是非常重要的。