不同光源调光节能效果分析及应用（一）

1 前言
随着人类社会的高速发展，能源的消耗与日俱增，全球的科学精英们，在全力开发可替代“化石”能源的新能源；同时，建筑设计师们正研究从如何减少能源消耗的方面入手，为新型能源的开发争取宝贵的时间。
我们都很清楚二氧化碳排放带来的温室效应对人们生产生活的影响。以下的公式诠释了二氧化碳排放的决定因素。
ＣＯ２＝Ｐ（ｐｅｏｐｌｅ）　×　Ｓ（ｓｅｒｖｉｃｅｓ　ｐｅｒ　ｐｅｒｓｏｎ　）　×　Ｅ（ｅｎｅｒｇｙ　ｐｅｒ　ｓｅｒｖｉｃｅ）　×　Ｃ（ＣＯ２　ｐｅｒ　ｕｎｉｔ　ｅｎｅｒｇｙ），其中：　　人口总数今年会达到７０亿，而且会持续增长。
人均使用的服务量，现有的手机、电视、交通方面的需求及时保持不变，但还有很多处在贫困线的人们为用电而发愁，人均服务量也很难下降。
每单位能源的二氧化碳排放，就需要开发出更多的清洁能源。
基于上述理由，需要更加深入地了解如何更高效率、更为安全的使用能源。据不完全统计，全世界各国能源消耗中照明能源消耗从１０％~３３％不等，照明消耗平均占了１９％，住宅和公共厂房中照明能源消耗占１０％~１５％，而在商业建筑中，照明能源消耗竟占到了２５％~５０％（加权平均为４０％）。
在此背景下，我国在２００４年１２月１日实行的《建筑照明设计标准》ＧＢ５００３４－２００４中，第三章一般照明第３．４条规定，该标准采用房间或场所一般照明的照明功率密度（简称ＬＰＤ）作为照明节能的评价指标。本文拟从调光和节能的角度出发，具体阐述光源的选择、节能效果、调光技术的应用等，为合理使用光源，推动绿色节能提供参考和借鉴意义。
2 光源概述
随着科学技术的革新，照明光源从１８７９年爱迪生发明的电灯，20世纪８０年代家居装修开始流行的 射灯（低压卤素灯），到现在办公楼宇广泛使用的荧光灯、节能灯（紧凑型荧光灯），直至近几年开始凭借低能耗、高亮度在照明领域应用的ＬＥＤ光源，勾勒出民用建筑中照明光源的发展历程。
令人眼花缭乱的光源，主要被分为 白炽灯、 气体放电灯两大类，除以上两大类外近年来逐渐推广成熟的ＬＥＤ（发光二极管）光源也开始占有一席之地。现在的常见光源分类如下：
（1）球形光源“ＧＬＳ”
白炽灯，低压＆超低压（１２Ｖ　ｄｃ）卤素灯。
（2）气体放电灯
荧光灯：汞气体放电灯、紧凑型荧光灯（节能灯）“ＣＦＬ”，高亮度放电灯“ＨＩＤ”，高压汞灯“ＭＢＦ”，低压 钠灯“ＬＰＳ，ＳＬＰ，ＳＯＸ”，高压钠灯“ＨＰＳ，ＳＨＰ，ＳＯＮ”，金卤灯“ＭＨ，ＨＱＩ，ＭＩＢ”。
（3）其它
发光二极管“ＬＥＤ”。绿色照明的行动正在展开，深入了解光源的发光原理，才能在不同区域选择适用的光源，再通过对其进行开闭、调光的方法控制从而达到节能的效果。
3 调光技术
上述多种光源，最常见到的问题在于，哪些光源可以调光、哪些光源不能调光，应采用何种技术对其进行有效的调光控制等问题。
最早的一个记录调光器是威伍兹的“安全调光器”，发明于１８９０年。１９６１年乔尔皮拉发明了第一台固态调光器，并可以安装于墙面的配电箱内。二十世纪六十年代出现的相位切割调光器，它采用电子回路来调节在照明负载上所施加的平均功率。这些回路根据要调节的照明负载的类型而使用不同的半导体组件，通常采用相位角控制方法来实现负载的调光控制。相位角控制方法利用半导体的开关特性来改变交流波形的形状。相位角控制方法主要有两种即前沿和后沿（见图1）。
3.1 前沿相位切割
利用可控硅导通角的相位控制调光方法作为一项传统的调光技术被广泛使用。它利用电子元器件（如可控硅）来改变电光源供电电压的波形，从而改变其有效值的方法来调光，即所谓利用“斩波器”的方法来调光。在前沿控制中，每个半波周期的负载启动点有一定的延迟。这个延迟减少了曲线下的面积，进而减少了调光器通道的功率输出（见图2）。
这种调光方式是满足阻性负载、感应负载的调光需求。白炽灯、使用电磁变压器的超低压卤素灯（ＤＣ　１２Ｖ）均采用此种调光方式。
3.2 后沿相位切割
现今使用的低压卤素灯多采用轻巧的电子变压器，为了配合电子变压器对低压卤素灯进行调光，运用ＭＯＳＦＥＴ（金属－氧化层－半导体－场效晶体管，简称金氧半场效晶体管）的后沿调光技术，此项技术也开始普及并走向成熟。
在后沿控制中，交流电流提前启动。这同样减少了曲线下的面积，从而减少了回路的相对功率输出（见图3）。
后沿调光技术适用于使用电子变压器的超低压卤素灯（ＤＣ　１２Ｖ），同时也适用于白炽灯光源，即阻性负载、容性负载均可使用此技术进行调光控制。
3.3 可调光 镇流器
荧光灯的调光是通过对其电子 镇流器的控制得以实现的，因而灯具需要配置可调光的电子镇流器。
最早的可调光电子镇流器的调光接口为ＤＣ　０~１０Ｖ信号接入的。现在已经逐渐演变为ＤＣ　１~１０Ｖ的信号接入。ＤＣ　０~１０Ｖ和ＤＣ　１~１０Ｖ接口都被称之为模拟信号调光。
电子行业从模拟化到数字化发展，数字化技术也被应用在了调光器上，可以更精确地对调光进行控制。１９９１年，有某个公司率先提出的ＤＳＩ调光技术；舞台灯光中广泛应用到ＤＭＸ５１２技术；２００２年国际标准（ＩＥＣ　６２３８６）中定义了数字照明控制系统ＤＡＬＩ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ），并成立了ＤＡＬＩ－ＡＧ工作组。ＤＡＬＩ可以对每一盏灯进行控制（开关、调光），从而精确高效的控制照明能耗。
4 应用场所标准
商业建筑中根据人群的不同需求，荧光灯和金卤灯的应用最为普遍。
居家、酒店、小型的商铺和办公室中，低压卤素灯、节能灯甚至ＬＥＤ灯都有应用。
高亮度气体放电灯、高压汞灯、低压钠灯、高压钠灯、金卤灯等在室外照明中被广泛使用。
依据《建筑照明设计标准》第３．２．２照明设计规定，在不同区域选择不同光源：
（1）高度较低房间，如办公室、教室、会议室及仪表、电子等生产车间宜采用细管径直管形荧光灯；
（2）商店营业厅宜采用细管径直管形荧光灯、紧凑型荧光灯或小功率的金属卤化物灯；
（3）高度较高的工业厂房，应按照生产使用要求，采用金属卤化物灯或高压钠灯，它可采用大功率细管径荧光灯；
（4）一般照明场所不宜采用荧光高压汞灯，不应采用自镇流荧光高压汞灯；
（5）一般情况下，室内外照明不应采用普通照明白炽灯；在特殊情况下需采用时，其额定功率不应超过１００Ｗ。
特别提及的是第３．２．４条，下列工作场所可采用白炽灯：
（1）要求瞬时启动和连续调光的场所，使用其它光源技术经济不合理时；
（2）对防止电磁干扰要求严格的场所；
（3）开关灯频繁的场所；
（4）照度要求不高，且照明时间较短的场所；
（5）对装饰有特殊要求的场所。
针对以上标准的要求，结合不同光源的特性，我们得出针对不同区域采用多种的节能方法。
5 节能效果分析
在现代建筑中最为广泛的使用光源为白炽灯、低压卤素灯、荧光灯、节能灯（紧凑型荧光灯）。本文专门针对以上四种光源进行调光效果实验并综合分析。
5.1 白炽灯
白炽灯为电阻性负荷，７５％的电能会转换为热能，可以使用简单的相位控制调光器调节亮度。当白炽灯调暗时，可以节能并且延长灯泡的使用寿命。根据相关光源厂家提供的数据：如果将白炽灯亮度调暗１０％，灯泡的使用寿命可以延长２倍。当亮度调暗２５％，灯泡的使用寿命可以延长４倍；当亮度调暗５０％，灯泡的使用寿命可以延长２０倍。
实验环境：有自然光采光的普通办公室。
实验设备：１００W球型白炽灯，通用型调光器，万用表。
实验数据及说明（见表1）：
通用型调光器为２５５级调光，Ｖａｌｕｅ值为１时，光源 灯丝亮起为最小功率，２５５时为最大功率运行。
％为满负载运行的百分比；
Ｐ为功率值，Ｐ＊１００为功率值的１００倍；
　　lｘ为距光源１０ｃｍ处的照度；
　　Ｕ（Ｖ），光源两端电压；
　　Ｉ（Ａ），光源的电流强度。
数据分析：
依据以上数据，得出如图4所示。
综合实验有自然光射入的相关因素，可以推断出，通过相位控制对白炽灯光源进行调光，光源照度与功率为线型正比关系。降低光源亮度能有效减少能耗，增加光源的使用寿命。
5.2 低压卤素灯
卤素灯是白炽灯的一种类型。这种类型的灯泡内填充有卤元素，可以使钨丝“自我再生”，延长灯泡的使用寿命。由于其可以设计成细小的石英玻璃管外形，因此比灯丝燃烧得更亮，照明功效比真空的白炽灯可以提高３０％.
实验环境：有自然光采光的普通办公室；
实验设备：５０W低压卤素灯，电子变压器，通用型调光器，万用表；
实验数据及说明（见表2）：
通用型调光器为２５５级调光；
Ｖａｌｕｅ值为１时，光源灯丝亮起为最小功率，２５５时为最大功率运行。
　　％为满负载运行的百分比；
　　Ｐ为功率值，Ｐ×１００为功率值的１００倍；
　　lｘ为距光源１０ｃｍ处的照度；
　　Ｕ（Ｖ），光源两端电压；
　　Ｉ（Ａ），光源的电流强度。
数据分析：依据以上数据，得出如图5所示。
综合本实验有自然光射入以及电子变压器的相关因素可以推断，通过相位控制对低压卤素灯光源进行调光，在满功率的０％~３０％阶段，调光作用不明显，３０％~１００％阶段，光源照度、功率与调光值为较好的线型正比关系。降低光源亮度能有效减少能耗。
5.3 荧光灯（日光灯）
荧光灯是气体放电光源，通过在填充有低压汞蒸汽和其它气体的灯管内钨阴极之间传送电弧而发光。激活汞原子将产生短波紫外线，然后玻璃管内壁的磷光层会发出荧光，从而形成可见光。优点是发光效率要比白炽灯高得多，在使用寿命方面也优于白炽灯；缺点是荧光灯的显色性较差（光谱是断续的）特别是它的频闪效应，容易使人眼产生错觉，应采取措施消除频闪效应。
与大多数白炽灯不同，荧光灯需要配置镇流器来控制通过灯泡的电流。但是，与白炽灯比较，荧光灯能够更有效地将电源转变成可用的光源；其较低的能源成本可以弥补其较高的初始成本。在办公楼宇中被广泛使用。
实验环境：有自然光采光的普通办公室；
　　实验设备：Ｔ８节能型双端直管荧光灯（３６ｗ），７２W电子镇流器，１~１０Ｖ调光器，万用表；
实验数据及说明（见表3）：通用型调光器为２５５级调光；
Ｖａｌｕｅ值为１时，光源亮起为最小功率，２５５时为最大功率运行。
　　％为满负载运行的百分比；
　　Ｐ为功率值，Ｐ×１００为功率值的１００倍；
　　lｘ为距光源１０ｃｍ处的照度；
　　Ｕ（Ｖ），光源两端电压；
　　Ｉ（Ａ），光源的电流强度，此类光源无法测量；
数据分析：
依据以上数据，得出如图7所示。
综合本实验在自然环境下，有自然光射入，以及电子镇流器的相关因素，推断出，通过１~１０Ｖｄｃ方式对电子镇流器进行控制，荧光灯调光，在满功率的１％~１５％无调光效果；１５％~３０％阶段，照度与功率为正比关系（非线性）；３０％~１００％调光效果减弱。
在排除电子镇流器的电气结构外，此类光源进行调光，当照度降低或升高时，在１５％~３０％的调光区间总的耗电功率不明显。从调光节能效果看，不建议此类产品采用１~１０Ｖｄｃ的方式调光，如需要对直管型荧光灯进行调光控制，建议采用ＤＡＬＩ标准的调光设备，以便于有更大的调光范围。
5.4 节能灯（紧凑型荧光灯）
发光原理与普通荧光灯相同， 启辉器和镇流器功能是由内置于灯中的 电子线路提供的灯的体积大大减小。因此，紧凑型荧光灯可逐步替代白炽灯，它具有如下优点：节电率高，１５Ｗ的紧凑型荧光灯亮度与７５Ｗ的白炽灯相当；寿命长，平均寿命８，０００h，最长达２０，０００h，白炽灯只有１，０００h～３，０００h.
实验环境：有自然光采光的普通办公室；
　　实验设备：１８W节能灯，２０W电子镇流器，１~１０Ｖ调光器，万用表；
　　实验数据及说明（见表4）：
　　通用型调光器为２５５及调光；
Ｖａｌｕｅ值为１时，光源亮起为最小功率，２５５时为最大功率运行。
　　％为满负载运行的百分比；
　　Ｐ为功率值，Ｐ×１００为功率值扩大１００倍；
　　lｘ为距光源１０ｃｍ处的照度；
　　Ｕ（Ｖ），光源两端电压；
　　Ｉ（Ａ），光源的电流强度，此类光源无法测量；
数据分析：依据以上数据，得出如图8所示。
综合本实验有自然光射入以及电子镇流器的相关因素，我们可以推断出，通过１~１０Ｖｄｃ方式对电子镇流器进行控制从而控制节能灯（紧凑型荧光灯）调光，在额定功率的１％~２５％无调光效果；额定功率的２５％~７０％阶段，照度与功率相关性非常大，额定功率的７０％~１００％无调光效果。
如果在额定功率的２５％~７０％对此类光源进行调光，总的耗电功率与照度有较明显正比关系。鉴于节能效果显着，可以在大型商用建筑中采用此类方法进行调光节能。
（未完待续）