要求节能与舒适性兼备的照明设备

发布于：2015-07-31 23:15:31 来自：电气工程/照明工程 [复制转发]

1 前言

在照明领域，作为节能、节电而引人注目的是ＬＥＤ和有机ＥＬ（电致发光）这样的“下世代固态照明（ＳＳＬ）”。

ＬＥＤ和有机ＥＬ，其技术成果正飞速发展。《消减耗电量和ＣＯ２排放量》这一全世界规模的社会需求可以说是一致的。日本早在２００８年３月经济产业省为开发新技术，落实“降温地球能源革新计划”，选定了重点研发的２１项革新技术，其中就包括作为下世代高效照明的“ＬＥＤ照明”和“有机ＥＬ照明”。

但是，从多年来一直改进照明技术的现实中发现，最近ＬＥＤ更换的风潮，并未理解真正的照明技术含义，把简单更换“ＬＥＤ”作为目的，这种事例到处可见，却不能达到上述节能省电的效果，而且视觉上还会感到不适。在无论更换成ＬＥＤ或有机ＥＬ的场合下，按照照明软件和照明工程专家的提示意见，必须实现大幅度节能和确保视觉的舒适度。文章对兼备节能与舒适度的有关基本情况予以介绍。

2 何谓照明中的效率

ＬＥＤ照明和有机ＥＬ照明，在社会上备受关注。有报道说“ＬＥＤ的效率已超过１００ｌｍ/Ｗ，可与荧光灯并列”，但这一效果并未真正理解整个照明空间的效率体系，仅指的是发光元件本身的效率。照明空间中的效率体系如图１所示。

在某些报道中指的高效率，是指发光元件（灯、光源）本身的发光效率，表示当输入发光元件功率（Ｗ）时，有多少光通量（流明，ｌｍ）发光值（相当于图１中的＊１）。然而在实际空间照明时，发光元件并没有这么高的效率。图１的所有因素都影响并决定着空间照明的效率，以下逐个予以说明：

2.1 回路效率

发光元件必须点灯回路，与光源组合时，在点灯回路侧就会有功率损耗。

荧光灯也有灯与点灯回路的组合，以改善其效率。最近，高效率的荧光灯不断形成主流产品。有直管形的高频灯，圆形荧光灯中的细管型和二重管型，各自与最佳的变换器组合以实现高效率。

2.2 灯具效率

其次，从光源发出的光向目标方向照射，必须装配设有反射板和透镜的灯具。从光源所发射的光内面，由照明灯具向灯具外部输出的光占其中多少的比例，即为灯具效率。若采用相同光源的灯具中，损耗大的，最终从灯具输出的光通量（ｌｍ）就少。照明企业界长期以来对提高灯具效率进行了研究开发，确立了相对高水平的技术。即使对于在ＬＥＤ和有机ＥＬ这样的下世代照明，原来确立的照明技术也是有用的和必须的。

（1）高反射率技术

反射镜对光进行反射，改变射向目标的光方向。此时会产生反射吸收损耗。相对于入射光的光通量，反射光通量所占的比率称为反射率。若使用反射率高的反射板，当然输出的光就多。对反射板来说，采用镜子似的镜面反射（正反射）为宜。方法上有单方向的光反射法，与将入射光向所有方向反射的扩散反射法。

有关镜面反射，以前是将铝反射板或进行化学研磨，或进行电解研磨，以提高其光洁度和反射率。但这一时代的镜面反射率为８０％左右。近年来，从提高镜面光洁度考虑，通过对反射板加内涂层（ｕｎｄｅｒ　ｃｏｎｔ）的处理，实现了高纯度铝真空镀敷的高反射率。而且，利用比铝真空镀敷更高反射率的蒸镀多层膜和银真空镀敷，可达到９５％的反射率。光源中无论是荧光灯，还是ＬＥＤ，施加如此的超高反射处理以后采用这样的镜面反射镜，从节能的观点看应作为必要条件（见图２）。

另外，为通过扩散反射提高反射率，一边要对扩散物质的形状下功夫，一边对混入白色材料的添加剂下功夫。各照明公司对反射率高的白色反射板正进行开发。对扩散反射板而言，为将反射光在所有方向上反射，在灯具里会出现二次反射、三次反射和重复反射的情况。这一多重反射的反射率低，且重复多重反射之间，光通量会急剧减少，因而灯具内的损耗增大，故为了节能，必须采用高效率的白色反射板。

（2）高透过率技术

照明灯具中，不仅有反射板，还有透光的玻璃壳（ｇｌｏｂｅ）和管托（ｓａｄｄｌｅ）之类的构件，为在这些构件上将光扩散，使用了乳白色的树脂等材料。装在灯具里面的材料部分是不透光的，必须提高扩散度，但一般提高扩散性后，因透过材料的吸收增加，透过率下降，存在灯具效率下降的问题。为此各照明公司对“高透过、高扩散”的丙烯（ａｃｒｙｌ）材料等正在开发。因此，在追求节能的时代里，使用高透过、高扩散的材料，对照明灯具来说也是必要条件。

２．３照明率

所谓照明率，即从灯发出的光内面，表示有多少光到达被照物表面的数值。该值也受照明灯具以外因素的影响，例如照明场所的房间指数（按顶棚高度、房间间距、房屋正面宽度决定的值），顶棚、墙壁、地板的反射率等，由于这些因素的影响，照明率变化很大。若考虑节能省电，将这些建筑面积的因素优化到最佳值很重要。下面仅从照明灯具方面，对可以提高照明率的方法加以叙述。

（1）灯具的安装位置

假设从照明灯具到照明表面的距离为Ｌ（ｍ），照射面的照度（勒克斯，ｌｘ）Ｅ则反比于距离Ｌ的平方。若在同一光输出下，越靠近光源，照射就越明亮。例如，对离地面高度０．８ｍ的桌子上照明时，安装在高度２．４ｍ顶棚上的照明灯具到桌面的距离为１．６ｍ，而离桌面上４０ｃｍ处放置一圆盘支架（ｄｅｓｋｓｔａｎｄ），相对于顶棚的光源，圆盘支架比桌面的距离缩短了１/４，这就是说，如在相同的光输出下，能确保圆盘支架比桌面的照度高１６倍。实际上，为要确保工作中必须的相同亮度（例如，７６０ｌｘ），装在顶棚上的照明灯具必须具备相应圆盘支架上１６倍的光能量。此外，安装于顶棚的照明灯具是在桌子的正上方，而一般家庭和办公室中，顶棚的照明灯具都是在斜上方，距离变长，光照的方向是斜的，故效率也会下降（见图３）。

低位置、近距离的照明，可大幅度节能，这是综合考虑到“节电任务（ｔａｓｋ）和环境空间（ａｍｂｉｅｎｔ）”，这一理念也是对石油冲击（ｏｉｌ　ｓｈｏｃｋ）时代认真的思考。因当时只有荧光灯灯具，成本上，设置上存在问题而未能普及。若光源改为ＬＥＤ和有机ＥＬ，灯具易于小型化、薄形化，无论在哪儿都容易安装，从“节电操作任务和环境空间”考虑均能充分适应。对于成本来说，虽偏高，但考虑节能节电和环境保护的今天，预计未来，必须采用符合上述理念的照明方式。

与综合解决“节电任务和环境空间”的照明方式相同，今后期待的照明方式为“小功率的多数灯分散配置”方式。

考虑到住宅的自然空间（ｌｉｖｉｎｇｒｏｏｍ）等，过去大多数都是在房间的天花板中心安装一盏荧光灯高点照明（ｃｅｉｌｉｎｇ　ｌｉｇｈｔ）。计及荧光灯的特性，高瓦数灯的效率高，故将一个高瓦数灯装在房间内高点照明。但考虑到房间内的工作需要，通常，没必要采用这种整体照明方式，而是将光输出小的照明灯具在室内由多数灯分散配置，只在必要时间必要部位由照明灯具点灯，因而可大幅度地消减耗电量，这一“小功率多数灯　分散配置”的照明方式，以及ＬＥＤ和有机ＥＬ的固态照明方式都是今后应予高度重视的。

（２）灯具的安装角度

一直以来，照明灯具中对灯具方向的改变没有引起高度重视。因此在店铺照明等场所，随着展品布置的变化不同程度地改变了点光源的照射方向。但对ＬＥＤ灯具和有机ＥＬ灯具这样的紧凑结构，可以在低位置、近距离安装灯具，更要求照明灯具的方向也能自由改变至必要方向。如果手能触到之处，采用手动，如手不能达到的地方，则采用可改变照射方向的电动机构等电动方式，这对今后的照明系统是不可缺少的。因此，即使是小型结构，确保稳定长期的可靠性以及低成本驱动装置的开发极其重要。

（３）灯具配光

为决定照明灯具和照射面的位置关系，则要求对照明灯具的配光进行计算，设计出实现这一灯具配光的反射板和透镜的形状，这就是光学设计，而且照明灯具特性的好坏取决于这一光学设计。在１９７０年代，借助绘图仪（ｄｒａｆｔｅｒ）作图并用手算出角度，以逐点方式求得反射板和透镜的斜率，连续这一操作以计算出反射板和透镜的形状。到１９８０年代，对利用计算机的光学ＣＡＤ（计算机辅助设计）系统进行了开发。在１９９０年代则可采用三维光学设计和光学模拟。现在，各照明公司有效利用所谓的三维ＣＡＤ系统，设计出反射板和透镜的三维形状。甚至对ＬＥＤ和有机ＥＬ也能充分发挥这一系统的作用，实现更佳效果的光学设计。

与此同等重要的是光学系的精密成形技术。在其它领域也有微米（１０~６）级的精加工技术，但照明灯具和其它精密机器不同，其尺寸精度（位置精度）并不重要，反射板和透镜逐个点的斜率精度（角度精度）才是重要的。虽然尺寸精度提高对反射面等会有微妙的弯曲度变化，在该点的斜率与原来的斜率差别较大，其结果，反射光和透过光会从与所用方向完全不同的方向射出。反言之，即使尺寸精度多少有劣化，在全部的逐个点上变得相对大（或小）些，但在各个点上与反射镜的斜率不会出现大的偏差。对这样的各个点上倾斜度进行高精度加工的精加工技术，这才是高效率照明所必需的。

特别是在ＬＥＤ中，因发光部极小，稍微一点光学设计的误差和光学加工的偏差，将会导致大的配光偏差。为开发理想的照明灯具，所述的三维光学设计系统和超高精度的三维加工技术都是不可缺少的。

3 其它的光学特性

上面叙述了以效率为中心的有关光学特性，但是作为照明灯具的光学特性，不仅在效率方面，还应注意其它光学特性。

３．１　闪耀与眩光（ｇｌａｒｅ）

照明灯具安装好以后，从照明灯具的光到达照明空间，也进入该空间的人眼睛，进入人眼的光如果强，会使人感到耀眼刺目。为实现良好的照明空间，既要确保必要的亮度，又要抑制耀眼的闪光度。尤其在ＬＥＤ照明场合，发光的芯片本身为超小型，因发光部分的亮度非常高，无法确认灯具的眩光是否在允许范围，以致使用中引起视觉疲劳，甚至有的场合会导致人眼伤害这样的危险性。

３．２　显色性色温度

从照明灯具发出的光，使人类感知的不仅是明亮度，颜色也是重要的信息。作为白色光的色特性，有显色性和色温度，显色性好（显色指数高）发出的光谱覆盖了整个可见范围，光谱成分丰富，色彩还原能力强，人眼易于辨别物体的形状和色彩；相反，显色性差，物体原色的视觉还原能力就差。因此，在同等照明效果情况下，显色性好的，所需照度值则可以低一些。巧妙地利用这一特性值，能达到舒适与节能兼备的效果。

4 光学特性以外的照明灯具特性

上述的光学特性在照明领域是重要的特性，但照明灯具属 电气设备，还规定了光学特性以外应遵守的特性。否则，有的场合下可能成为重大故障的原因。

例如在某一城市的家庭住宅中安装直管型的ＬＥＤ灯，居住者的健康状况不佳，就要考虑照明灯具的闪光问题，即使是原来的荧光灯和 白炽灯，也要避免出现闪烁现象。ＬＥＤ和有机ＥＬ比原来光源点／灭灯的反应更快，尤应小心谨慎。此外，在有些地区已将街灯、路灯更换成ＬＥＤ，据报道，在其附近的住宅区内电视收不到信号，这是归咎于照明灯具产生的“电气噪音”，妨碍了电波传输及电波干扰导致的故障。

另外在美国、日本曾相继有报道称“ＬＥＤ灯泡产生高温、发热、起火”，“灯泡形荧光灯也出现相同高温、发热、起火”等现象。作为电气产品的“温度规格”、“电气安全”、“机械安全”等检测项目是否严格制定和执行？按照使用环境的不同，耐高温、多湿、无太阳光下的紫外线、太阳热的劣化、设置场所的能否持续耐振、沿岸地区等的潮风产生锈蚀之类的劣化等，最后还必须经过各种耐久性试验。对于原来的照明灯具，试验项目和方法按工业标准和各公司内部的基准确定，而且，当产品出厂时应进行评价试验，写好记录报告，只有达到合格规范以后才能向市场销售。

5 照明系统的节能与舒适性

（1）照明控制系统

在照明企业界，使整体空间舒适又节能的照明控制系统，早在２０多年前就已经开发并不断进步。按这一照明系统的控制大致分为：由传感器的个别控制和由调度时间（ｓｃｈｅｄｕｌｅ　ｔｉｍｅ）的程序控制。

传感器控制情况下，由检测出人体的存在而对应于《需要照明》，有点/灭灯或调光的“人体感应传感器”，及反应射入室内外光亮度的点/灭灯或调光的亮度传感器，通过这二者的组合，在必要的场所、必要的亮度进行有效照明。对不需要的部分通过灭灯或调光，以此实现节能。

此外，使用照明灯具期间，灯具和灯都会逐渐劣化，输出的光束慢慢减少。原来的设计，即使在使用照明灯具的初期，也用比规定照度更高的照度照明。但最近考虑灯具和灯的这一劣化（维护率），在使用初期将强行调光以抑制输出。现将这一“初期照度补偿”的功能，也配置在照明控制系统内。

另外是时间控制，结合照明空间的工作情况，通过对每一时间段的点/灭灯或调光，在必要的地方，必要的时刻才能提供必要的照明。以此控制总的耗电量。最近还对这一系统的总功率进行检测，采用超过规定功率时，自动消减功率的系统。

当然，即使在光源为ＬＥＤ和有机ＥＬ的照明控制系统中，也需要先进的光输出控制。但在调光控制上，ＬＥＤ和有机ＥＬ与原来的白炽灯、荧光灯不同，它们对应于调光信号的反应极快，从而，一齐通/断，且照明在一瞬间由１００％变到０，这对人眼（尤其是老人和婴幼儿）形成负担，心里会感到不适。故对于ＬＥＤ和有机ＥＬ，期望配备软启动功能和渐隐、淡出（ｆａｄｅ－ｏｕｔ）功能。必须充分考虑其调光信号对人眼的影响。

（2）符合生物体节奏（ｒｈｙｔｈｍ）的照明系统

地球上的很多生物受到太阳和月球的影响，会在生物体内产生一定的节奏，在人体身上也具有这种所谓的生物钟节奏。例如，在深夜处于高照度、高色温的环境下度过，会妨碍深度的睡眠，勉强支撑到次日白天，大脑或身体均会陷入疲劳状态；相反，早上起床以后，在高照度、高色温的照明环境下度过，白天的清醒度会提高。若习惯于晚上在合适的低色温、低亮度空间度过，则可以顺利入眠并进入深睡眠状态。

按照这样一种生物钟节奏的照明环境进行调光、调色控制，在改善生活节奏的同时，还可节约能量。不论是住宅、办公室、医院等各种场合，都要求节能与舒适性兼备的照明设备与照明环境，这也是人们真正关心和期待的。

节能照明