灯具发光效能及相关思考

文/[美]理查德·卡德纳 编译/施 端

（1.上海戏剧学院，上海 200040）

灯具发光效能及相关思考

文/[美]理查德·卡德纳 编译/施 端1

（1.上海戏剧学院，上海 200040）

探讨灯具用电与环保的关系，阐述衡量灯具发光效能的方法和相关问题。

LED；环保；流明；光通量；灯具；光源

近来人们都在谈论有关“绿色”技术和可持续发展方面的话题，然而演艺行业到底采取了哪些具体措施？很多还是徒有其表？近年来，制造商们展示了许多更为高效节能的新型灯具，宣称从中可以获得环境和经济效益；制作公司和演出场馆竞相购买并使用这些灯具；设计师们在演出中尝试使用这些灯具，希望能一改使用传统灯具给环境带来的污染。但是这些措施是否奏效？

大部分从业者已经阅读了相关资料，有人对LED技术和高效节能光源、灯具大为赞赏：它们省电、发热量小，与白炽光源、气体放电光源相比寿命要长得多，使用它们后，能降低以往演出大量电能的消耗。况且，它们似乎已经兑现了诺言。当查看LED灯具的电气参数时会发现，在一般情况下它的电流远低于传统灯具的电流，仅为其1/10左右。但是，在下定论之前，不妨以更为严谨的态度来审视新技术与传统技术之间的差异，从“绿色环保”所带来的环境和经济效益角度来思考这些行为。

灯具节能与环境效益

关于节电有很多内容要谈。除节约成本外，环境效益也不容小觑，除非能协调它与发电之间的矛盾。全世界80%以上的电能由燃烧煤炭、天然气和石油等化石燃料产生。它们造成了环境污染，但却可以发出充足的电能，而且还很廉价。

每当把负载接入电网并启动时，很可能就加速了对化石燃料产量的消耗。如果所使用的电由煤炭发电厂发出，那么要使1台1 000 W灯具点亮1小时则需燃烧约3/4磅（0.34 kg）的煤，且其二氧化碳排放量要达到将近3磅（约1.36 kg）。同时，燃烧化石燃料会对环境造成危害。煤炭在燃烧过程中除了向大气排放温室气体外，还排放硫、砷、钡、铍、镉、铬、铜、铅、汞、钼、镍、镭、硒、钒和锌。

而在发电这个热门话题中，其中一个问题就是发电需要大量冷却物质。通常，冷却要使用到另一种自然资源——水。要发出足够多的电能以使1台1 000 W灯具点亮1小时则需将近1.5加仑（5.4升）的水。除非发电厂毗邻海洋，否则会造成供水紧张——即使毗邻海洋，抽取大量的水，然后待它温度升高后再将其排放回海洋，也会对鱼类和其他海洋生物造成危害。

用电、灯光和演出活动等都会对环境和经济造成负面影响，充分利用能源并把对环境的污染降到最低限度，是大家可以接受的想法。而技术就在业者身边。

绿色技术

由于洁净煤炭技术的发展，演艺行业正在向着绿色行业迈进。所谓的碳捕获和储存（CCS）技术有助于减少温室气体的排放，其原理是捕获二氧化碳并将其储存到地下。这可以降低污染物的大气排放量，但是捕获到的二氧化碳能在地下储存多少时间还无法确定。许多其他气态和固态污染物也可以被清除掉，但是费用高。

要把用电量降到最低限度，采用更为高效的系统所需要的费用要小得多。从一开始，高效节能照明就已然成为LED运动的终极目标。演艺行业似乎很乐意成为环保方面的开路先锋，这是LED能在本行业飞速发展的原因所在。虽然本行业系统的规模仅受预算和应用领域的制约，但是随着LED灯具的不断发展，人们对于节能的渴望已溢于言表。大家愿意使用LED，只要这种产品依然能以高的性价比在舞台上提供足够大的照度和良好的光质。但是，转而采用LED和其他可选用的光源，到底节省了多少电能？

发光效能

如果找到一个基准，那么衡量就会变得很容易；有了参照灯具，对其他灯具的衡量就会变得轻松、可靠。真正衡量效率的指标被称为“效能”（即灯具发光效能），它是灯具发出的光通量（单位：流明，lm）与发出这些光通量所消耗的电功率（单位：瓦特，W）的比值。考虑业界熟知的1 000 W PAR64和ETC公司的Source Four灯具。如果已知在通常情况下它们每瓦发出的流明数，那么就可以利用这些结果来衡量其他灯具在这方面的性能。根据Altman（奥尔特曼）公司网站提供的资料，1台采用FFR-Q1000光源的PAR64（http://altmanlighting.com/altmanlighting-pars/par-56/par-56-par-64.PDF）所输出的额定光通量为14 000 lm，即14 lm/W（不带色纸的情况下）。而根据ETC公司网站提供的资料，1台采用575 W/120 V HPL光源的26° Source Four所输出的额定光通量为13 530 lm，即23.5 lm/W。在此，笔者假设它们是准确的，进而用来衡量其他灯具，以比较它们之间的性能。

问题的关键是要获得可靠的数据。大部分灯具制造商提供了每台灯具的光度数据，但是这些数据并不一定按便于评估效能的形式给出。之前，很多人只关注光强度和光质。因此，对以射距图形式给出的光度数据相当满意，该图标明了既定射距处的照度（单位：尺烛光或勒克斯）和光束、光斑直径。但是，如果关注效能的话，那么除了需要知道这台灯具的电压、电流和功率因数，还需要知道它所发出的总光通量。几乎没有一家制造商有提供这些数据的习惯。

而即使给了这些光度数据，其准确程度也还是无从得知。有时，制造商只是照搬照抄光源制造商提供的光源光通量，而对于描述灯具发光效能而言，这些数据是没有用处的。一旦光源被放置于灯具中，其光学系统所造成的光能损失会导致灯具发光效能的下降，因此，它与光源的发光效率之间没有直接关系。

人们经常把被测灯具与过去使用的灯具相比较，进而来衡量该灯具的发光效能。在大多数情况下，大家只能得到亲眼所见到的“数据”，而这带有主观性，有时还带有欺骗性。即使把灯具并排放在一起比较也可能会引起误导。当想到LED时，人们已经习惯性地认为它是高效节能的，但是当看到真实的数据时或许会大吃一惊。

幸运的是，其中有一部分数据的来源还是真实可信的。多年来，迈克·伍德（Mike Wood）撰写了许多产品测评文章和研究报告，并在网站和PLASA媒体上发布这些研究成果。

在他撰写的每一篇产品测评文章中，通常会使用到灯具发光效能这个概念，比如发表于《Lighting&Sound America》杂志2011年第1期上的有关PixelRange公司的PixelSmart灯具的测评文章（编者注：见本刊2011年第9期上的《解析一款LED灯具——PixelRange PixelSmart》一文）；或者通常会使用到总光通量和功耗等概念，进而计算灯具发光效能。在《Protocol》杂志2007年夏季刊上，他在“伍德杂谈”（Out of the Wood）专栏中的《How Bright is Bright: Coda #1》一文里阐述了他测量总光通量的方法。概括地说，他测量位于3个同心圆环范围内的25个点的照度，每个圆环上的8个点平均分布，再加上光斑中心点，然后通过一个公式来计算总的有效光通量。他承认这种计算方法不尽完美，但是对于光斑呈放射对称的灯具（比如：成像灯、菲涅耳聚光灯和PAR灯）而言，在合理精度范围内其测量结果基本上是准确的。

为了对比起见，笔者冒昧地摘录了他所测试过的11台灯具的12组相关数据，这些灯具所采用的光源包括LED光源、微波耦合触发（等离子）光源、气体放电光源和白炽光源（见表1）。

灯具发光效能的范围从白炽光源的7.4 lm/W（Martin公司的MAC TW1）到只开启白光LED时的40 lm/W（PixelRange公司的PixelSmart）之间，与其最为接近的是气体放电光源的30.4 lm/W（Vari-Lite公司的VL3500）。为免读者忽略了本文讨论的重点，笔者在此特意强调：位居这张效能清单前列的并非全是LED灯具。这几乎被短弧气体放电光源所占据。

表1 一些灯具的发光效能

还有其他一些情况：短弧气体放电光源灯具对光能的利用率可能与LED灯具对光能的利用率相当或高于它。它们对光能的利用率也可能低于白炽光源灯具对光能的利用率。灯具的光学系统对最终的输出光通量有很大影响。

并不是说只要它是LED灯具，就一定高效节能。光源的发光效率只是其前提条件。

只要灯具不同，即使它们采用相同光源，其发光效能就可能相差很多。

而这只是市场上现有技术的一小部分，技术正处于不断变化之中。LED的发展热浪不止，同时飞利浦和欧司朗等生产气体放电光源的制造商也在如火如荼地进行改良工作，以提高其气体放电光源的发光效率，但是即便后者在向前发展，也无法与LED的突飞猛进相提并论。海兹定律依然成立，即LED的亮度每18～24个月可提升一倍。然而，问题的关键在于灯具能投射出多少光通量，而不在于光源能发出多少光通量。因此，为了提高LED灯具的发光效能，制造商必须改进方法来提高光能利用率。

还要考虑到许多其他因素。LED灯具遵循加法混色原则，而气体放电光源和白炽光源遵循减法混色原则。也就是说，LED在色光方面天生效率就高，原因在于它们只发出某波段范围内的波长。减法混色原则可能会令灯具发光效能大打折扣，具体情况应视颜色媒介而定。

与气体放电光源灯具相比，LED灯具还具有另外一个优势，就是当它们工作在切光状态时只需要非常小的电流。而对于配置光闸的气体放电光源灯具而言，切光时其耗电至少要维持在满负荷的40%。简而言之，“绿色照明”并非是LED的专利，但是LED灯具依然具有节能照明的优势。

上述内容还没有囊括所有情况。除电力消耗和灯具发光效能外，还存在其他一些环境问题。涉及到灯具重量，这与运输成本息息相关，它也会对碳排放量产生一定影响。在同等条件下，肯定会选择重量更轻的灯具。如果要将环保进行到底，那么还要从长计议，其中包括正确处理有害废弃物（从原料生产到产品废弃的全过程）。气体放电光源中含有汞等添加物质，也就是说不应对其采取填埋处理，否则它们终将会污染供水系统。还要规划有害废弃物的回收项目，但是作为一个行业必须严于律己，因为目前还没有任何管理和监测机构来监管这种行为。

既然演出活动会引发各种环境问题，那么有人可能要问自己最初为什么要大费周章地加入这个行业？千万不要抱有这种想法。这份职业对于公众的价值可能比从业者自己所意识到的要有意义得多。

最近，美国国家公共电台（NPR）报道了一则有关阿富汗举办音乐会的新闻。尽管由塔利班发动的战事持续不断，危险无时不在，然而大量民众依然为观看音乐会而集聚一堂，投身户外庆祝活动。据观众们说，观看这场音乐会并不是什么奢侈的事情，而是身处战乱之中所必须做的一件事情。音乐与艺术之于战争犹如科学与医学之于疾病。它是一剂解药。失去它，人们将无法生活下去。

（本文编译自美国《PROTOCOL》杂志2011年春季刊《Watts in a lumen》一文。获其许可。http://na.plasa.org/publications/protocol.html。）

Watts in a Lumen

Original / [USA]Richard Cadena Translate / SHI Duan1
(1.Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China）

The paper discussed the relation of efficient luminaires and environmental protection, and introduced the measure of efficiency of luminaires and relevant issues.

LED; environmental protection; lumen; luminous flux; luminaire; lighting source

10.3969/j.issn.1674-8239.2012.07.003

（编辑 张 翔）