灯具配光与照明节能的关系

张耀根 高 飞 李山林

(1.中国建筑科学研究院，北京 100044;2.中国照明学会，北京 100022;3.公安部第一研究所，北京 100048)

1 引言

当前，照明工程设计中，在确保照明数量和质量前提下节能要求成为特别关注的课题。其实，人类有了电光源至今，实用光源的效率从每瓦几个流明到现今每瓦100流明以上，就是一部人类100多年来追求照明节能的发展史。不同的是，当今社会发展迅速、能耗大增，在开源节流、保护环境刻不容缓的形势下强调照明节能，对照明节能的种种要求自然愈严愈高。照明工程的节能设计成为照明节能工作最基本、最重要的一步。目前，若干照明领域中制定了照明节能标准，对照明消耗功率作了限制，用照明功率限值或称作照明功率密度 (LPD)限值作为衡量照明系统节能与否的最重要指标之一。

本文主要从LPD与若干照明要素之间的关系进行分析，除了照明系统设计中满足规定的照明数量和质量等硬指标外，还应注意到影响LPD的若干因素，如灯具的光分布特性 (配光)选用等。只有在选用照明系统的硬件如光源、灯具和配套设施效率同时，选用合理的照明系统软件如设计方法、灯具配光和布置方案等才有可能达到LPD的要求。

2 LPD的确定

众所周知，照明系统设计中利用流明法或利用系数法确定设计 (工作)照度是照明设计最基本的方法，其计算公式如下:

这就是最基本的计算照度公式，经变换后可得:

或

式中:N——被安装的光源数量;

W——光源的额定功率，单位:瓦;

η——光源的发光效能，单位:lm/W;

UF——总的光通利用系数;

MF——照明设备的维护系数;

E——设计照度，取自照明设计标准，单位:lx。

另外，从 (3)式右侧第一项可以看到，设计照度的单位为 流明/平方米，除以光源发光效率η(流明/瓦)，其单位恰好等于 瓦/平方米，即LPD的单位，只是还需乘上UF和UM无量纲系数。

公式 (3)可以改写为:

从(4)式［1］中可以看出，LPD，E和UM均由照明设计者根据相关的照明设计标准取得。η不仅取决光源的发光效能，还要考虑点灯附件、控制器件等功率损耗，可以从制造厂商处获得，这些均属于相对固定的参数。

公式 (4)中，UF是唯一的一项有照明设计者的设计经验和技巧来影响LPD的相关系数，而且成反比关系。在满足照明质量的前提下，UF越大，LPD越小，意味着节能效果越好。反之，UF越小，LPD越大。相对固定的参数取得后，合理和科学的确定了UF值，可以确定LPD值，并满足节能要求。

3 利用系数与灯具的关系

众所周知，在照明工程设计中，利用系数的定义就是被照面上接受到的光源光通量与该光源 (用于被照面上所有光源)的总光通量之比，所以，可以理解为光源光通的利用系数 (此处不考虑多次反射)。用公式表示为:

式中，

UF总——被照面上总的利用系数或光源总光通量的利用系数;

S——被照面面积，单位:平方米 (m2);

E——算得的照度或测得的照度，单位:勒克斯 (lx);

F总——用于被照面照明的所有光源光通量，单位:流明 (lm)。

(5)式中的E×S，即被照面上所得的光通量可以改写成F总×η灯具×UF灯具，则 (5)式变成:

公式 (6)中:η灯具——灯具的效率，单位:%;

UF灯具——灯具的利用系数。

UF灯具的定义就是落入被照面上的灯具光通与灯具发出的总光通之比。

值此，从公式 (6)中不难看出，照明系统总的利用系数与灯具的利用系数发生直接关系。反之，灯具的利用系数也直接影响照明系统总的利用系数，从而进一步影响照明系统的节能特性。另外，照明系统总的利用系数的最大值就是灯具的效率。这里，由于灯具光束角外的溢散区光通置零处理，灯具的利用系数就是灯具的光束光通利用率。

4 灯具利用系数分析

按相关照明设计标准确定下，灯具光通落入被照面上的数量显然与被选灯具的安装高度、位置和配光 (主要为灯具的光束角和光强值分布)等因素有关。而且一般情况下，同种灯具的效率随配光的宽窄而变化，配光越宽，其效率就越高，但灯具的利用系数不一定高，即使满足被照场所的照明数量和质量要求，也不一定节能，这在体育场所照明设计中尤为突出。

本文意在通过简单的计算来分析影响灯具利用系数这个主要因素，并引起照明设计者的关注。

为了计算简单化，作出一些假定:

4.1 第一种方案

(1)假定有一被照面的面积为30×30平方米，设计照度为20 lx;要求的照明均匀度为0.5;

(2)选用的光源为400W高压钠灯，其发光效能为105 lm/W(考虑到点灯附件的功率损耗)，并安置在被照面中心上方 (如图1所示);

图 1 中:L——灯具

H——安装高度，单位:米;

R——最大投射半径，单位:米;

C——界限角，单位:度。

图1 灯具布置示意图

(3)假定所选用的灯具为一种光源、多种配光，其效率为70%，且不随配光而变;再假定多种配光的光束光通也是不变的，即光束角可以变化，其光束光通不变。另外每种配光的光束角内的光强值不变，灯具的溢散光设定为零。这主要为了突出光束角和光强可变性对灯具利用系数的影响程度。

这样的假定其结果是固定了某些可变的因素，使灯具利用系数只是与灯具的安装高度和配光的宽窄有关。

本文选用了九种轴对称配光，如图2所示。

根据C型测角仪原理可以取得光源或灯具光束角光通。

有公式:

根据假定 (3)，并利用球带系数［2，3］可以把公式 (7)变成:

图2 九种灯具配光 (光束角)示意图

则灯具光束角内光强有:

根据假定 (2)，灯具的光束光通为:

Φ灯具=400×105×0.7=29400lm通过计算，可以算得假定中每种配光光束角内的光强值，见表1。

表1 九种灯具光束角内算得的光强值

图2为灯具配光示意图，图中的光束角的1、2、3等于灯具的截光角，因为灯具的溢散区光通置零处理。

利用表1的光强数据，如图1所示进行计算，算得的结果如表2(1)～(6):

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

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

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

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

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

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

从以上的数据可以看到，采用单灯照明时的配光应是:

(A)灯具光束角只在大于界限角时才有可能出现要求的照明均匀度;

(B)科学选取灯具光束角既可以满足照明要求，也能满足节能指标;灯具光束角小可以满足节能指标，但不一定符合照明工程要求。

(C)本方案中假定灯具的效率为定值，事实上灯具配光越宽、效率也高，但照明系统的利用系数并不一定增大，甚至相反，因此不一定节能;

(D)相比之下，在本方案中较合理的数椐是:表2(1)－第5列，表2(3)－第6列，

表2(4)－第7列，因为这些数据均符合初设的平均照度和照明均匀度要求。至于最实用的方案则还要对安装高度、眩光控制、灯具相关参数、经济指标等因素进行综合考虑后选定。

4.2 第二种方案

图3 双灯布置示意图

与第一种方案无多大差别，只是在第一种方案上再增加相同的被照面和相同参数的灯具，其目的为了分析采用多套灯具照明时对照明系统利用系数的影响。

图3为照明布置示意图，图3中的符号与图2一样。

由于灯具参数与前相同，只是增加面积和灯数，使照明计算大为简单。

表3(1)～(3)列入照明参数和计算结果，考虑数值较多，只列入与上述三列有关的数据以便分析和比较。

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

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

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

同样，从数据中可以看到:

(A)被照面积和灯具数量按比例增加时，经计算，有些照度平均值有所提高，因而系统总的利用系数随之增加，也就更节能。这是因为在某些灯具光束角照射下光通量叠加所致。也就是选择合适的配光可以达到节能的目的。

(B)随着照度平均值增加，出现照明均匀度有所下降，这是因为叠加区域的照度增加而导致照度平均值增加，但照度最小值不变，所以照明均匀度下降。

(C)随着照明面积和照明灯具增加，选择合理的配光，调整安装位置，使灯具照射的区域相互搭接，并提高被照面边缘区域的照度是可以实现的。

5 举例说明

5.1 室外足球场照明

室外足球场的标准面积为 S=110m×70m(包括边缘线);

照明方式为雨篷下马道布灯;

光源为大于1000W的金卤灯。根据节能要求，灯的发光效能 (包括镇流器等点灯器件消耗的功率，按灯功率的15% 计算)为:85lm/W;

采用的相关灯具效率按国家标准 (JGJ153—2007)要求，最低不小于65%，而国际著名品牌的灯具几乎均在75%以上，甚至于超过80%，均衡之下取70%较合理;

在10°～18°光束角下的灯具利用系数应大于0.7;一般情况下，考虑不同投射距离，往往采用灯具配光宽窄搭配，光源总的利用系数应不小于0.5;

照明维护系数，根据国家标准 (JGJ153—2007)对环境污染程度，取0.7和0.8两挡;

照度设计值:主摄像机平均垂直照度值为1400 lx(要求标准电视转播)，

折合成平均水平照度为1400×1.5=2100 lx.

(高清电视转播时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值为:

(重大国际比赛)

或环境污染程度取0.8维护系数时，有:

这里需要说明的是，在公式⑶中没有反映灯具与LPD发生直接关系，但选择灯具的光束角，就是与投射距离和灯具的利用系数有关。在被照面面积和灯具光束角不变情况下投射距离大小自然影响灯具的利用系数。

若在四塔照明系统下，灯具的投射距离可能超过100m，有两种不同的方法确定LPD值，一种是保持上述的LPD值不变而调整灯具的光束角，使其变得更小，此种做法可能会影响包括眩光控制和照明均匀度等照明质量的要求;另一种做法是，保持灯具的光束角不变即灯具配光不变，这会降低系统总的利用系数值，如果调整系统总的利用系数，即把0.5降为0.45(经验数据)，以保证赛场的照明节能要求。灯具的投射距离，即灯具安装位置对照明节能会产生很大的影响。

计算可得:

5.2 道路照明

假定有一路宽为24m，灯杆的间距为40m，光源采用高压钠灯，灯具效率取70%，系统总的利用系数取0.5，维护系数为0.7，根据公式 (7)可以算得:

如果系统总的利用系数取0.4，则有:

显然，系统总的利用系数从0.4变化到0.5，对LPD，即照明节能影响十分明显，而直接因素涉及灯具配光。

6 结论

(1)灯具的配光是直接影响照明系统利用系数的因素之一，因此对照明系统的节能有着举足轻重的作用。合理选择灯具的配光不仅能够满足相关照明要求，也能达到节能目的。

(2)同种灯具配以不同的配光有着不同的灯具效率。配光越宽则效率越高，但系统的利用系数不一定高，即不一定节能。所以，只有在不同的灯具配以相同配光时，选择灯具效率高者才节能。

(3)在照明设计时选择多套灯具比单套灯具更有可能节能。特别在大面积照明时不仅选择多套灯具来提高灯具利用系数，而且根据投射距离可配以不同的配光来达到节能目的。

(4)本文不涉及带有多次反射的室内照明，这是因为可以通过查询灯具数据找到室内照明的系统利用系数。

［1］张耀根，彭明元．制定照明节能方法的研究 (研究报告)．中国建筑科学研究院物理所，1990年10月．

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

［3］刘慧，杨臣铸．光度测量技术 (P82)．中国计量出版社，2011年1月．