基于绿色设计思想的LED灯具产品全生命周期开发模型

苏庆华，韩立成

(1.杭州汉德质量认证服务有限公司-TUV北德，浙江 杭州 310019；2. 南京汉德森科技股份有限公司，江苏 南京 211100)

引言

LED作为新一代光源，具有低功耗、无污染、适用性强、高可靠性和长寿命等特点，被认为是一种符合环保和节能的绿色照明光源。但是，当前LED灯具产品还存在一些问题，主要体现在：单个LED功率低，大功率的LED存在散热问题，光衰比较明显，实际寿命达不到设计要求，互换性和维修性差，显色指数低，存在光辐射危害等。

1 传统LED灯具产品开发模式及其弊端

传统的LED灯具产品开发是从市场需求到产品决策，到产品再决策的循环过程，如图1所示。

如上模式是以个人或是一部分人的利益为核心，主要把追求最大利润作为开发产品的动力，仅仅考虑到产品实现的功能，或者是根据用户的需要，设计一些相关的特性。厂家往往是追求短期最大利润，未考虑产品全生命周期过程中对人和环境的影响，更未考虑工厂本身及人类的可持续发展[1]。因此，开发的产品存在不足和隐患，如表1所示。

图1 传统的LED灯具产品开发模式
Fig.1 Raditional development model of LED luminaire products

2 基于绿色设计思想的LED灯具产品开发模型

2.1 绿色设计思想的定义

基于绿色设计思想的现代产品开发就是基于人类可持续发展的战略目标，充分体现节能、减耗、环保等思想的一种现代产品开发模式。它的基本思想是：在一定时期、一定范围内，无论是政府、社会还是企业，在产品的整个生命周期过程中，充分利用现代科技成果，在满足产品应达到使用性能的同时，积极、主动做到高效率地利用自然资源和能源，对生态环境无污染或者是少污染，对制造者和使用者要具有友善性，报废的产品要能够回收利用，废弃物要能够清洁处理，以达到珍惜宝贵的自然资源和保护生态环境的目的，从而实现人类的可持续发展。

基于绿色设计思想的现代产品开发不同于传统的产品设计，它是从大的环境出发，更强调一种积极性、主动性和动态性，即我们的社会、政府、个人、企业都能够联合起来，积极主动地将节能、减耗、保护生态环境的理念充分结合先进科技成果，应用到产品全生命周期的各个阶段，以期达到人类的可持续发展[2]。

2.2 基于绿色设计思想的LED灯具产品开发模型

现代LED灯具产品开发，应充分利用先进设计理念，结合当代高科技成果，先进加工方法和设备，制造过程和使用过程节能、降耗，对环境无污染或少污染，运行性能稳定、高效，具有良好的维护性和使用性，报废产品要便于再利用和绿色处理，从而实现产品在全生命周期对使用者、制造者和环境的友善性[3]。

基于绿色设计思想，从LED灯具产品全生命周期过程出发，将绿色设计思想贯穿于产品开发的各个阶段，从而形成切实可行的LED灯具产品绿色设计开发模型，如图2所示。

图2 基于绿色设计思想的LED灯具产品开发模型Fig.2 Development model of LED luminaire products based on green design

3 绿色设计思想在LED灯具产品全生命周期阶段的应用

3.1 决策阶段

决策阶段，不仅要明确产品应达到的功能和性能指标及安全要求，整个设计制造过程中，还应遵守一些相关的法律、法规，更应该充分考虑人类的可持续发展战略目标：

(1)根据国家的可持续发展的战略目标，将我国颁布的《中国21世纪议程》作为一项基本设计准则，充分考虑节能、降耗、保护生态环境；

(2)电气产品安全及性能要求。如出口到欧盟的低电压指令(LVD)，电磁兼容指令(EMC)，ERP能效指令2009/125/EC等。

(3)社会责任。LED灯具产品在生产制造过程中，企业应满足安全生产标准及员工职业健康危害标准要求，同时考虑资源和能源的有效利用及对于环境的影响。

产品决策者有工厂、用户、社会，甚至政府的加入，通过各方的共同努力，使产品的决策方案更具有科学性和完整性，适合现代LED灯具产品的绿色设计需要。

3.2 设计阶段

采用先进的设计方法和理论，结合当前LED灯具产品的最新研究及应用成果，实现绿色设计思想在LED灯具产品开发中的应用。

3.2.1 长寿命设计

LED灯具的寿命是一个总体概念，它包括模组、驱动和灯具支架。针对影响LED灯具寿命的主要因素，LED灯具长寿命设计的具体方案有[4-5]：

(1)改进LED芯片的封装材料、粘贴工艺，增加和改善散热结构，降低封装部件间的热阻。

(2)采用恒流源驱动，避免由于LED芯片工作电压的波动，而导致工作电流剧增引起的LED芯片温度短期聚积。特别是高压线性恒流源驱动，由于没有使用隔离变压器及电解电容，降低了电源产生的热量，可以增加驱动的实际寿命。

(3)选用高质量长寿命的电解电容器，改善电容器的安装结构，降低电容器的使用温度，增加电容器的实际使用寿命。

(4)优化灯具散热结构：优化散热器的表面积、安装密度，改善散热基板安装结构。

(5)改善灯具的通风条件，优化驱动、芯片及散热片的安装位置，增加通风孔或风扇，降低灯具体内温度，增加驱动和芯片的实际使用寿命。

(6)户外LED灯具，改善防尘防水结构，避免由于外壳进水影响灯具使用寿命。

(7)视觉作业场合的灯具，其频闪限值应满足相关标准要求，保证不会产生视觉疲劳。

3.2.2 标准化设计

不同厂家LED灯具产品间不能互换，可维护性差，一旦发生故障，只有返厂维修，造成诸多不便，制约了LED灯具行业的健康发展。标准化LED灯具产品机械、光、电、热和控制五方面接口的设计，形成规范的接口，增强产品间的互换性[6]。

(1)模组：规范模组的安装接口、物理尺寸、串并联方式、基板厚度、基板外形及尺寸，定义模组的输入电参数、光性能参数、ta及tc值，保证LED模组间通用和互换。

(2)散热器：针对不同用途的LED灯具，按照实际的使用功率和使用环境，定义散热器与模组间的安装方式或接口，规范对应功率的散热器形状、结构和尺寸。

(3)反光罩和配光透镜：不同用途的LED灯具，要求不同功能性应用的配光曲线和外部造型，按照实际用途，分别对应标准化灯具反光罩和配光透镜的反光或透光性能、造型、尺寸、安装方式及接口。

(4)驱动器：根据LED驱动的类别和用途，对应标准化驱动的类别、ta及tc值、输入电参数、输出电参数、尺寸及安装，标准化驱动的输入及输出连接方式。

(5)控制系统：根据计算机和网路通信技术，规范LED灯具的控制协议和方法、数据采集和互动接口及LED灯具控制功能特性等。同时规范控制系统的硬件要求，如通信方式、控制端口、嵌入式控制芯片或控制模块等。

(6)灯具的可回收性设计和可拆卸性设计：在灯具产品功能性标准化设计的基础上，考虑零部件材料的可回收性与可拆卸性，在产品再利用和报废阶段，拆卸和分解相关材料，达到节约资源和能源、保护环境的目的。

3.2.3 智能化设计

LED光源是低压微电子产品，便于计算机和网络通信控制，通过智能化设计及应用，来实现节省能源、美化环境、方便维护的目的[7]。

(1)智能开关。根据实际照明需要编制时间表来控制照明时间，或通过光电传感器检测照度值来开关灯，也可以通过红外线感应器感应来开关灯。

(2)太阳能LED灯具。通过太阳能发电原理和应用，将太阳能转化成电能给LED灯具供电。

(3)故障智能定位。通过计算机软件技术和网络技术，建立LED灯具监控系统，当芯片或灯具处于异常工作状态时，能快速定位故障所在位置，方便维护。

(4)动态自动调光。根据实际场景需要，自动调节灯的亮度及色彩，营造出一种温馨、舒适的环境。

3.2.4 安全性设计

根据欧盟灯具安全通用标准EN 60598-1定义，灯具在正常使用、可预见性误操作及异常条件下，不应对人和周围的环境造成危害[8]。

(1)防触电：根据电气产品安全类别I、II及III，提供相应的绝缘(基本绝缘，安全接地保护，双重绝缘及加强绝缘)保护，满足电气间隙及爬电距离要求，避免接触带电体。LED灯具主要关注如下几个方面：使用安全隔离变压器的LED驱动，要保障主级高压电路与次级安全低电压电路间满足双重绝缘或加强绝缘；没有使用安全隔离变压器的高压输入灯具，模组和光源需要按照危险高电压来考核；I类灯具，要保障可接触金属零部件的接地连续性；更换光源时，高压输入灯具的带电体不可触及。

(2)防高温：主要包括灯具内使用零部件的工作温度和灯具表面的温度。产品内零部件不应承受影响安全的高温，如变压器、灯座、开关、电容、导线等。灯具被接触及握持的部位表面温度不应太高，安装于可燃表面的灯具，正常状态安装表面温度不应高于90℃，异常不应高于130℃。

(3)防火险：灯具提供绝缘作用的绝缘材料应通过650℃的灼热丝测试，支撑带电体的绝缘材料应通过针焰燃烧测试。

(4)机械危险：灯具正常使用和维护可触及的部位，应无尖边锐角及危险运动部件。

(5)光辐射危险：LED灯具主要是蓝光辐射比较严重，要选择优质的LED发光体。对于危害等级为无危害之外的灯具，要严格按照IEC/TR 62471-2定义灯具的安装及使用条件。

(6)防尘防潮：户外灯具外壳进水，是LED灯具主要安全问题之一。应该根据灯具的实际使用环境定义灯具IP等级，设计防尘防潮结构。如室内使用灯具一般标称为IP20，户外使用的灯具一般标称IP44、IP54或IP65。

(7)防风设计：户外用灯具要能够承受2.5kN/m2的风力测试，要保证灯具壳体及连接件能够承受相应的应力。

(8)EMC和EMF设计：从电气原理和线路布置方面来防止电磁场对人、电路及周围环境的影响。

3.2.5 环境特性设计

产品生产制造过程不排放有毒有害物质，产品废弃物不含破坏环境的有毒有害物质，优先选用绿色资源和能源。

(1)LED灯具选择使用有相关合格证书或测试报告的零部件，如第三方权威机构颁发的ROHS，PAHS及REACH测试合格证书或报告。

(2)灯具生产过程中，使用无铅焊锡工艺。

(3)引进能源管理系统，使用无污染、低能耗的生产工艺。

(4)对生产造成的“废气、废水、废渣”进行无害化处理。

3.3 制造阶段

生产制造阶段应遵循的原则：

(1)优先选择绿色原材料，如优选可再生、低能耗、少污染和环境兼容性好的材料及零部件，材料易于再利用、回收及降解；优先选择先进的生产加工方式、方法、技术，如净成形加工，干式加工等；

(2)优先选择先进的加工设备、节能设备，如：数控加工设备、电火花加工设备。

(3)有毒有害工序的优化，如喷涂、焊锡、LED光辐射、噪音及机械危害等相关的工序，应该采用相应的保护措施，对操作人员的潜在危害满足安全标准要求。

(4)为保证产品的安全性，工厂应配备相应的安全检测设备，如耐高压，绝缘电阻，接地连续性及其它电参数测试设备等；同时，工厂应该建立确保产品安全性的控制程序：如关键零部件采购及检验的控制程序，与安全相关的变压器、Y1/Y2电容、光耦器、保险丝、继电器等；安全相关检测设备计量、使用及维护的控制程序；例行检验和确认检验的控制程序；产品结构变更的控制程序；不合格品的控制程序等[9]。

(5)按照生产加工规范，加强质量检验，保证产品质量，如建立ISO9001质量管理体系及CCC产品认证体系来规范产品质量管理及执行。

3.4 使用和维护阶段

根据灯具产品的安装、光源种类和使用状态，LED灯具应该提供安全标识，如安装时需要标识的信息有：电参数、使用环境温度、防触电保护等级、防尘防湿等级、能否安装在可燃表面、灯具连接方式等；更换光源时需要标识的信息有：光源的功率、是否为特殊类型光源、更换保护罩等；正常使用时需要标识的信息有：最小照射距离、灯具的使用环境(正常或是恶劣环境)、调节方法等。同时标识的字体和图标满足一定的大小要求，标识要有防摩擦测试的功能。

LED灯具产品应该提供相应的安全使用说明书，描述产品具体安装、使用及维护相关的安全信息，如使用频率，如何更换相应的电缆连接，户内或户外使用，可能承载的风力，是否安装于不可触及位置等。

如果灯具提供能效标识，标识应包含相关信息，如供应商名称或是商标，型号标称，灯具的能效等级，灯具使用的光源是否为LED光源，灯具使用的光源是否可由终端用户更换，以及可使用(更换)的光源能效等级等信息。另外，相关说明书文件中，应描述灯具相应性能参数，包括所使用光源的类型及能效等级参数[10]。

3.5 再利用及报废阶段

根据LED灯具的标准化设计，确认并更换失效模块，如模组、驱动器、光学透镜、灯罩、灯具支架等。

产品报废以后，很大一部分零部件仍可以再利用。根据LED灯具的可回收性和可拆卸性设计，对于灯具可以重复利用的零部件和材料进行回收利用，报废的产品及部件充分拆卸后进行归类，对于含有有毒有害物质进行无害化处理，并遵守相关地区或国家的规定。

图3 LED灯具产品绿色评估模型Fig.3 Green assessment model of luminaire products

4 LED灯具产品绿色评估模型

基于绿色设计思想开发的LED灯具产品，根据图3所示的评估模型，从安全、资源、能源及环境四方面来进行产品绿色评估，只有评估合格的产品，才能作为绿色设计方案。

目前，国际上针对产品的环境友好性，从产品本身和制造企业方面制订了系列标准，这些标准组成了图3中灯具产品绿色评估依据。表2列举了目前欧盟对于LED灯具产品评估的部分参考标准和指令，只有达到相关的要求，产品才能够进入欧盟市场。另外，针对企业管理方面的标准，有ISO14064温室气体系列，ISO14040生命周期环境管理，ISO14020环境标识，ISO5001/EN 16001能源管理等。

表2 欧盟LED灯具产品绿色评估参考标准和指令Table 2 European standards and directives for green assessment of LED luminaire products

5 应用结果分析

针对出口欧盟的LED灯具产品，该开发模式在国内LED灯具企业开展应用。企业从产品全生命周期出发，将绿色设计思想应用于产品全生命周期的各个阶段，在产品开发各阶段，有安全专家、电气专家、结构专家、环境专家、能源专家、相关的绿色信息数据库及完整的产品质量控制体系的支持等，设计开发出的产品或是处于开发阶段的产品，应用上一节图3绿色评估模型和表2所示安全、能效及化学检测几个方面内容评估，基本符合欧盟要求强制执行的相关指令及标准要求，开发的产品一般能够一次性通过相关权威机构的检测，顺利取得欧盟准入证书，为企业节省大量的研发时间和费用。

在此基础上，企业将长寿命设计、标准化设计、智能化设计思想应用于企业内部新产品研发，开发的产品寿命长，易于智能化控制，故障易于确认，各功能模块互换性好，便于维护，报废的产品便于再利用和绿色处理。

目前，LED灯具产品绿色设计的研究还处于初步阶段，还需要不断地推广和完善，随着应用的深入和科技的进步，绿色设计思想将主导LED灯具产品的发展方向。

[1] 苏庆华,黄长林，王耘，等.基于绿色理念的电除尘器产品设计[J]. 工程设计学报, 2003, 10(1): 20-25.

[2] 苏庆华.面向机电产品设计的产品绿色度评价系统的研究与实现[D]. 杭州：浙江大学，2003.

[3] 苏庆华,黄长林等. 绿色设计思想在电除尘器产品开发中的应用研究[J].华东电力, 2002, 30 (10): 20-22.

[4] 江磊, 刘木清. LED驱动及控制技术新进展[J]. 照明工程学报, 2014, 25 (2): 1-9.

[5] 褚旭昭, 丁同言，杨洁翔，等. LED散热器散热性能优化分析[J]. 照明工程学报, 2012, 23 (1): 62-65.

[6] Zhaga Interface Specification. Book 1-Overview and Common Information[S]. edition 1.4 2013.

[7] 梁人杰. 智能照明控制技术发展现状与未来展望[J]. 照明工程学报, 2014, 25 (2): 15-26.

[8] EN 60598-1:2008+A11:2009. Luminaires-Part 1: General requirements and tests[S].

[9] PERMANENT DOCUMENT CIG021:2004, Factory Inspection Procedures Harmonised Requirements[S].

[10] Commission Regulation (EU) No 1194/2012, implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for directional lamps, light emitting diode lamps and related equipment[S]. Official Journal of the European Union，2012.