散谈照明光源及其应用

中广国际建筑设计研宄院教授级高级工程师施克孝表11W电功率转换成光能的效率照明，顾名思义，一照即明。照明就要有光源，日常我们见到的光源，可分为人工光源和非人工光源两大类。 在人工光源中，用得*多的是电光源。作为照明的设计人员，深入了解一些光源的基本特性以及如何合理地运用其特性，扬长避短，成为照明设计人员的必修课，属于“应知应会”的内容。目前，正在修改的新设计规范，照明场所对于光源的要求也更加完善和具体。在这种情况下，许多照明设计人员要求进一步深入、全面地了解光源的性能特点，以便在工程中更合理地选用光源。 一、电光源的几个常用参数1.光源的发光效率电能变成光能的效率是多少，1W的电能可以变成多少光呢，我们先来了解一下电磁波谱。所谓“谱”，就是按照对象的类别用曲线或比较整齐的方式排列起来。例如，家谱，是按辈分和血缘关系排列的；菜谱，是按种类排列的。我们说话要有谱，说话没谱的人，别人不愿意跟你打交道。 电磁波谱是一个大家族，它是按波长或频率划分的，波长从1015m到108m的都是这个家族的成员。波长从短到长排列分别是宇宙射线、Y射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、雷达、电视、广播、电力传输等。可见光的波长范围是380780nm.nm（纳米）是长度单位，1nm等于十亿分之一米。 由此看出，可见光在电磁波谱中是很小的一段。 每一个波长我们都可以看得一样“清楚”呢，不是的。研宄表明，人眼对555nm的黄绿光看得*“清楚”。1W的电功率完全变成5 55nm的黄绿光为683lm.对于其他波长的光，我们看上去都要打“折扣”。波长不同，打的“折扣”也不同（见表1）。 把表中的数字变成曲线（见），这条曲线有一个专有名词，叫做“人眼的光谱光效率”。事实上，人眼的光谱光效率又分为"明视觉光谱光效率“和"暗视觉光谱光效率”，这里就不多讲了。 光源把电能转换成光能时，即使光能全部落在可见光的波长范围内，我们也不能全都“看见”，而是要打“折扣”。正因为如此，光源在电能变成光能时不用百分数表示效率，而是用每W电功率变成多少流明的光来表示。光的流明数是表示能被我们感知的那部分光的功率。 人在很小的时候就可以分辨颜色，但是要把颜色说得很准确是不容易的。表述颜色的方法有很多，例如：用文字表述；用文字加编号表述；用色度图表述等。如果用文字表述，不足以完全表述颜色的特征；如果用色度图表述，又过于繁复，且不容易理解。在实际工作中，我们常用“显色指数”及“色温”来表述光源的颜色。用这两个参数表述颜色虽然不十分精确，但它能较简单、准确地表述光源的颜色特性。 为了说清光源的“显色指数”及“色温”这两个参数，首先要介绍一下物体色的概念。 什么叫物体色呢，很多人觉得这是一个怪问题，小孩子都知道赤橙黄绿青蓝紫。但是，要说清物体色的本质，说清物体色与哪些因素有关，不是每个人都知道的。 在日常生活中，很多人都把物体的颜色看成物体本身的固有特性。如复写纸是蓝的，那块布是红的，这张纸是白的等等。事实上，从色度学的角度准确地说，物体的颜色取决于物体本身的反射特性和照射它的光源的光谱分布特性。我们平常说的物体的颜色，是指它在日光下的颜色。我们看到红色的布，是因为它只反射日光中的红色光谱，而吸收了其它的光谱成份复写纸是蓝色的，是因为它只反射日光中的蓝色光谱，而吸收了其它的光谱成份；纸是白色的，是因为它对日光中的各个光谱成份都具有同等的反射作用。如果用红色光源照射蓝色的复写纸，这时它能反射的蓝色成份光源中没有，相反它吸收所有的红光成份，这时我们看到的复写纸便是“黑色”的。 同样的道理，如果用紫光照射红布，它也是“黑色”的；用蓝光照射白纸，白纸就会变成“蓝色”用红光照射白纸，白纸就会变成“红色”。 如上所述，日常生活中的物体颜色，是指它在日光下的颜色。因此，日光是我们生活中的标准光源。用色度学的话说，它的显色特性*好。国际照明委员会把日光的显色指数定为100（请注意，不是100%），其它光源的显色指数都以日光为标准，如果某光源的光谱成份和能量分布与日光完全相同，则该光源的显色指数也是100.不过，现在还没有一种电光源的显色指数达到100.*接近日光的卤钨灯，其显色指显色指数的数值是如何确定的呢，国际照明委员会在定义显色指数的时候，把可见光所占波段380780nm按波长分成8段，再选出8种分别代表8个波段的物体色（见）。这8种物体色分别用日光和待测光源照射，以求出它们之间的色差，然后得出8种物体色显色指数待测光源的显色指数，分别用RPR2、表示。 叫作特殊显色指数。取RiRs的平均值，叫作综合显色指数或一般显色指数，用Ra表示。我们平常说的显色指数都是指综合显色指数。 显色指数只是光源颜色的一个参数，有时，显色指数相同的2个光源也可能颜色并不相同。例如，**个光源的特殊显色指数Rt=20，R2R8均为100，这时，其综合显色指数Ra=90；第二个光源的特殊显色指数RtR7均为100，而68=20，这时它的综合显色指数也是90.显然，**个光源缺少紫光，而第二个光源缺少红光，它们的显色指数却相同。这说明，在某些条件下，显色指数并不能完全准确地说明光源的颜色。这时，要把光源的显色指数和光源的“色温”值“捆绑”在一起，才能准确地说明光源的颜色。 为了说清光源色温的概念，我们看一个生活中的例子。如果你问一个人“住家离工作单位多远，表示距离了吗，是的，一般人骑车的速度大约是15km/h左右，由此可以知道，这个人住家离单位大约78km.本来，时间跟距离没有关系，但”速度“起了的绝对温度来表示光源的颜色。在这里，”黑体“就是”中介“。这是因为，黑体的颜色与温度存在惟-的对应关系。-个嫌黑健-个颜色，而黑体的-个颜色也只对应它的-个温度。 光源色温度是这样定义的：如果某光源的颜色与黑体在某-温度下的颜色相同，则黑体的这个温度就称为我们表示光源颜色的方法之一，就是用温度来表示光源的颜色，即用黑体该光源的颜色温度，简称色温。事实上，这个用黑体温度表示的颜色，应该叫温度颜色，简称“温色”更合理，也更便于理解。气体放电灯的发光原理和光谱特性与热辐射光源不同，因此气体放电灯叫相关色温，也简称色温。 清楚色温的概念以后，还应注意三点：**，色温表示的是光源的颜色，例如，日出时太阳的色温大约是1800K，其颜色暗红；中午晴天时，太阳的色温为5600K，是白色；普通日光灯的色温大约是6000K，颜色偏蓝；如果光源色温再高，光源的颜色会偏紫。光源的色温低，说明光源光谱中的红光成份相对较多；白光说明各种光谱的光基本相等；光源的色温越高，说明光源光谱中的蓝色或紫色成份越多。第二，如前所述的两个光源，Rt=20的光源缺少紫光，相对红光就多一些，其色温偏低另一个光源R8=20，说明它缺少红光，相对紫光就多一些，因此它的色温偏高。这时，把显色指数和色温“捆绑”在一起，就会看出两个光源的区别。第三，光源的色温跟光源实际温度的关系。对于热辐射光源而言，色温高，其灯丝温度就高；对于气体放电灯，色温和温度并没有必然的联系。如日光灯的色温是6000K，摸上去并不烫手，只是颜色偏蓝而以。 光源的寿命有全寿命和有效寿命之分。所谓全寿命即光源从点燃到寿终的全部累计点燃时间；而有效寿命是指光源的光通量衰减到初始值的70%时的累计点燃时间。我们在选择光源时要注意两点，其一是有些光源的有效寿命就是全寿命。例如卤钨灯，因为卤钨循环的作用，它在寿终时，其光通量衰减得很少。其二是光源的寿命是指的平均裸点寿命，有些光源寿命的一致性较好，有些则差一些。我们应尽量选用一致性好的光源；另外还应注意，有些光源在灯具中的燃点寿命要比裸点寿命短很多，这主要取决于灯具的散热条件。几种常见光源的参数见表2.表2几种常见光源的参数光源光源光效（lm/W）显色指数Ra色温（K）白炽灯卤钨灯普通荧光灯三基色荧光灯氙灯镝灯高压钠灯金属卤化物灯可选二、灯具的特性我们平常说光源的时候，有时仅指光源本身，有时又是含灯具在内，例如说“日光灯”，通常是含灯具的。那么，灯具有什么作用和特点呢，灯具的主要作用有三个：一是支撑光源，二是对光源发出的光进行再分配，三是美化环境。 灯具对光能的再分配光源的光基本上是球状投射，照向四面八方的，只有灯座处遮挡少量的光线。但光源装入灯具后，光线就会向特定的方向照射。这种光线的分布，有的是以光轴线为旋转轴对称的；有的是以X、Y两个轴线对称的；有的则是非对称的，这种非对称的分布往往具有特殊的用途。灯具对光的这种分布是用配光曲线来表示的。配光曲线有宽配光型配光曲线，有窄配光型配光曲线；有余弦型配光曲线，也有蝙蝠翼型配光曲线，还有非对称型配光曲线。它们各有各的用途，但是，不管哪种配光曲线，除保证曲线的真实无误外，还应注明灯具效率和光束角的数值。对于部分专业灯具，应分别注明聚光、散光时的光束角和光场角以及光束效率和光场效率的数值（见）。 灯具的效率是指光能利用率，也就是说，光源发出的光能，有多少变成了我们有用的光能，通常叫做有效光通量。 灯具效率是一个极为重要的指标。 灯具选用的不合理，会造成极大的浪费。如果工程中增加1万元的灯具费用，则总投资会增加5万元左右。这是因为，增加灯具后，不但电缆、变压器要增加，空调设备也要随之增加。 三、照度计算在工程设计中，为了验证工作面上的照度是否符合国家或行业规范的要求，为了满足应用场所计算点的各种要求，就需要进行照度计算。下面介绍几种计算方法。 大家知道，光源发出的光通量，一部分直接投射到工作面上，有一部分首先投射到墙面或顶棚上，其反射光的一部分再落到工作面上。这就有一个光源发出的光通量利用了多少的问题。根据照度计算的公式，再根据多年的使用经验，总结出各种条件下的利用系数。这些利用系数越接近实际情况，其计算结果越准确。利用系数法的计算公式如下：N一一光源数量Y光源光通量，lmU一一利用系数K一一灯具的维护系数A工作面面积，m2在进行方案设计或初步设计时，需要估算照明用电量。由于是估算，对计算结果要求精度不高，用此法可以快捷地得到结果，因此使用较为普遍。其基本计算公式如下：P0照度为11x时的单位容量，W/m2应用利用系数法和单位容量法时，为了方便工程设计人员的工作，尽量提高计算的准确性，相关的照明设计手册上都列表给出了各种系数，大家可以根据实际情况选用。 实际应用中，有些场所对水平照度要求高，有些场所对垂直照度要求高，有些场所对照度的某个分量要求高，这时就要用逐点计算法进行计算。逐点计算法基本公式就是平方反比定律，艮即一一一一计算点的发光强度，cd R―一计算点距光源的距离，m在实际应用中，根据计算要求的不同，可以推导出各种各样的计算公式。值得注意的是，逐点计算法的基本条件是光源必须是点光源。当光源发光面较大，距计算点较近，即光源不能看成点光源时，应把发光面划分成许多小的发光面，用这些可以视为点光源的发光面再按点光源的公式进行计算。 由于逐点计算法比较复杂，计算量也很大，因此现在通常都用相关软件在计算机上进行。 四、电光源和灯具的选用选择光源时，应严格按照国家和行业的规范操作，同时做到按国家和有关部门的政策和规定办事。首先应选择那些效率高的光源和灯具，如果对光源颜色有较高要求的场所，应在满足光源显色和色温要求的前提下，再考虑高光效的光源和灯具。目前，小功率的金属卤化物灯己经使用了一段时间，其显色好、色温可选、光效高、寿命长，是一种较理想的光源。 选用灯具时，注意选择较合理的配光曲线。有的场所要求有较高的水平照度，有的场所要求有较高的垂直照度，有的场所要求有较高的柱面照度。对于要求不高的场所，可以用利用系数法计算；对于上述要求较高的场所，应该使用逐点计算法计算。 夜景照明和主题公园照明在整个照明中所占比例越来越大。而建筑物的夜景照明又占有显著的地位。做好建筑物的夜景照明应注意以下几方面：夜景照明在做建筑方案时就要和其它专业特别是建筑专业配合。就照明专业而言，照明色彩的运用要有合理的内涵；建筑物墙面的照度大小要考虑到环境照度；照明灯具的位置要合理、要隐蔽等。事实上，北京己出现一批具有深刻文化内涵和视觉效果好的建筑物夜景照明。它美化了北京的夜景，是两个较好的夜景照明效果。 总之，要做好照明设计工作，必须深入地了解光源及灯具的特性。光源和灯具的这些特性是照明设计的基石。正是这些基石，构筑了情调各异、丰富多彩的照明作品。