２０１６年１２月第２０卷第四期 照明节能 摘要： 金属卤化物灯（以下简称金卤灯）在城市照明中得到了广泛的应用。传统金卤灯由于放电管采用的是石英材 料，在高温情况下会出现析晶现象，而且石英化学稳定性差、做成的电管腔体几何参数偏差大，从而导致金卤 灯发光效率和显色指数低、光源寿命短、光色一致性较差。这也导致金卤灯难以在更大范围内推广。目前，市 场上出现了一种以陶瓷代替石英作为放电管的新型金卤灯，其发光效率、显色性、光维持性、光源寿命等均有 较大的提高，而且其节能效果非常明显，它的出现和应用必将为城市照明的节能工作带来新的亮点。 关键词： 新型光源陶瓷金属卤化物灯城市照明应用 一、金属卤化物灯的发光原理 不在可见区，计算可知卤素原子因平均激发电位高而基本无 辐射损耗）；此时放电管中心的金属啄子浓度和尚素原子浓 电流通过气体时伴随有发屯现象，由此做成的光源被 称为气体放电光源 放电管内电流通过的气体是金属卤化物 蒸汽的灯就称为金属卤化物灯。 １、放电气体灯的种类决定了灯的发光效率和显色性 由于气 啄子都育本身固育的能级结构．不同气体放 电七源辐射出不同的特征光谱：如低气压汞蒸汽放电主墨辐 射２５３．７ｎｍ的紫外光，需利Ｉｊ｛荧爿三粉的转换形成荧光灯；高 压汞蒸汽放电主要辐射蓝绿光，缺少黄光红光；高压钠蒸汽 度高于管壁处，同样因浓度梯度扩散至管壁处并复合成金属 卤化物分子．避免了金属元素与管壁材料的高温化学反应， 并如此周而复始。这钟冈工作气『本是金属由ｆｔ物而形成的灯 被称为金臂卣化物灯（简称金卤灯）。 ３、金属卤化物灯的优点 金卤灯中可填屯彰至７～８种不同的金稿尚化物，不 同金属辐射不同的特征光谱：选择可辐射出 跟敏感的七谱 放电辐射黄色光，人［Ｊｆ｛对黄色光敏感，故钠灯发光效率高 （如黄光）的金属卣化物，可得到高的光效；选择可同时辐 射多种颜色光谱的金属卤化物的组合，可得到高的显色指数 （如Ｒａ≥９５） 、因此金南灯具有高光效和高显色性的双重优 点。 在现代化厂房、商业照明殁电观转播照明等要求真实体现被 照物 客观色彩的场昕，光源最好具有与太阳光一样的输出 七谱，这样寸有好的显色性。照明界规定太阳光的显色本领 最大，并用卷数显色指数来表示其显色本领的强弱，其最大 值为１ Ｏ０。由于高压汞＿｝丁和高压钠＇２丁都仅辐射少数几种颤色 的光谱，其显色本领弱，显色指数分别仅为５０和２Ｏ左右， 即照明质量很差，人类长期在此种光源照射下没有舒适感。 ２、为什么灯内填充金属的卤化物 二、陶瓷金属卤化物灯的特’陛 金卤灯因放电管材料分别采垌石英或透明陶瓷而兮为 石英金卤灯和陶瓷金卤灯两类。 １、石英金卤灯的 缺点： 气 放电光源点燃时，放电管管壁上的最冷端温度决 定了放电腔内所充元素种类的饱和蒸汽压，即参与放电的气 本厚子数的导少。一般要产生足够高的光效，蒸汽压必须≥ ，ａ）石英在８５０。ｃ时 开始出现析晶现象，管 壁工作温度鼍，相 １ ＯＯＰａ（约千分之一大气压） 因石英等透明放电管材料的 热力学特性，灯工作时其管壁温度≤１ ２５０。Ｃ，否则灯 的寿命不能保证。除汞和钠元素以外，其它金属均难以在此 应形成的蒸汽压ｒ氐，参 与放电的金属厚子浓度 也低，发光效率和显色 管壁温度条件下形成≥１ ＯＯＰａ的蒸汽压；但当这些金属以卤 化物的形式填充时，金属卣化物的蒸汽压均可达上述要求 此时，在管壁处形成的金属卤化物分子依靠浓度梯度向放电 菅中心扩散，在电流流过的中心高温度分解成金属原子和卤 素原子，同时辐射出分解金属的特性光谱（卤素原子的辐射 指数提高有限； ｂ）石英材料的化 学稳定性差，向管壁扩 散的金属啄子总有少量 不被卤素啄子复合的部 ＠ 份会与石英反应而损失，灯的光衰大，色飘移严重；多出的 成果 卤素原子（金属元素，最易吸附电子）使启动电压不断上升， 灯的寿命偏短； 光是由人眼接收的，人眼的视网膜由大量的感光细胞 组成，分别为视杆细胞和视锥细胞。前者对４９８ｎｍ的黄绿 Ｃ）由于石英放电管靠烧融成型，腔体几何参数偏差大， 造成灯与灯之问的光色一致性差。 光敏感，且能感受微弱光，在黑暗环境下起主要作用；后者 对４３７ｎｍ的蓝光、５３３ｎｍ的绿光和５６４ｎｍ的黄光敏感，但 不能感受徽弱光，只在明亮环境下起主要作用。 陶瓷金卤灯就是为克服石英金卤灯的缺点而发展而来 的 ①明视觉（Ｐｈｏｔｏｐｉｃ） ２、陶瓷金卤灯的优点： 当环境亮度（如白天或室内照明条件下）大于３ｃｄ／Ｉｎ 时， 称明视觉，此时视锥细胞起主要作用，波长响应峰值为 ５５５ｎｍ； ａ）集高压钠灯和石英金卤灯的优点于一身； ｂ）发光效率比石英金卤灯提高ｌ ５名一２０％； ｃ）１ ５０Ｗ以下规格的光效高于同功率的高压钠灯，可 达１ ｌ ５流明／瓦； ②暗视觉（Ｓｃｏｔｏｐｉｃ） 当环境亮度（如无月光的深夜）小于ｌ Ｏ－３ｃｄ／ 时， 称暗视觉，此时视杆细胞起主要作用，波长响应峰值为 ５０７ｎｍ； ｄ）显色可达９５，比石英金卤灯的提高ｌ ０～２０，是钠 灯的４倍以上； ｅ）光维持性更好，燃点期间启动要求稳定； ｆ）灯与灯之间色差少．色漂移小（±７５Ｋ）； ③中间视觉（Ｍｅｓｏｐｉｃ） 当环境亮度（如夜间的室外照明或月光的晚上）介于 上两者之间时，称中间视觉，此时两种视觉细胞同时起作用， ｇ）色温可调，范围广，２８００Ｋ的灯红、黄、绿、蓝等 光谱丰富； 响应峰值在５３３ｎｍ处 目前灯的发光效率的测量和计算都采用图１中５５５ｎｍ 为峰值的Ｖ（入）值，而道路照明的真实环境下应使用 ５３３ｎｍ为峰值的Ｖ”（ ）值；图２分别为高压钠灯和陶瓷 金卤灯输出光谱与三种视见函数曲线的叠加图，钠灯的光谱 ｈ）单放电管灯的寿命达１ ５０００小时，最新产品可达 ２５０００小时 因此，陶瓷金卤灯被称为传统光源中的“白马王子”。 三、陶瓷金属卤化物灯的节能应用 １、在高显色要求场合的应用 陶瓷金卤灯兼有高光效和高显色性的双重优点，是传 统光源中光电性能最好的光源；显色指数高达９５，接近太 阳光（显色指数为１ Ｏ０），特别适用于要求真实体现被照物 体本色的场所，例如体育场馆、机场候机楼、大型厂房（汽 车制造车间、机库、钢铁厂等）和商业照明等，达到了提高 照明质量、保证生产安全、增加销售业绩和节能的效果。 分布贴近Ｖ（ ），所以光效高；陶瓷金卤灯具有蓝、绿、 黄多种光谱，更贴近Ｖ （入）。 ５０７ ５３３ ５５５ １ ／ ２ ㈠ ｜ ＼ 上．２、在道路照明中的节能应用 我国约有２８００万盏道路照明用灯，其中６０％的光源采 ２＿ ： ４００ ５００ ６００ ７００ 用高压钠灯，具有光效高，透雾性（黄光）好，寿命长 （２４０００小时）和投入费用低等优点，缺点是光色单调，被 照物体见形不见色 １．２ ￣ａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍ 图１光谱分布为５５５ｎｍ峰值的Ｖ（ ）值 ２０１ ０年６月２４日～２５日，在国家环资司举行 的“淘汰低效照明产品国际研讨会”上，欧盟代表宣布欧盟 １．０ Ｏ．Ｉ ●－● 国家和英国将从２０１ ２年开始在城市道路照明中逐步淘汰高 压钠灯，首选光源为陶瓷金卤灯。 Ｏ．● 为什么要淘汰发光效率很高的高压钠灯？究其原因， 一Ｏ．２ Ｏ．Ｏ 是晚间时刻高压钠灯的光效并非测量得到的那么高；二是 瑚‘∞枷瑚姗啪啪７３．瑚 ＾／ｒａｍ 鞭●弱枷啪湖枷蛳瑚瑚 随着社会进步，照明的质量（舒适度。且与人类健康有关） 要求越来越高，特别是城市中的道路照明。 ａ）中间视觉效应是国际照明界近一百年来的重大研究 ＾Ｉｎ 图２高压钠灯和陶瓷金卤灯输出光谱 与三种视见函数曲线的叠加图 雹 ２０１６年１２月第２Ｏ卷第四期 ｂ）晚问照明时，陶瓷金卤灯的光效是高压钠灯的两倍 显而易见，晚间使用时灯的实际光效与测量值不同 图３为不同视觉条件下几种灯的实际光效。 照明节能 表中平均亮度值为ＣＩＥｌ ３２０１标准中在明视觉下的要求 值，白光下的平均亮度值则是使用白光时通过用中间视觉状 态下所需的“等效亮度”，平均下降了２９％，即通过使用白 光照明降低要求值的标准，从而达到节能的目的。 国家绿色照明工程要求十一五期间实现照明节电３９０ 亿千瓦时，按２０ｌ ２年道路照明啊电１ ｌ ８４亿千瓦时计，采 用白光光源时按平均节电２５％计，一年节电就达２９６亿千 瓦时 国际照明巨头飞利浦公司和ＧＥ公司为此专门推出了用 于道路照明的陶瓷金卤灯Ｃｏｓｍｏ Ｐｏｌｉｓ系列和ＳｔｒｅｅｔＷｉｓｅ系 图３光源在中间视觉下的有效光效 由图可见，在两种不同环境亮度下同一光源的光效值 完全不同的，高压钠－２丁的光效从明视觉条件下的ｌ ２０１ｍ／ｗ下 列。表二列出了达到相同照明效果下的替代功率比对值 替换功率对应表 高压钠七丁 ７０Ｗ 表二 １ １ ０Ｗ Ｉ ５０Ｗ ２５０Ｗ ４００Ｗ ６００Ｗ ６０Ｗ ３３．３ 降至夜间条件下的７５１ｍ／ｗ，下降了３７．５％；而金卤灯的光效 陶瓷金卤灯 ４５Ｗ 相应从９０１ｍ／ｗ左右上升至ｌ ５０１ｍ／ｗ以上。 节能（％） ３５．７ ９０Ｗ ４０．０ ｉ ４０Ｗ ２１ ０Ｗ ３ｌ ５Ｗ ４４．０ ４７．５ ４７．５ 英国科学家莱文博士在其《光源光谱对道路照明的影 响》一文中指出，在夜间道路照明中，金卤灯的光通量利用 率是高压钠灯的４～８倍．也就是说，夜间一只ｌ ５０ｗ金卤 ＇２丁的照明效果至少相当于一只６００ｗ高压钠灯的照明效果， 既节约了电能，又提高了照明质量 ｄ）道路照明使用陶瓷金卤灯的其它好处 ①节能：如用１ ５０Ｗ陶瓷金卤灯替换２５０Ｗ高压钠灯， 节电率达４０％（未计算镇流器功耗的减少），在３０％的调光下， 光的颜色输出基本不变，通过智能控制可进一步达到节电效 果： Ｓ．Ｍ．Ｂｅｒｍａｎ博士在《白炽灯和高压钠灯下人眼瞳孔大 ②照明质量高，视野清晰，舒适感和安全感婕人们在 商业街上的停留时间增加，零售业绩倍增； ③突发事件下人的反应时间缩短，根据交通管理部门 的统计可明显减少交通事故； ④双电弧管结构的陶瓷金卤灯的寿命可达３００００ ｈｒｓ以 上，维护费用低； ⑤与高压钠灯具有互换性，替换经济、便利。 ｅ）实施案例 小的差异》论文中俘出结论，使用Ｒａ很小的高压钠灯时， 人眼的瞳孔会缩小，而白炽＇２丁下则相对放大，即达到同样的 视觉效果，显色性好的光源所需的照度大大低于显色性差的 光源。 我国老建筑手册中也规定，在教室中，白炽灯 （Ｒａ＝９９）照度为７５ｌｕｘ时，使用普通荧光灯时（Ｒａ＝６０）照 度值应达到１ ５０１ｕｘ ｃ）国际上已有的国家标准和实施方案 英国是一个多雾天气的国家，原道路照明普遍采用能 辐射透雾性强的黄七七源——高压钠灯和低压钠灯。基于上 述研究结果，为了节能，颁布了道路照明中使用白光的 国家标准ＢＳ５４８９—１：２００３，其中不同等级道路的平均亮度 值要求见表一。 欧盟国家的城市道路改造工程计划于２０ｌ６年前完成； 美国第二大城市芝加哥和韩国首尔城市道路照明也都已采用 陶瓷金由灯，其中首尔用量的近一半从浙江新光阳照明股份 有限公司采购，墨西哥也开始实施陶瓷金卣灯推广工程。 由于国产陶瓷金卤灯的性能和产品系刊化都己达到国 际同类产品水平，国内陶瓷金卤＇２丁在道路照明中的应硐已实 施了４年多，并取得了节能和提高照明质量的双重效果 主要案例有： 为英国对于使用白光在道路照明中的规定 表一 道路照明等级 ＭＥ１ ＭＥ２ ＭＥ３ ＭＥ４ ＭＥ５ 卜１Ｅ６ 平均亮度值 ２ １．５ ｌ Ｏ．７５ ０．５ ０．３ 浙江省海宁市全市２万多盏路灯９９％已改为陶瓷金卤 白光下的平均亮度值 １．６３ １．１ ６ ０．７４ ０．５２ ０．３２ ０．１ ８ 下降值（名） ｌ ８．５ ２２．７ ２６ ３０．７ ３６ ４０ 灯，用７０Ｗ陶瓷金卤灯替代１ ５０Ｗ高压钠灯，用ｌ ５０Ｗ陶瓷 金卤灯替代２５０Ｗ高压钠灯，用２５０Ｗ陶瓷金卣灯替代４００Ｗ 高压钠灯，光源自身平均节电率４３．５％（配套镇流器功耗也 相应下降）。上海闽行区辛庄工业园区、江苏靖江盈利港务 注：中国国家道路标准与英国标准的关系 ＭＥ２等同于一级道路（高速公路） ＨＥ３等同于二级道路（城市主干道） 码头货场、天津市滨海新区、南宁市、拉萨、台南， 韩国首尔等城市由于节电效果明显，得到了广泛采用 （下转第４１页） ＭＥ４等同于三级道路（蛾市次干道） ＭＥ６等同于四级道路（乡间公路、小街道） ２０１６年１２月第２０卷第四期 般来说光伏电池板分为单晶硅电池板、双晶硅电池 太阳能路灯 ＝ 一环境、天气等客观条件的影响明显，日照时长差异、辐射的 板、非晶硅电池板 单晶硅电池板主要由硅材料加工而成， 光电问的能量转换率较高，在２０％左右，材料价格比较高， 生产工艺流程复杂，不便于推广使用；多晶硅电池板用硅材 角度不同产生的能量转换效果也有很大的差异。 ２．由于生产加工太阳能光伏电池板所用材料成分不同， 生产成本也大小也是不同的，能量转换率也直接受制于材料 料相对较少，成本低，能量转换率也在１ ０％以上，不到 质量的影响，一般来说，国内硅材料电池板产生的光电转换 率只能维持在２０％之内，不适用大功率的照明设施需要。 ３．由于光伏电池板的光电转换作用不稳定，导致光电 控制器的作用也不稳定，所以也会导致开关灯时间有一定的 １ ５％，基本不会衰退；非晶硅电池板能量转换率只在１ ０％以 下，效果差，只能用在功率不高的非功能照明上 ２．蓄电池的基本作用：在光伏控制器的作用下将电能 有效地转换为化学能量并且储存好，在路灯开启时在再控制 器的怍用下，将化学能转换为电能，保证亮灯所需电源提供 的基本稳定 衡量蓄电池优劣的标准一般以能量密度和对环 境污染程度来评价 太阳能路灯蓄电池按生产用材料不同分 时差性。，例如，无锡市陆马一级公路太阳能路灯在最初新 建的前三年还基本稳定，三年以后由于整个照明系统各个环 节功能逐渐衰退，会导致开关灯时差较大，少则几分钟，多 则几十分钟，甚至更长。 为铝铅蓄电池、镍一镉蓄电池和镍一氢蓄电池等；铝铅蓄 电池的能量密度低，环境污染程度大，不适合推广；镍一 镉蓄电池的能量密度相对较高、但污染指数也高，也不建议 ４．由于太阳能路灯各个部件寿命不稳定，衰退严重， 整套路七丁系统运行复杂，到了一定年限后各个部件的隐患不 断出现，维护难度加大，各个电器元件的故障排查、解决问 推广使用；镍一氢蓄电池能量密度高、无污染，寿命也长， 适合开发使用 另外，蓄电池的能量容积也是衡量蓄电池推 广使用的主要因素之一。 ３．控制器的基本作用：控制器是整套路灯系统的大脑 中枢，对整套太阳能路＿２丁的运行起到稳定保护作用，主要是 题等维护作业工艺也很复杂，尤其像电池板、蓄电池的问题 尤其严重，成本高，投入大，直接影响了太阳能路灯良好运 行和寿命。以无锡市陆马公路太阳能路灯为例，３年后仅仅 蓄电池的更换就花费几十万元．． 小结：太阳能路灯作为绿色照明的一项科技产品，应 用前景广阔，潜力巨大，目前主要存在着部分生产技术工艺 材料不过关，光伏电池板的封装技术下过关和寿命较短、光 电转换率低等，存在着蓄电池的亏电和容量问题，存在着整 套路灯系统的防雷电保护、稳定性控制问题等；还有建设期 和后期维护投入的成本昂贵等问题 ，这些都需要今后有一个 整体的设计开发过程加以解决，太阳能路灯的优势才能被高 效率地应用。 控制有关能量问的转换、控制开关灯时机和时间、防雷电保 护及过压保护等 ４．逆变器的基本怍用：逆变器主戛将化学能转换为交 流电，供相应的交流电类型的太阳能路ｌ｝丁使用，同时也具备 一定的保护短路、保护欠流以及防雷保护等功能。 四、对太阳能路灯应用现状的基本认识 １．太阳能是自然光，虽然应用潜力大．但受客观地域 ｏ （上接第４５页） ３、建议 不能唯发光效率是问，我国环境污染亟待改善，节能 是国策。富人也直过节俭的日子，不能把可使用的东西（如 任何照明产品应充分体现其安全可靠性、健康舒适性 和节能经济性三大特性： 灯罩等）一概扔掉。为此建议从上鼓励推广陶瓷金卤灯 在域市道路中的应用，其效果为： ①安全可靠性：任何产品首先考虑的是其安全性，对 人体不构成伤害 ａ）陶瓷金卤灯的色温为２８００Ｋ±２００Ｋ，符合自然时辰 规律，舒适感强，绝不宜使用６０００Ｋ（中午太阳光的色温） 的光源。 ②健康舒适性：七源要接近太阳光色，才适应万物生长， 蓝光等高色温的产品对人眼视膜造成的危害有目共睹，我们 墨理性地看待任何光源产品 ｂ）陶瓷金卤灯晚间的实际光效大干ｌ ５０流明／瓦，且 光谱接近太阳光，节能的同时显著提高了照明质量 ⑧节能经济性：节能不节材（不节财），节能就毫无意义， 节能不环保更是失去意义。一个产品是否真正环保、节能降 耗，要看它这个产品的整个生产、制作和寿终处理过程是否 ｃ）陶瓷金卤灯的价格－ｂ高压钠ｌ｝丁的相差无几，安装尺 寸和发光中心与高压钠灯相同，可在不换灯具或只替换其中 老化了的旧反光器前提下替换，投入成本低。 ｄ）用于道路照明的陶瓷金由＇２丁为双放电管结构，两放 电管轮流燃点，灯寿命２５０００ ｈｒｓ以上，可使用５年以上， 维护费用低。 环保、节能降耗的。 目前很彰新装修的办公、居室将ＬＥＤ当成时髦和奢侈 品来使『｝ｊ．没有真正去考虑它们的经济性、实用性和舒适性。
