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在城市夜景照明中应用LED的思考

导读: 城市夜景照明广泛使用LED,但由于多方面原因出现一些消积影响,文章对LED的物理基础与工作原理、人们在夜景使用上的一些不正确认识、设计方法不当造成的不良影响、LED产品质量问题、LED在夜景建设与管理方面存在的问题等进行了讨论,建议了在城市夜景照明中正确运用LED的方法。

重庆大学建筑城规学院 杨春宇

摘 要:城市夜景照明广泛使用LED,但由于多方面原因出现一些消积影响,文章对LED的物理基础与工作原理、人们在夜景使用上的一些不正确认识、设计方法不当造成的不良影响、LED产品质量问题、LED在夜景建设与管理方面存在的问题等进行了讨论,建议了在城市夜景照明中正确运用LED的方法。

关键词:LED;夜景照明;存在的问题;方法建议

  LED照明在我国迅猛发展,已越来越广泛地应用到城市照明领域,如交通信号、应急照明、广告标识、商业步行街、建(构)筑物、城市广场、园林景观等,照明应用范围不断扩大。LED作为一种由半导体技术制作的电光源被称为21世纪新一代光源,因其具有节能、长寿命和环保等优势,人们普遍预测它将替代传统光源。通过863、攻关等一系列科技计划的支持,我国已初步形成了一定程度的LED产业链。改革开放使我国经济飞速发展,中国已成为世界第一大光源、灯具生产和使用国之一。随着国家对LED发展的高度重视和我国LED产业快速发展,中国有望成为世界LED生产主要基地和LED照明应用最大国家之一。目前,LED在我国城市夜景照明领域已开始普及,几乎全国所有大城市夜景照明都广泛使用LED,特别是我国有关部门已明确提出将以2008年北京奥运和2010年上海世博会为契机,推动半导体在城市景观照明的应用,这必将进一步推动我国的城市照明领域更广泛地使用LED。但是,我们应该看到,相当一些城市在夜景照明方面由于对LED的特性不了解,在夜景照明设计、施工及维护管理等方面出现许多误区,造成城市夜景照明使用LED效果欠佳,评价不高,特别是出现一些滥用LED现象,使城市夜景美感受到破坏,造成负面影响,导致了部分人对城市夜景照明使用LED产生怀疑,影响了LED在城市夜景照明中的声誉,如不及时加以解决,必将影响我国LED产业链的健康发展。

1. 当前LED在城市夜景照明应用中存在的主要问题

1.1 城市夜景照明使用者对LED的物理基础与工作原理不了解

   LED是一种直接将电能转换成光能的固体元件,又称发光二极管,其基本结构是半导体的基础单元PN结,PN结是携带电子的N层和携带空穴的P层两种半导体材料之间的过渡层。在PN结上加正向电压时,电流从P层(空穴层)流向N层(电子层),而电子是从电子层注入到空穴层,电子与空穴复合后产生了光。根据能量守恒定律每一次结合辐射一个光子,其能量为hv=Eg,可见光光子的能量范围为Eg=1.9 ev(红色)至Eg=3.0 ev(紫色)。一般而言LED材料的内部量子效率为10%~15%,其损失来自晶体缺陷与错位等材料缺点。LED晶片中的光子辐射仅是制造使用LED的第一步,PN结发出的光射向各个方向,光子射向晶片上表面时,大部分光子从界面内侧反射回晶片,仅1.5%~2.0%左右的光子可能逸出上表面。一个晶片共5个对外表面(上面和四个侧面),因此逸出的光子总计为7.5%~10%,其余90%以上的光子在晶片中被吸收掉,这是晶片在空气中的情况。把晶片嵌在折射率为1.5的环氧树酯中,光子逸出率将提高至20%~25%左右。发光效率低的原因是内部光子吸收,大部分光子不能逸出晶片表面而被折射回去,最终在内部被吸收掉,比较有效的晶片设计是形状为倒置的切去顶部的金子塔形晶片(晶片表面彼此处于非垂直状态)放在环氧树脂中制成的LED,外部量子效率已达到55%,还可更高。使用何种光源,发光效率是重要指标,白炽灯和卤钨灯发光效率为12~24 lm/W,平均15 lm/W。高效率荧光灯和HID灯发光效率为50~120 lm/W,平均约为75 lm/W。这些光源的缺点是仅把一小部分电能转变成可见光。LED从理论上讲其较换效率可达100%[1]。经过几十年的研究,LED效率提高很快。在半导体材料中,采用不同的元素掺杂,可以制造出不同的LED,其发光的不同波长会引起人眼的不同感觉。按人眼的判色习惯,LED可分为:紫光(波长为400~430 nm),蓝光(波长为430~470 nm),蓝绿光(波长为470~500 nm),绿光(波长为500~530 nm),黄绿光(波长为530~560 nm),黄光(波长为560~590 nm),橙色光(波长为590~620 nm),红光(波长为620~780 nm)[2]。由于有色LED的光谱窄,能量集中,发光效率高,光色色彩纯等优点,被广泛运用于城市景观照明中。

1.2 使用业主与政府夜景照明建设、管理部门在认识上存在误区

LED被广泛宣传为高效节能与长寿命等优点,这使人们产生一些误解,认为LED可以解决夜景照明中的所有问题了。据有关资料,到目前为此,小功率LED器件本身发光效率约为80~100 lm/W。大功率高亮度LED器件本身发光效率目前约为50~70 lm/W。(50 lm/W意味着仅把12%左右的电能转变为光,预计2012年可达150 lm/W,2020年可达200 lm/W)。LED单灯功率小,光效低,其驱动电路的功率损耗约占LED器件总功率的20%以上,(其它气体放电灯用镇流器功率损耗约占灯功率10%左右)[3]由于单个LED光源体积太小,光通输出量太少,对于夜景照明来说,往往需要成百上千,甚至上万颗LED光源组合才能代替常用照明光源,这就带来LED组合光源与LED灯具等问题。由于LED光源光束发射角小,光源方向性强也造成不是任何场合都适用LED作夜景照明。在使用寿命上,LED器件本身的理论寿命可达10万h[4],但在实际应用中影响LED寿命的因素太多也太复杂,除LED器件本身的材料、制造工艺、技术外,LED颗粒的组合、灯具的设计、控制驱动电路性能、配套元器件、散热、防水防尘、防紫外线及防高低温变化等众多因素和条件都影响着LED作为夜景照明灯的寿命。以理论寿命作为工程应用寿命的宣传,只能损害LED的发展。特别当一些使用业主和政府夜景建设管理部门被不当宣传误导对LED的期望值过高,而工程应用中又出现一些问题后,对LED产生的不信任感影响了LED在夜景照明中的应用。

1.3 城市夜景照明设计方法不当影响了LED的使用

   在城市夜景照明中应用LED已较为普通(特别是在一些大城市)。由于一些夜景设计者对LED的性能不是真正了解,在夜景照明设计中不根据被照对象、所附载体特征、功能及具体环境大量使用LED,造成有的城市仅靠LED进行夜景照明,出现夜景塑造手法单一,夜景单调,没有达到城市夜景应有的美感;有的在政府行政办公楼玻璃幕墙上采用矩阵满布方法,变幻各种图案,追光闪动的形态动感和艳丽的色彩,被误以为是夜总会;有的在医院大楼和环境、写字楼、住宅楼及小区用LED线状、点状光追光闪动,五彩缤纷变化多样;有的在重要建筑山墙、顶部用LED另加附一些构件造型组成图案,白天破坏建筑风貌,晚上改变建筑形态;还有一些在学府区、静溢区到处设置光色变化的LED,光怪陆离,造成严重的色光污染;有的在背景亮度很低的环境中使用众多高亮度LED造成对比反差太大的眩光;有的在交通信号灯附近使用色光变化的LED,造成驾驶员及行人的交通信号错觉等等。这些不正确的设计,给广大市民产生一种LED本身有错的误判,使一些城市对夜景使用LED失去信心,影响了LED在城市夜景照明领域的发展。

1.4 城市夜景照明用LED产品质量良莠不齐

   由于宣传的作用,人们对在城市照明中使用LED充满着美好的愿望。有的城市大范围使用,但在使用一段时间后,发现LED不是象宣传中所说的长寿命。有的大楼花费数百万元运用LED作夜景照明,但工程安装完后验收时就不正常,不是部分LED灯坏了就是控制系统出问题,多次改进,多次验收;有的大楼、护栏等使用LED后几个月就坏了不少,轮廓线不是断缺就是颜色变化异常,受到上级与群众批评,只好拆除LED换成其他光源灯具,损失巨大又产生极大负面影响;还有的在高架轻轨沿线安装LED,发生失火现象,迫使轻轨列车停运等等。在检查中发现,有相当部分夜景照明用LED存在严重质量问题。其中主要有如LED本身的材料、生产工艺等质量问题;有单颗LED组成多颗至数百颗形成灯具后的如防水、散热等一系列问题。有驱动电路性能品质等问题;有控制系统问题等等。这些问题影响了LED在夜景照明中的使用效果和质量,对LED在夜景照明中的应用产生了不良影响。

1.5 夜景照明运用LED在建设、监管与维护管理方面存在问题

   LED作为一种新光源运用在夜景照明中是一件非常好的事情。但LED有其自身的特点,由于相当一部分城市夜景建设管理者不了解这个问题,加上一些厂家、媒体不当的宣传,人们一度认为LED能解决夜景照明所有问题。如夜景照明耗能是一大难题;夜景多是室外,有各种极端气候问题;有高层超高层建筑夜景灯具更换难问题;有雨水、防尘等一列关系灯寿命的问题;城市夜景需要彩色、闪动变化光等问题。LED节能、长寿命、光色丰富变化多样,似乎LED正符合解决这些夜景照明的所有难题。因此,有一段时间,部分城市在夜景建设方面,只要是运用LED的夜景照明方案,管理部门都会认为是科技含量高的优秀方案会获得通过。在实施夜景过程中从购买LED产品到施工,进而在工程完工后运行中缺乏有效的LED质量审查、工程监督和运行维护这一系列管理机制,因为大家都相信LED具有全面的优点。当这其中任何一个环节出现问题,使用LED的夜景项目不能正常开启运行,或者出现与当初的设计效果图及夜景设计者描述的美好图景不相一致时,人们不是从上述多方面去寻找原因(一般也不可能去找),责怪的却是LED本身,认为LED不行。这给LED在夜景照明上的使用带来极大的打击,人们开始怀疑LED在夜景照明方面的作用。这对我国LED产业的发展带来不良影响。

2. 在城市夜景照明中正确运用LED的方法建议

   LED在我国发展极快,特别在夜景照明方面。LED埋地灯、水下灯、应急照明灯、庭院灯、各种标识灯、LED局部投光灯、LED线光源灯、LED点光源灯等等,为城市夜景工程增光添色起到了极大作用。特别是LED颜色好,耗能相对少、寿命相对长、电压低使用安全、无污染、抗冲击抗震性好、体积小便于隐蔽,适合见光不见灯的夜景照明原则等等,这些都为夜景照明使用提供了可选性。但夜景照明一定要根据LED的自身特点进行选择。在设计上,有的建筑山墙、顶部等需要较大面积投光或展现其构造形体的地方,一般不要用LED,目前LED没有泛光照明的优势。在需要较宽光束角照明的地方也不要强用LED,因为LED光源光束发射角小,光源方向性太强,在一定角度内几乎没有多少光,LED适用于轮廓、点光源或玻璃幕墙内矩阵组合成图案,商业场所,需要动感变化色彩丰富等的场所或载体。如有的建筑夜景适合其他光源与LED互相配合使用,更能衬托出LED的优势。如一些建筑局部需要投光照明,但一般灯体太大会影响建筑白天景观,这时就可以选用LED的投光灯,体积小,便于隐蔽这是其他光源投光灯不具备的优点。

   这些都需要在夜景设计与建筑管理等方面加强注意。如在审查夜景设计方案时就严把设计的审查关,对设计时不能充分发挥LED长处的夜景方案不予采用。在实施中,对购买夜景用LED严把质量关,我们不提倡只选购价格低廉产品,凡不符合质量要求的LED灯具等一系列配套设施设备及附件禁止购买,严把LED产品进货关。对施工过程中实行严格工程监理制度,凡不符合施工安装规范和要求的必须改正,杜绝不规范的施工安装行为。在施工完成后要严格实施验收制度,按照规范标准进行验收。在投入使用的LED夜景工程要建立运行维护制度,配有相应的维护人员,作好运行维护和平时检查记录,一旦发现问题,要及时维修排出,使LED夜景照明项目能正常运行,使运用了LED的夜景工程始终保持一种正常的运行状态,维护LED在夜景照明方面的使用信誉。

3. 结语

LED作为一种具有美好前景的新光源,虽然白光LED在满足功能照明替代其他光源还有相当长的道路,但在城市景观照明方面已显示出它强大的优势。LED具有节能、安全、环保、色彩丰富、寿命长、体积小、响应时间短等优点,非常适合城市夜景照明。只要我们对城市夜景照明使用LED加强正确的引导,采取正确的设计方法和扬长避短,随着LED各种性能不断提高,价格的下降,以及LED的应用研究进一步深入,有理由相信,城市夜景照明运用LED的又一个高潮即将到来。我们专业技术人员应该为这一高潮的到来做一些什么样的具体有效的工作,值得我们大家共同来研究。


参考文献:
[1] Roland Haitz.LED照明——半导体的又一次革命.第九届国际电光源科技研讨会译文集.灯与照明杂志社出版,2002.5:P385~394
[2] 零智远,杨世光.LED及其应用.照明科技论坛(北京)2005论文集,北京市照明学会等:P276~282
[3] 王大有.在夜景照明工程中应用发光二极管(LED)的几个问题的探讨,中国(天津)第二届现代城市光文化论坛论文集.2006.8:P168~173
[4] 北京照明学会等编.城市夜景照明技术指南.中国电力出版社,2004.12:P363~365
[5] 杨春宇.城市生态与光污染控制.城市问题.2002.2
[6] 杨春宇.城市夜间光环境规划的定量内容研究.绿色建筑与建筑物理.中国工业出版社.2004.10
[7] 杨春宇.重庆夜景建设效果与问题讨论.灯与照明.2002.6
[8] 杨春宇.中国城市照明建设研究.灯与照明.2004.3
[9] 杨春宇等.重庆市城市夜景照明技术规范.重庆市市政管理行业标准.2002.11
[10] 杨春宇.重庆夜景照明新进展.照明工程学报.2001.9
 
作者简介:

杨春宇,男,重庆大学建筑城规学院教授,博士学位,主要研究方向:城市光环境及城市照明。发表有关照明方面论文60余篇,获部省级一、二等奖二项,专利一项。主持参加国家自然科学基金项目二项(照明方面),国家博士点基金一项(照明方面),参加二项国家照明标准、规范和二项重庆市地方照明标准规范编制,主持照明工程规划、设计项目数十项。
担任学术职务:国际照明委员会(CIE)组委会委员,中国照明学会副秘书长,中国照明学会室外照明专业委员会副主任,中国中照照明奖评审专家,建设部绿色照明示范工程专家组专家,中国照明年鉴编委,重庆照明学会理事长,《灯与照明》杂志主编。

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