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哈工大电子电工学论文——绿色照明(姜三勇)


多学时电子技术专题报告
时间:2016 春季学期 班级:1408502 学号: 姓名:

关于绿色照明电源
摘要:阐述了绿色照明的经济效益和环境效益,世界主要发达国家及中国绿色照明计划及进展,论述了国 内实施绿色照明计划存在的问题及主要技术措施。 关键词:绿色照明,经济效益,理论模型,技术措施

一、“绿色照明“的提出及发展现状
“绿色照明” 概念的提出源于上世纪九十年代初的美国,1991 年美国环保局 (EPA)提出 了一项提高 照明用电效率、节约电力、减少空气污染的行动计划 , 被形象地命名为 “绿色照明计划” 。其主要做法 是以政府与私营单位签订自愿协议的方式 , 在任何有成本效益的地方用高效节能照明器具替代传统低效 的照明器具 , 采用科学的照明设计和照明控方法 , 提高照明用电效率和照明质量 。 作为当时一项独具 特色的节能行动计划 , “绿色照明” 在美国取得了前所未有的成功 , 很快得到了国际社会的广泛认可 和积极响应。从此 , “绿色照明” 一词即成为照明节电的代名词 。 “绿色照明” 经历了二十多年的探 索和实践 , 现在已在全球范围内产生了巨大的经济效益和社会效益 , 被国际社会视为推动节能 、 保护 环境的最有效措施 。 【1】 1996 年 EPA 与美国能源部(Department ofEnergy, 简称 DOE) 联合起来推广经能源之星标志认证的 产品, 认证范围也逐渐扩大到包括新建房屋、商业与公共建筑、民用空调设备、办公设备、照明系统和其 他家电等。随着能源之星发展成为一个系统的建筑节能计划, 绿色照明(Green Lighting) 和所有经认证 的产品都使用新的标志———能源之星。这一标志 使消费者和商家更易于识别具有节能和环保功能的产品和服务。 《能源之星建筑指南( Energy Star BuildingManual) 》指出, 如果美国所有消费者和厂商都使用经能源之星认证的产品和建筑节能升级方案, 那么美国每年用于能源消费的支出可节约 2 000 亿美元。除了经济上的效益外, 能源之星的作用还体现在 减少污染和保护大气等方面。能源之星自实 施以来, 已减少了 640 万 t 碳化合物的排放, 并节约了 316 亿 kWh 的电能。 目前, 欧洲住宅照明耗电90TWh , 预计 存在30 % 的节电潜能。在德国汉堡, 启动了 一项计划,“为了气候环境, 更新照明设施, 在一些公共大楼,例如中学、大学、公厕、隧 道、剧院、博物馆等更新照明设施, 如用钠 灯更换隧道的荧光灯, 在法国的连锁超市, 用T5 更换400W 的汞灯, 在意大利的连锁超 市中安装电子镇流器, 根据天然采光进行调 光控制, 在一些超市安装T5 , 照度由900lx 减至700lx 。在荷兰, 安装可调光电子镇流器, 采用天然采
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光控制。在希腊, 同样采用电子镇流器。 中国绿色照明工程从1996 年启动至今,也取得了不小的成绩:专家测算,1996—2005 年,中国绿色照 明工程累计节电590 亿千瓦时,削减大量电网峰荷,相当于减少二氧化碳(碳计)排放1700 万吨,减少二氧 化硫排放53 万吨。同时中国绿色照明工程还带动了社会公众节能减排意识的提高。2008 年和2009 年共 补贴推广节能灯超过2 . 1 亿只,两年实际推广数量是原计划1 . 5 亿只的140%。我国城市居民家庭节 能灯普及率已接近9 0 % ,大型公共建筑节能灯普及率超过9 0 % 。通过高效照明产品的推广措施,广大 群众不仅照明节电意识显著提高,节能减排的社会意识和参与意识也明显增强。【2】

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二、绿色照明灯的经济效益分析
但事实上绿色照明工程实施的进度和效果取决于节能明产品推广应用的范围和速度 ;而节能照明产 品能否广泛、迅速地被用户接纳采用 , 取决于其能效水平(节电能力)和能否给用户带来相应的经济利 益 。 消费者购买高效节能照明产品一般会产生两 个方面的影响 :一是购买成本的上升 ;二是使用 成本的下降。衡量节能照明产品对消费者的影响程 度,可以通过对其寿命周期的成本分析 、投资回收 期分析和节能成本的分析获得。可明确哪种节能照 明产品更经济合理 , 更容易被消费者接受采用 。

㈠、寿命周期成本分析寿命周期成本 (LCC)是购买产品价格(PC)与使用产品成本(OC)之和 。寿命周

期成本按公式(1)计算得出 : LCC = PC +OC = PC + 式中 :LCC——寿命周期成本 ; PC——购买价格,包括初始安装成本,如设备及安装人工费等; OC——使用成本,产品在整个寿命周期内考虑到折现因素后的使用成本,包括电 费和寿命期内更换光源的费用 ; OCt——寿命周期第 f 年的使用成本。包括电费和换光源的费用; r——折现率; N——寿命周期(以年计)。 (1)式中各参数说明如下: ①、灯具的寿命一般为 5 ~ 10 年;电感镇流器的寿命为 10 年;电子镇流器的寿命为 5 ~ 10 年;光 源的年寿命计算:N = L BHY(年),式中:L—光源的寿命(小时);BHY—每年的光源燃点时间(小时)。②、折 现是指节能照明产品未来(寿命周期)期间花费(节省)的货币值要低于目前同等面额的花费(节省)值 。因
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在同样的货币价值越低 。 ㈡、投资回收期成本分析 投资回收期是回收采用节能照明产品增加的投 资所需的时间。 投资回收期是购买价格(包括安装费) 的增加值与年使用的成本(包括安装)下降值的比。 投资回收期的计算见公式(2): PAY = (2)

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此在计算回收投资资金时应考虑回收资金的折率。投资与回收期间隔的时间越长,所回收的货币价值比现

式中 :PAY ——投资回收期,(年); △PC ——增加的购买价格,(元); △E ——年节约用电的费用,(元); △LRC ——每年换光源减少的成本,(元)。 如果投资回收期长于产品寿命,就说明所降低的使用成本不足以抵消增加的购买成本 , 用户的经济 利益将受到损害,也就是说消费者买了这种产品 ,就要花更多的钱来使用他 。因而该产品就丧失了市场的 价值。在回收期的公式中灯成本和电费是不考虑折现因素的。 ㈢、节能成本分析 节能成本是在产品使用寿命期间,在考虑到折现率的情况下,均以每年的成本增加值除以每年节省的 电量。节能成本的计算方法见公式 (3): CCE = (3)

式中 :CCE —— 节能成本; △PC ——成本增加值 ,(元); △E —— 年节省的电 量 ,(kWh); △CRF ——每年投资资金回收 率; CRF = l PWF PWF ———现值系数 。 PWF= 式中 :n——寿命(以年计), 节能成本的单位是每千瓦时元(元 kWh)。 节能成本值不取决于目前的电费价格或未来预期的电费价格 , 只和节能产品的价格增量与能效水平 (节电能力)有关 。因而节能照明产品应不断改进完善 , 降低节能成本 , 才能在市场上得到消费者的欢 迎 。当节能成本高于用户支付的电费时 , 用户经济利益受损 , 反之 , 当节能成本低于用户支付的电费
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时,用户获得经济利益。节能照明产品在不断提高能效指标(即提高节电能力)的同时,努力降低产品的寿命 周期成本,缩短投资回收期,降低节能成本,才能得到消费者的认可和欢迎,才能广泛、迅速地得到推广应 用。 【3】

三、绿色照明光的舒适度理论模型
但是在推行绿色照明系统考虑经济效益的同时,还应该考虑到其对于使用者的舒适程度,视觉舒适度 的定量关系是绿色照明的理论基础。对于视觉舒适度这一重要概念,一种观点认为只要没有视觉不舒适就 可以了, 或认为将所有不舒适的因素都除去后 就得到视觉舒适。然后,从生理或心理上讲, 不舒适的关键感觉是疼痛和 麻木,由生理上 的刺激度来决定; 而舒适感来自于自我审美、 反映和豪华感等心理感受,是一个心理感觉 量。 以往一般推荐的标准是以无视觉不舒适感 为依据, 而不象设计师那样以视觉舒适为基本 出发点 【4】 由于影响视觉舒适度的因素很多, 其主要 因素有光环境(如运动场、会客厅、卧室等)、 照度、色调、年龄等,因此在建立视觉舒适度的数学模型时,必须考虑视觉舒适度是心理感觉量和由多因 素决定的这两个特征。考虑到视觉舒适度是心理感觉量则其数学模型必须以韦伯—费昔勒定律为基础。考 虑到视觉舒适度是多因素决定则其数学模型必须与实验数据吻合,并且能够反映出多因素性。 用 Z 表示视觉舒适度,以百分率来衡量。E 表示照度,以勒克斯 ( lx) 为单位。为了体现视觉舒适 度以韦伯—费昔勒定律为基础,数学模型中应该以 lnE 为基本函数。为了体现视觉舒适度的多因素性, 数学模型中视觉舒适度 Z 应该为 lnE 的幂级数展开式,即: Z = 其中 + 、 + ? +?+ +?(4)

由实验数据确定,体现出视觉舒适度的多因素性。究竟 n 取多少公式(1)就能比较准

确地与视觉舒适度的客观规律吻合呢?下面以文献【5、6】中得到的住宅起区室照明中视觉舒适度与照度 关系为例来说明式(1)中 、 ? 的确定。

文献【5、6】中得到的住宅起居室照明中四种光环境下视觉舒适度(文献【5】中称满意度)与照度关 系的实验数据由表 1 至表 4 列出。 表 1 起居室一般情况光环境 ( 暖色调)的视觉舒适度与照度关系的实验数据照度 照度 ( lx) 视觉舒适度 ( % ) 50 26 60 30
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75 49

100 89

150 77

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表 2 起居室一般情况光环境 ( 冷色调)的视觉舒适度与照度关系的实验数据 照度 ( lx) 视觉舒适度 ( % ) 50 26 60 27 75 30 100 60 150 77

表 3 起居室会见客人光环境 ( 暖色调)的视觉舒适度与照度关系的实验数据 照度 ( lx) 视觉舒适度 ( % ) 100 27 130 41 150 50 200 90 300 80

表 4 起居室会见客人光环境 ( 冷色调) 的视觉舒适度与照度关系的实验数据 照度 ( lx) 视觉舒适度 ( % ) 100 10 130 21 150 30 200 70 300 85

由表 1 中起居室一般情况光环境 ( 暖色调) 的视觉舒适度与照度关系的实验数据确定出的 3 次幂 公式和 4 次幂公式为: Z=274.433-189.763+43.4848 Z=-818.128+797.869-290.387 -3.29554 +46.7308 (5) -2.80333 (6)

式 (5) 中用 4 组实验数据来确定其 4 个系数,式(6)式中用 5 组实验数据来确定其 5 个系数。由式 (5)和式(6)绘出的视觉舒适度随照度的变化曲线,如图 1 和图 2。在图 1 和图 2 中,圆点为文献【5、6】 中实验数据点,曲线为数学模式绘出的曲线。

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图 1 视觉舒适度随照度的变化曲线(3 次幂)

图 2 视觉舒适度随照度的变化曲线(4 次幂) 由图 1 可知, 式(5) 绘出的曲线能够通过 4 个实验数据点。并且从 55 lx 到 120 lx 之间视觉舒适 度随照度的增加而增大,在 120 lx 附近出现了视觉舒适度的极大值,当照度继续增加时,视觉舒适度随 照度的增加而降低,这符合人的视觉舒适感的客观经验。这表明照度在 55 lx ~ 160 lx 范围内式(5)能 够较好地反映视觉舒适度与照度的客观规律。但是曲线在 45 lx ~ 55 lx 范围内出现了视觉舒适度随照 度的增加而降低情况,这和人的视觉舒适感的客观经验矛盾。因此式(5) 在 45 lx ~ 55 lx 范围内不能 反映视觉舒适度与照度的正确关系。 而由图 2 可知,式(6) 绘出的曲线不仅能够通过 5 个实验数据点,并在 45 lx ~ 160 lx 范围内都 和人的视觉舒适感的客观经验一致。因此 4 次幂公式是较理想的描述视觉舒适度与照度关系的数学模型 型,即: Z = + + + + (7)

这里还有一个问题需要解决,由式(4 ) 得出的视觉舒适度的极大值并不严格等于1,不同的光环境下 由式(4) 得出的视觉舒适度的极大值也不严格相等,这就不便于不同的光环境下视觉舒适度的比较。为了 解决这个问题, 对式( 4 ) 作视觉舒适度极大值的归一化处理,即用式(4 ) 中视觉舒适度的极大值Zm除 Z,得:

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= [ + + + + ](8)

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式(8) 是符合归一化要求的视觉舒适度与照度关系的数学模型,也就是绿色照明的定量理论模型。 上面以韦伯—费昔勒定律为基础,建立起视觉舒适度随照度变化的数学模型,为绿色照明的定量设计 奠定了理论基础。在此基础上可以得出绿色照明满足的视觉舒适度条件以及计算其照度的定量方法,进而 可以计算出四种起居室光环境下绿色照明的照度设计值。此照度值既消除了生理上的不舒适感,又兼顾了 使用者的心理需求,在起居室照明设计中具有广泛的适用性。更重要的是这种方法弥补了目前对绿色照明 凭借经验值设计的缺陷,使绿色照明设计有了科学的、定量的计算方法。【7】

四、电子元件在绿色照明中的应用
在确立了绿色照明的理论模型后,应该选用合适的电子元器件实现其设想功能,我国当前使用的主要 照明光源有:白炽灯(包括卤钨灯)、荧光灯(包括直管荧光灯、弄型管荧光灯、紧凑型荧光灯、无极荧 光灯)、气体放电灯(包括高压钠灯、高压汞灯及金卤灯等)、半导体灯等。其中白炽灯属低效光源,高 压汞灯因显色性差,汞含量高,环保性能差,已逐步淘汰。 我国当前绿色照明推广的是:用紧凑型荧光灯替代白炽灯;用细管三基色高效荧光灯替代粗管低效荧 光灯;用新型高效高压钠灯和金属卤化物灯替代高压汞灯、低效钠灯和卤钨灯;用电子镇流器或低耗能电 感镇流器替代普通高耗能电感镇流器。各类光源性能指标比较见表。 归类 光源种类 光 效 显色指数 色温(K) 平均寿命(h) 备注

(lm/w) (Ra) 白炽灯 白炽灯 卤钨灯 普通荧光灯 三基色荧光灯 紧凑型荧光灯 高频无极灯5 荧光灯 气体放电灯高压汞灯 金属卤化物灯 50 75-95 45 65-92 3300-4300 3000/4500/ 5600 高压钠灯 100-120 23/60/85 1950/2200/ 2500 低压钠灯 半导体 LED 白灯 200 20 >80 1750 5000-10000 24000 100000 推广 特殊用途 24000 推广 6000 6000-20000 淘汰 推广 15 25 70 93 60 0-70 100 100 70 80-98 85 85 2800 3000 全系列 全系列 全系列 300-400 1000 2000 10000 12000 8000 40000-80000 不推广 不推广 不推广 推广 推广 特殊用途

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绿色照明设计应遵循以下基本原则: (一)选择合适的高效光源 选用原则 (1)发光效率高。 (2)显色性好,即显色指数高。 (3)使用寿命长。 (4)起动可靠、方便、快捷、无频闪。 (5)性能价格比高。 (二)先用光利用率高及配光合理的灯具 (1)光的利用效率。光的利用效率即灯具对光源光通量有效的利用程度。利用率高则节能效果好。 (2)对高天棚和室外照明用大功率灯具,部分反射面采用多棱面组合,以减少光源本身的遮光程序, 可使灯具的光效提高8%左右。对室内照明的荧光灯具,亦在内部装以镜反射抛物面以及镀铝面反射膜的抛 特面格栅等。 (3)提高光源利用系数:即选择灯具效率高、配合适合房间室形条件(室形指数、室内各表面反射 比)的产品,一般情况下房间室形指数(RI) 大,选用宽配光灯具,小而高的房间选取用窄 配光灯具。 L 室形指数RI=W× ×(W+L) H W———房间宽; L———房间长; H———灯具至工作面高度。 (4)光质。防止眩光的品质及配光的合理 性,提高人们视觉工作效能。 (三)、镇流器的选择 镇流器是耗能器件,同时对照明质量和电能质量有较大影响。 3.1选用原则 (1)运行可靠使用寿命长。 (2)自身功耗低。 (3)频闪小,噪音低。 (4)谐波含量低(符合国家标准),电磁兼容性符合要求。 (5)性价比高。 (6)淘汰传统高耗能电感镇流器,优先选用电子镇流器或节能电 感镇流器。 3.2 镇流器的选用
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(1)直管(异形管)荧光灯镇流器,以T8,36W 为例,几类镇流器性能比较见表:

镇流器型

镇流器功耗

谐波含量比 (%)

功率因 数 05 05 >0.9 0.95

频闪

噪音

调光

使用寿命 (年)

价格

传统电感型 节能电感型 电子式(H 级) 电子式(L 级)

9 4.5-5.5 3.5-4 3.5-4

<10 <10 <40 <30

有 有 无 无

有 小 无 无

不可 不可 可 可

15-20 15-20 4-5 8-10

低 中 中 高

电子镇流器宜选用谐波含量低的L 级产品。 (2)紧凑型荧光灯由于灯内自带镇流器,一般无选择余地,由于国标规定的较为宽松,使用量过大 时,应考虑三次谐波对中性线电流的影响。 (3)金卤灯和高压钠灯功率大时,电子镇流器制造难度大,目前仍以节能型电感镇流器为主。 3.3 合理的照明设计 (1) 采用适合的高效光源及优质 灯具,改进照明布光方法。以求得合 理的照明方式,保障照明达到规定标 准。 (2) 初始照度的选择。 考虑到光 源在使用中亮度会随点燃时间的加长 而逐步衰减和灯具污染增回而光亮下 降,一般初始设计时照度应高于标准 30%。 (3)灯具与屋顶的悬挂垂度要适宜。一般灯具的与屋顶的悬挂垂度.3-1.5m,多取0.7m。在有行车的 车间里或吸顶安装的灯具,其垂度为零。 (4)布线应尽量减少迂回。避免电能损耗。三相负载应平衡,消除运行中的负荷不对称现象。 (5)有利于按工作需要分组开关灯。 (6)我国照明新标准规定了七类建筑最常用量大面广的房间或场所的照明功率密度最大允许值,即 LPD 最大限值,限定了单位面积照明功率的最大允许值,对照明设计提出了更高要求,照明设计量应逐个 房间或场所按使用条件和规定确定照度标准,选择光源、灯具、镇流器类型、规格,并计算平均照度达到 照度标准后,计算LPD 值不超过国标限定值。 (7)充分利用天然光能。可节电10%-70%。合理的窗墙比,隔热透光的节能门窗并与可以自动调光人 工辅助照明相结合。【8】 照明事业是光明和永恒的事业 ,而绿色照明的产生则是现代科技与自然的完美结合,既可以提高人类
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的照明质量,又可以起到保护环境、节约资源的目的,对于社会、经济、环保都有很重要的意义,所以我 们应该依托于现代的高科技不断的改善革新绿色照明技术,使得绿色照明技术更好的为人类服务!只要我 们大家同心协力 ,突破难关 , 依托科技 , 共创未来 , 就一定能在我国开创一个崭新的“绿色” 光明世 界 , 为人类的子孙后代保留一块净化的绿色大地 !

参考文献:
【1】刘虹、高飞.近年国内外绿色照明新进展【J】.照明工程学报.2006,17(2).6~10. 【2】郁 聪、康艳兵. 中国绿色照明工程“十二五”规划实施重点及相关建议【J】. 节能与环 保.2010.No.4. 【3】王松林. 浅谈绿色照明与经济效益【J】. 灯与照明.2008,32(1).46~48. 【4】杨世光. 室内照明还有研究课题吗.【J】.光源与照明.2004 (1) ,35 ~ 37. 【5】 张绍纲、张建平、张耀根、康斌生.住宅起居室照明的实验研究【J】.照明工程学报.2001, 12(2).11~ 18. 【6】左现广,邹勇惠,陈仲林.住宅起居室舒适照明研究【J】灯与照明,2003,27 (1) : 21 ~ 23. 【7】 刘沁, 张乘风, 刘启能. 绿色照明的理论模型及其定量设计 【J】 . 照明工程学报.2010,21(3).13~ 16. 【8】高学群. 绿色照明技术【J】.科技向导.2011,29.102~103.

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