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节能新颖的道路照明

北京照明电器协会 发布时间：2007-01-05 00:00

采用适度视场条件下、与不同亮度水平相对应的数个光谱的光视效率函数，计算纳米陶瓷阴极灯、金属卤化物灯、高压钠灯和高压汞灯等四种气体放电光源在暗视觉到明视觉亮度范围内对应不同亮度水平时的有效光效系数，从而剖析、评价不同光源在不同应用条件下的道路照明中的适宜性。
1、综述
道路照明对降低夜间交通事故的发生几率有着重要作用。多年来相关研究表明，电光源的色温为５０００K时的照明效果最佳。据世界卫生组织权威统计证明，良好的道路照明可以减少约３０％的夜间交通事故的发生。道路照明用电在一个国家照明总耗电中约占２０％~３０％。而光源的选择，对道路照明的安全和节能都有着重大影响。
纳米陶瓷阴极光源是一种由永久性的陶瓷材料制成的阴极发射电磁波点燃其管壁上的荧光粉发光的电光源专利技术产品。中国江苏省科技情报站最新调查结果表明：纳米陶瓷阴极电光源技术改变了传统的电光源技术原理、材质与构造，大幅度提高了灯管的亮度、显色性，延长了其使用寿命，在这之前国际尚无此先例。
在此专利技术之前，我国的道路照明采用高强度普通气体放电灯。如：高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯。纳米陶瓷阴极道路灯与这些高强度气体放电灯相比，具有更高的光效、显色指数，以及更低的能耗和更长的工作寿命（如下表所示）。
表中对比结果表明，纳米陶瓷阴极灯的耗电量不到其他光源的一半，但有效光效却是其他光源的2倍以上。尤其是高达85的显色指数说明使用纳米陶瓷阴极灯作为道路照明灯，不但可以节约大量能源，而且还可以有效地改善照明环境。
人类在长期的生产生活实践中习惯在日光下辨认颜色，尽管日光的色温和光谱能量分布会随着自然条件的变化而变化，但人眼的辨认能力依然是较为准确的。这是人们在长期实践中对颜色形成了记忆的结果。随着照明技术的发展以及许多新光源的开发和利用，人们得以经常在道路上不同的视觉环境下辨认颜色。
虽然有些灯光的颜色与日光很接近，如：荧光灯、汞灯等，但其光谱能量分布却与日光有很大的差别。纳米陶瓷阴极道路灯锐利、明亮的技术特性，使道路灯的使用寿命超过了30000h，成功地解决了传统道路灯使用寿命短、显色性差等问题，是道路灯光源的换代产品。用纳米陶瓷阴极制造的道路灯取代通常使用的高强度气体放电灯，在节电５３％的情况下寿命延长了１．５倍。
同一物体在不同的光源下会使人眼产生不同的色彩感觉，而在日光下物体显现的颜色是最准确的。因此，可以用日光标准作为参照，将人工光源作为待测光源与其进行比较，显示同色能力的强弱叫做该人工光源的显色性。为了检验物体在待测光源下显现的颜色与在参照光源下显现的颜色相符的程度，采用“一般显色性指数”作为定量评价指针。显色性指数的最高值为１００。例如，在日光下观察一幅画，然后拿到高压汞灯下观察，就会发现画中某些颜色已变了色。如粉色变成了紫色，蓝色变成了蓝紫色。所以在高压汞灯下物体失去了“真实”颜色。如果在黄色光的低压钠灯底下进行观察，则蓝色就会变成黑色，颜色失真更为厉害，显色指数会更低。
通过对新光源纳米陶瓷阴极道路灯的研究发现，除连续光谱的光源具有较好的显色性外，由几个特定波长色光组成的混合光源也有很好的显色效果。如由４５０ｎｍ的蓝光、５４０ｎｍ的绿光、６１０ｎｍ的桔红光以适当比例混合所产生的白光，虽然为高度不连续光谱，但却具有良好的显色性。
我们知道光源的显色性是以一般显色性指数Ｒａ值区分：Ｒａ值为１００~７５，表示显色性优良；７５~５０表示显色性一般；５０以下则表示显色性差。显色性和色温是光源的两个重要的颜色指针，色温用于衡量光源色，而显色性用于衡量光源视觉质量。若光源色处于人们所习惯的色温范围内，则显色性是评价光源质量的更为重要的指标。
这是因为，显色性直接影响着人们所观察的物体的颜色。理想的自然白光在理论上由红、绿、蓝三种色光构成，三种色光的比例为１∶１∶１。人工光源所发出的光，可以通过红、绿、蓝三种单色光按不同比例混合匹配产生。这种用来匹配某一特定光源所需要的红、绿、蓝三原色的量叫做该光源的三基色，也叫做该光源的三刺激值。之所以有些光源偏黄、偏暖，有些光源偏冷、偏青，就是因为光源的三刺激值分配不均造成的。
从节能的角度考虑，选择光源首先应考虑的是其光效，但从安全的角度考虑，选择光源更重要的是考虑其显色指数。在以往道路照明中推荐选用高压钠灯，主要是因为其具有约１１０lm/W的高光效。但这里的光效是明视觉条件下所得的数据，随着亮度水平的降低，人眼的视见函数会发生普尔金耶偏移，若用明视觉条件下的光效来评价道路照明条件下光源的效果，则会产生一定的误差。近来，有人根据人眼视觉神经的特点，提出在周边探测中，当照明水平及其他条件都相同时，纳米陶瓷阴极灯要比金属卤化物灯、高压钠灯有效，此结论通过反应时间实验得到了证实。
根据纳米陶瓷阴极灯和金属卤化物灯、高压钠灯的相对光谱能量分布与人眼视见函数的比较，定性分析了随着亮度水平的下降，光源的光效将发生的变化。接着采用直接异色亮度比较法，根据在１０°Ｘ视野范围内测得的不同亮度水平下的视见函数，从理论上计算纳米陶瓷阴极灯、金属卤化物灯、高压钠灯和高压汞灯在某一特定亮度下的有效光效，并将有效光效与标称光效（产品目录上列出的明视觉光效）相比，得出的被比值称为有效光效系数。在理论计算的基础上，我们将视野作为评价驾驶员周边探测能力的量进行了实验，通过模拟夜间驾驶条件，比较了在纳米陶瓷阴极灯和金属卤化物灯、高压钠灯三种光源照明的条件下受测者视野的变化。实验结果证实，对于周边探测的影响，纳米陶瓷阴极灯要比金属卤化物灯、高压钠灯有效。该结果与有效光效系数的计算值基本吻合。
2、光效计算
光谱的光视效率函数Ｖ（λ）是视觉的基础，目前通行的光度学参数都是在明视觉２°视场条件下，采用光谱的光视效率函数计算出来的。为了更严谨地表述，我们把采用相应亮度水平下的中间视觉函数计算所得的光效称为有效光效。
若光源的光效为η，光源的光通量为Φ，可按（１）、（３）式计算：
η＝ΦＷ（１）
Φ＝∫７８０　３８０Ｋ（λ）Φｅλ　ｄλ（２）
Ｋ（λ）＝ＫｍＶ３（λ）（３）
式中：
Ｗ——光源的额定功率；
Φｅλ——光谱辐射通量，即单位波长间隔内的辐射通量；ｄλ是可见光范围内的单位波长间隔；
Ｋ（λ）——绝对光谱光视效率函数，即光通量与辐射通量的比值；
Ｋｍ——辐射的最大光谱光视效能；
Ｖ３（λ）——（相对）光谱光视效率函数。
通常，光源的光度学参数是在明视觉亮度水平下对应于视野中央凹２°的值。但夜间道路照明水平处于中间视觉，而且视觉任务也不仅限于中央凹区域。在中间视觉范围内随着亮度水平的变化，人眼的绝对光谱光视效率函数会发生相应的变化，即Ｋｍ和Ｖ３（λ）会同时发生变化。这样，在公式（３）中，Ｖ３（λ）取明视觉条件下中央凹２°的值就不准确。
对某一特定亮度水平下光源的有效光效，应采用相对应亮度水平下的光谱光视效率函数来计算。在中间视觉范围内，亮度水平从明视觉向暗视觉过渡时，光谱的光视效率函数曲线的形状和最大光谱的光视效能Ｋｍ都存在连续变化的现象，曲线的峰值所对应的波长从５５５nm向５０５ｎｍ移动，最大光谱光视效能（Km）也从６８３lm/W－１上升到１７００lm/W－１。
至今，国际上关于中间视觉光通量的计算方法尚未统一。有不少学者已经测得了一些有效的中间视觉函数，但只能用于一级近似。
由（１）、（２）式计算出有效光通量和有效光效，为了便于应用和分析，我们提出了有效光效系数ＬＥＣ（ＬＥＣ＝某亮度水平下的有效光效/光源的标称光效）的概念。利用ＬＥＣ可定量地评价某一光源在某一特定照明条件下的适宜性，从而为道路照明设计者选择适宜的光源提供参考。另外，ＬＥＣ也代表了在中间视觉亮度范围内，采用明视觉函数计算光度学量所存在的误差程度。所以，ＬＥＣ能为道路照明的有关实验提供理论指导。
3 光谱分析
３．１　纳米陶瓷阴极灯
纳米陶瓷阴极灯在蓝光、绿光和黄光部分都有较大的能量输出，而且在可见光范围内有连续光谱存在。因此，纳米陶瓷阴极灯在明视觉条件下的光效最高。当进入暗视觉时，纳米陶瓷阴极灯能量输出的某些峰值落在了Ｖ３（λ）曲线的高灵敏度区域，而且蓝光、绿光和黄光部分都有可观测的连续能量输出。通过计算显示，纳米陶瓷阴极灯的有效光效随着亮度水平的下降或提高会有所提高。蓝光、绿光和黄光能够根据环境需要进行合理搭配，这是其他光源目前还无法比拟的优势。
３．２ 金属卤化物灯
金属卤化物灯在明视觉条件下有较高的光效。当进入暗视觉时，金属卤化物灯能量输出的某些峰值落在了Ｖ３（λ）曲线的高灵敏度区域。通过计算显示，金属卤化物灯的有效光效，随着亮度水平的下降会有所提高。蓝光、绿光和黄光不能根据环境需要进行合理搭配，是金属卤化物灯的最大弱点。
３．３ 高压钠灯
明视觉下高压钠灯有较高的光效，这是由于它的主要辐射能量５９０ｎｍ正好在明视觉函数的峰值附近。但是，在较低亮度水平下，由于高压钠灯在蓝光和绿光部分５０５ｎｍ附近几乎没有辐射能量输出，所以有效光效就会明显减少。
３．４ 高压汞灯
荧光高压汞灯的发光原理类似荧光灯，它的优点是光效及寿命比白炽灯长，缺点是功率因数较低。荧光高压汞灯远看光色洁白，但灯光照在人脸上呈青灰色。所以，高压汞灯的显色指数偏低。它适用于不需要仔细辨别颜色的场所，这种光源目前已逐渐被高压钠灯取代。
4 有效光效
在一定的亮度范围内，根据（１）、（３）式计算纳米陶瓷阴极灯、金属卤化物灯、高压钠灯和高压汞灯的有效光效及有效光效系数的变化趋势说明，当亮度水平降低时，高压钠灯、金属卤化物灯的有效光效明显下降，而纳米陶瓷阴极灯的有效光效反而有所提高。如选取纳米陶瓷阴极灯、金属卤化物灯、高压钠灯和高压汞灯的标称光效为１０９lm/W、８０lm/W、１１６lm/W和５２lm/W，则当亮度大于０．１ｃｄｍ－２时，纳米陶瓷阴极灯的有效光效仍高于金属卤化物灯。
在暗视觉条件下，纳米陶瓷阴极灯的有效光效大约是金属卤化物灯、高压钠灯的１．２~２．３倍。当亮度小于１ｃｄｍ－２时，相对光谱能量分布对光效的影响才开始表现出来。此时，纳米陶瓷阴极灯表现出其他高压气体放电灯不能比拟的优势，这与中间视觉亮度范围（０．００１~３ｃｄｍ－２）的定义相符合。
5、视野实验
《视觉学》中可选择视野来评价人眼的周边探测能力，因为通常人类最早察觉的危险，都是在人眼的周边视野范围内进行的，然后才会用到人眼的中央凹视力。要避免事故的发生，这种最初的探测是十分重要的。我们做了相关的实验来探索光源的有效光效系数与驾驶员视野的关系，以此来验证上述理论。
５．１　测试方法及实验条件
实验变量受测者用双眼测量：背景亮度的均匀度应大于/等于９０％，环境亮度应小于/等于０．０５ｃｄｍ－２，视标的大小取２ｍｍ，视标照度为１５lx，背景照度为５lx，视标的移动速度恒定，受测者进行实验前的暗适应时间为１５ｍｉｎ，每个量测试１０次后取平均值。
背景光源：纳米陶瓷阴极灯、金属卤化物灯、高压钠灯
测试方向：选取１０人，年龄在２０～２５岁之间，无视力障碍和眼疾，分别在水平左侧和水平右侧进行测试。
视野表示周边视力，它是人眼视网膜黄斑中心凹以外的视觉细胞功能，被定义为当头部保持不动，同时眼球向正前方注视某一物体时所能见到的空间范围。实验时，视标随基地从两侧出现，并匀速向中心移动，受试者坐在视野计前，下巴放在颚架上，眼睛注视背景中心处的十字形亮斑，当探测到视标时，受测者就按相应的控制键，通过接口由计算机软件自动记录数据。
５．２、实验结果
根据对１０位受测者测得的共４００个数据的平均结果说明，左侧视野和右侧视野的变化趋势是一致的。取左侧视野和右侧视野数据进行分析得出：纳米陶瓷阴极灯条件下的左侧视野和右侧视野值比金属卤化物灯条件下高出了０．３°，比高压钠灯条件下高出了２．３°。即，在对应于夜间道路照明条件下的周边探测中，纳米陶瓷阴极灯比金属卤化物灯、高压钠灯更有效。
6、讨论
由于视野的测量属于心理物理实验，测试的先后、被测者的疲劳度、操作的熟练程度等因素都会影响测量结果的准确性。本实验采用合理的心理物理实验方法，消除了大部分误差，但由于只有１０位受测者，使得数据的最后结果受个体的波动变化较大。在背景亮度＝１ｃｄｍ－２时，由理论计算出纳米陶瓷阴极灯的ＬＥＣ＝１．０、金属卤化物灯的ＬＥＣ＝０．４７、高压钠灯的ＬＥＣ＝０．５３，证实了本实验的可信度。当亮度水平小于０．１ｃｄｍ－２时，纳米陶瓷阴极灯与金属卤化物灯、高压钠灯的ＬＥＣ差值逐渐变大，可以推测随着ＬＥＣ差值的变大，几种光源所对应的视野的差值也会越来越大，这可通过进一步实验加以证实。由于道路照明的亮度水平在０．１~２ｃｄｍ－２范围内，如果单纯从１０°视场的光谱光视函数去评价光源的光效，几种光源的有效光效并没有很大的变化，纳米陶瓷阴极灯的光效仍然处于其他光源之首。
令人欣慰的是，目前一些企业已经开始生产高光效、高显色指数、长寿命的１８８Ｗ纳米陶瓷阴极荧光灯，且在某些地方已经成功地取代了４００Ｗ的高压钠灯用于道路照明。纳米陶瓷阴极灯的有效光效比高压汞灯等光源高５０％，可达到１０９lm/W，可调低亮度至最大光通量的５０％，对昆虫的吸引力比高压汞灯小９０％，有利于生态保护。配用宽频电子镇流器，可以产生高效经济的近似白光（色温为５０００K）；与高压汞灯偏蓝、高压钠灯偏黄的光线相比，纳米陶瓷阴极灯的暖光色更加自然，且无眩目。由于使用寿命长，实际使用费用低于传统高压钠灯。与标准钠灯相比显色性更好，显色指数（Ｒａ）最高可以达到８９，适用于对光、色性能要求严格的高速公路等场所的照明。通过这一科学实践，证明了纳米陶瓷阴极灯用于道路照明的灿烂前景。(肖峥 )

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