1 前言 “绿色照明”概念源于20世纪90年代初的美国,后来传播到世界许多国家,它是以提高照明效率、节约电力、保护环境为主要目标的照明节电活动,其主要做法是采用科学的照明设计和照明控制方法,选择高效节能照明器具替代传统低效的照明器具,以提高照明用电效率和照明质量。“绿色照明”运动的蓬勃发展主要受两方面的影响,一是近半个世纪以来照明新技术和新产品不断涌现,照明效率日益提高,为照明节电提供了技术保证;二是由于能源危机和全球气候变化等问题引发了全球绿色节能环保运动的兴起,促进了绿色照明运动的广泛开展。“绿色照明”运动经过十多年的实践,现已被国际社会公认为是实施可持续发展的成功典范。推广绿色照明工程就是逐步普及绿色高效照明灯具,以替代传统的低效照明光源。
1 前言
“绿色照明”概念源于20世纪90年代初的美国,后来传播到世界许多国家,它是以提高照明效率、节约电力、保护环境为主要目标的照明节电活动,其主要做法是采用科学的照明设计和照明控制方法,选择高效节能照明器具替代传统低效的照明器具,以提高照明用电效率和照明质量。“绿色照明”运动的蓬勃发展主要受两方面的影响,一是近半个世纪以来照明新技术和新产品不断涌现,照明效率日益提高,为照明节电提供了技术保证;二是由于能源危机和全球气候变化等问题引发了全球绿色节能环保运动的兴起,促进了绿色照明运动的广泛开展。“绿色照明”运动经过十多年的实践,现已被国际社会公认为是实施可持续发展的成功典范。推广绿色照明工程就是逐步普及绿色高效照明灯具,以替代传统的低效照明光源。
2 绿色照明的背景
2.1 正确认识绿色照明
无论是开始在美国提出的“绿色照明计划”,或者我国制订的《绿色照明工程实施方案》,都有其明确的宗旨和目标,并具有丰富的内涵。要实施我国的绿色照明工程方案,达到预期的目标,必须要使照明工程的设计、科研、生产维护专业人员,各行业、各地区、各企业事业单位的管理者,对绿色照明工程有比较全面的认识和正确的理解,懂得它是一项综合性的系统工程,需要从多方面采取政策手段和技术措施,才能凑效,对这个问题认识的简单化或片面的理解,都是有害的。笔者认为对以下几个问题需要有正确的认识。
(1)绿色照明工程要求人们不要简单地认为只是节能。而要从更高层次去认识,提高到节约能源、保护环境的高度对待,这样意义更广泛,更深远。有的地区、有的单位可能认为现在电力供应不那么紧张了,照明节电也不那么重要了,这种简单地理解,就是没有从环保的高度去认识节能,因为绿色照明工程提出的宗旨不只是个经济效益问题,而更主要是着眼于资源的利用和环境保护的大课题。通过照明节电,从而减少发电量,即降低燃煤量(目前我国70%以上的发电量还是依赖燃煤获得),以减少SO2,CO2以及氮氧化合物等有害气体的排放,对于世界面临环境与发展的课题,都有深远的意义。夜晚的伦敦和东京湾看起来都很美丽(见图1,图2),但是谁又能说出有多少电能照向了太空,造成不必要的浪费和环境污染。
(2)绿色照明工程要求照明节能,已经不完全是传统意义的节能,这在我国“绿色照明工程实施方案”中提出的宗旨已经有清楚的描述,就是要满足对照明质量和视觉环境条件的更高要求。因此,不能靠降低照明标准来实现节能,而是要充分运用现代科技手段提高照明工程设计水平提高照明器材效率来实现。
(3)实施绿色照明工程,不能简单地理解为提供高效节能照明器材,高效的器材是重耍的物质基础, 但是还应有正确合理的照明工程设计。设计是统管全局的,对能否实施绿色照明要求起着决定作用。此外,运行维护管理也有很多忽视的作用,没有这个因素,照明节能的实施也不完整。
(4)高效照明器材是照明节能的重要基础,但照明器材不只是光源,光源是首要因素,已经为人们认识,但不是唯一的,灯具和电气附件(如
镇流器)的效率,对于照明节能的影响是不可忽视的,这点往往不为人们所注意,比如一台带漫射罩的灯具,或一台带格栅的直管形荧光灯具,高效优质产品比低质产品的效率可以高出50%~100%,足见其节能效果。
(5)高效光源是照明节能的首要因素,必须重视推广应用高效光源。但是有人把推广高效光源简单地理解为推广节能灯(而这里的节能灯是专指紧凑型荧光灯),这是很不全面的,因为光源种类很多,有很多高效者应予以推广。就能量转换效率而言,有和紧凑型荧光灯光效相当的(如直管荧光灯),有比其光效更高的(如高压
钠灯、金属卤化物灯),这些高效光源各有其特点和优点,各有其适用场所,决非简单地用一类节能光源能代替的。根据应用场所条件不同,至少有三类高效光源应予推广使用。
第一类是以高压钠灯、金属卤化物灯为代表的高强度
气体放电灯(HID),适用于高大工业厂房、体育场馆、道路、广场、户外作业场所等。这类场所范围广,使用光源多(按光源总功率计更为明显),节能效果最显著,减少光污染如图3所示。
第二类是以直管荧光灯(以T8、T5型荧光灯为推广重点)为主,适用于较低矮的室内场所,如办公楼、教室、图书馆、商场,以及高度在4.5m以下的生产场所(如仪表、电子、纺织、卷烟等)。
第三类是以紧凑型荧光灯(包括“H”型,“U”型,“D”型,环形等)为主,替代
白炽灯,适用于家庭住宅、旅馆、餐厅、门厅、走廊等场所(见图4)。
显然,第二类灯不能应用于第一类场所,也不适宜在第三类场所推广应用,人们必须清楚地认识以上三类光源都要积极推广,但第一、二类场所范围更大,节能潜力更大,更有不可忽视的地位。有人只强调紧凑型荧光灯,把它夸大到不恰当的程度,甚至作出十分错误的估量;提出按我国生产白炽灯的年产量,以百分之几十替换为紧凑型荧光灯,再同白炽灯的耗电量作比较,竟然计算出年节电达300亿、500亿,甚至700亿千瓦小时的结论。这类似乎科学的计算,是在错误的假设基础上作出的,这类错误的结论将造成严重的误导,似乎只要多生产和应用紧凑型荧光灯,就可以实现我国绿色照明工程制订的目标,这就把一项复杂的综合性系统工程太简单化。
2.2 光源特性分析
高强度气体放电(High-intensity discharge,简称HID)灯泡包含了下列这些种类的电灯:水银灯、金属卤化灯(也称作HQI)、高压钠灯、低压钠灯、高压水银灯,以及较少见的短弧
氙气灯。这些灯泡种类的发光元件是一颗置于耐高温灯管(弧光管)内安定的电弧放电器,并有超过3W/cm2(19.4W/in2)的发光能力。
HID灯的种类:
(1)水银灯(CRI范围15~55);
(2)金属卤化灯(CRI范围65~80,陶瓷卤化灯则超过90);
(3)低压钠灯(CRI 0,因其单色光);
(4)高压钠灯(CRI范围22~75);
(5)白炽灯:白炽灯又叫作电灯泡,发光时,大量的电能将转化为热能,只有极少一部分可以转化为有用的光能,白炽灯的寿命一般为1000h;
(6)荧光灯:荧光灯又叫作日光灯,日光灯管是靠着灯管的汞原子,由气体放电的过程释放出紫外光。所消耗的电能约60%可以转换为紫外光。其它的能量则转换为热能,寿命约为2500~3500h;
(7)节能灯:节能灯又叫紧凑型荧光灯,具有光效高(是白炽灯泡的5倍),节能效果明显,寿命长(是白炽灯泡的8倍)等优点。它的工作原理和日光灯基本相同。一般来说在同一瓦数之下,一盏节能灯比白炽灯节能80%,平均寿命8000小时;
(8)LED灯:LED灯又叫发光二极管,可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片。LED灯具有体积小、耗电低、寿命长、无汞污染等诸多优点,好的芯片LED灯寿命长达100000h.
3 绿色照明的现状
3.1 国内绿色照明现状分析
“八五”开始接触乃至推行绿色照明;“九五”:绿色照明在中国起步。
1993年国家经贸委开始组织制订我国绿色照明工程计划,并在上海、广东、北京等地区试点实施。1995年中国科协组织中国照明学会、中国电工学会和中国建筑学会的专家就中国推进绿色照明工程之提案进行了论证。
1996年5月,国家经贸委宣布成立中国绿色照明工程领导协调小组,9月印发了《中国绿色照明工程实施方案》,在10月举行的“全国节能宣传周”活动上,“中国绿色照明工程”正式全面启动。
1998年起我国实施节能法,其中也包括照明节电。2000年国家经贸委、建设部、国家质量技术监督局联合制定并发布了《关于进一步推进“中国绿色照明工程”的意见》,提出了推动绿色照明工程的具体政策措施。
“十五”:绿色照明工程成效显著。2001年9月,国家经贸委(SETC)与联合国开发计划署(UNDP)和全球基金(GEF)共同组织的“SETC/UNDP/GEF中国绿色照明工程促进项目”正式启动。这是我国政府争取全球环境基金的重点项目,全球环境基金为本项目提供813.5万美元赠款,中国政府、国内企业、国际组织投入1806.5万美元,项目总投入2620万美元,项目执行期为4年,到2005年结束。中国绿色照明工程促进项目办公室负责项目具体工作。2002年初,国家经贸委、国家计委、财政部、科技部、国家质检总局等部门成立了中国绿色照明工程促进项目协调小组,通过加强部门间的沟通与协调来推动工程的实施。
该项目总体目标为:(1)通过降低照明用电节省电能,保护环境,到2010年实现照明节电10%;(2)推动提高国内照明电器产品的整体水平;(3)增进消费者对高效照明电器产品的认识和使用;(4)建立持续的有利于高效照明电器产品推广应用的市场环境,通过标准、认证,以保证照明电器产品使用时能源效率的可获性。
根据该项目的规划,2004年5月,国家建设部开始实施《节约能源-城市绿色照明示范工程》计划,目标是到2008年实现城市照明节电15%的目标,并且减少温室气体的排放,提高城市照明质量、改善城市人居环境。
1996~2005年,中国绿色照明工程实施10年后取得了明显成效:高效照明电光源产品国内销售量约10亿件,增长20倍;照明产品结构趋于优化,荧光灯与
普通白炽灯的生产比例由1:6.25上升到1:1.5;产品质量不断改善,紧凑型荧光灯产品产量合格率提高到95.1%,增长了1倍;高效照明产品保有量占全社会照明产品保有量的比例超过50%,用户普及率超过80%.专家测算,十年间中国绿色照明工程累计实现节电550亿kWh,相当于减少二氧化碳(碳计)排放1452万吨。2005年中国绿色照明国际会议暨第六届国际高效照明会议的成功举办说明了国际社会对我国绿色照明工程的肯定。
“十一五”:推进绿色照明工程。进入“十一五”时期,我国政府决定继续大力推进绿色照明工程,并且采取了一系列有效举措。
2004年11月,国家发展和改革委员会发布的《节能中长期专项规划》将照明器具列入节能重点领域。2006年7月,国家发展和改革委员会、科学技术部、财政部、建设部、国家质量监督检验检疫总局、国家环境保护总局等部门联合组织编制的《“十一五”十大重点节能工程实施意见》在全国节能工作会议上发布,绿色照明工程就是其中之一,其中有关的主要内容是:节能照明产品生产线技术改造;节能照明产品推广;采用LED照明产品,改造大中城市交通
信号灯系统,开展在景观照明中应用LED的示范等。
为此采取的配套措施包括:完善并实施照明产品能效标准,建立市场准入制度;加强照明产品节能认证,实施节能照明产品质量承诺制;强化绿色照明公众宣传,增加政府对绿色照明宣传的投入,建立绿色照明宣传的政府支持机制。
与此同时,国家建设部发布《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》。它提出的主要目标包括:以2005年底为基数,年城市照明节电目标5%,5年累计节电25%;灯具效率在80%以上的高效节能灯具应用率达85%以上;高光效、长寿命光源的应用率达85%以上。
它计划采取的重点措施包括:修订《城市照明管理规定》;深入广泛开展城市绿色照明示范工程活动;认真总结实施“中国绿色照明促进项目”经验,建立制订健全的能效标准、节能认证、能效标识的工作协调机制;2008年全面完成编制城市照明专项规划;深入开展绿色照明新型节能产品、新工艺、新技术等战略与理论研究;广泛深入持久开展绿色照明宣传,增强全社会的照明节能意识。
为克服绿色照明产品推广的市场障碍,中国政府出台了通过财政补贴方式推广节能灯的办法,对居民用户、大宗用户分别给予50%和30%的补贴。2010年,我们在全国范围内推广节能灯6200万只,2011年的推广任务是1.2亿只,目前这项工作正在各地组织实施。
而在LED照明发展方面,国家也适时开展“十城万盏”LED照明推广试点,目前已有21个城市进行LED照明试点,而最终将产生十个LED照明推广示范城市,这些城市的推广经验将向全国推广。
3.2 国外绿色照明现状分析
2007年3月,欧盟各国就提出在2009年之前,彻底终结“白炽灯时代”,使用节能灯。但欧盟对节能灯质量的标准近乎苛刻,有欧盟CE认证、WEEE指令、特别是RoHS指令中对有害物质含量有严格的标准要求。英国则在2003年通过加强国内立法、税收等手段,促进节能灯早日走进千家万户。而2007年以来,北美、澳大利亚均立法禁止使用白炽灯,推广节能灯。
由于废弃节能灯含汞对环境危害很大,国外对节能灯的回收处理工作也十分重视。美国环境保护法规定废弃物的原主人要对自己的废弃物永远负责,使得对高强度气体放电灯的处理也提到了议事日程。美国先锋公司已建立了废弃高强度气体放电灯的回收处理工厂,以购买新灯为代价,免费为消费者处理废弃高强度气体放电灯。日本是在荧光灯回收处理方面做得最好的国家,在北海道可以专门处理废弃电池和废荧光灯,收集的方式是93%通过民间环保组织收集,7%通过各厂家收集。瑞典和德国的回收则是采用销售体系回收和社区回收2个平行回收渠道。美国有7个州禁止将节能荧光灯泡直接放在常规的垃圾袋中,在美国其它州,在一年中均有特定时间处理废旧的节能荧光灯泡。
4 绿色照明的发展和趋势
近10年来,通过引进国外先进技术、消化吸收和自主开发,我国绿色照明行业总体技术装备水平明显提高,照明电器产品的质量不断改善。国家监督抽查显示,我国紧凑型荧光灯的产品合格率由1998年的49.5%提高到2003年的95.1%,平均寿命提高了4000h,涌现出了一批知名品牌。同时,我国高效照明产品市场需求量日益扩大,销售量大幅度增长,照明节电成效显著。根据抽样调查显示,2003年高效照明产品占全社会照明产品使用量的比例达43%,各类用户采用高效照明产品的普及率有了较高水平,其中工矿企业为73.7%,家庭用户为72.8%.经国内外专家测算,1996~2004年,国绿色照明工程累计节电450亿千瓦时,相当于900万千瓦的装机规模,削减了大量电网峰荷,相当于减少二氧化碳(碳计)排放1300万吨。
经验说明,政府引导是绿色照明工程取得成效的前提,而市场化运作是绿色照明工程持续健康发展的基础。国家必须采取综合措施,制定标准,完善法规,积极探索高效照明产品推广应用的新机制,促进高效照明产品市场健康发展。国家在《节约用电管理办法》中已明确提出照明节电的具体要求,有关部门还联合发布了《关于进一步推进“中国绿色照明工程”的意见》,先后组织制定了紧凑型荧光灯、双端荧光灯等6种高效照明产品强制性国家能效标准,加强了国家监督检查和开展节能产品认证工作,支持了一批高效照明电器生产企业技术改造和工艺技术水平、产品质量的提高。特别是在探索高效照明产品推广应用新机制方面有了积极进展,如开展高效照明产品大宗采购示范活动,选择北京、山西等8个省市和铁道部作为示范地区和行业,示范项目实施的采购成本平均降低了20%,在65家示范用户推广60.5万只高效照明产品,产品寿命期内可节电1亿千瓦时;选择在上海市和河北省采用电力需求侧管理运作方式,为78个用户安装了68万只高效照明产品,产品寿命期内可节电1.2亿千瓦时,削减电网峰荷1.4万千瓦,用户寿命期每千瓦时平均节电成本为0.037元,相当于照明平均电价的5.5%;推行合同能源管理机制,选择有资质的节能服务公司和照明产品生产商,组织国内外专家为其提供合同能源管理方面的业务指导和技术支持,成功实施了一批照明节电项目等。通过新机制的示范,带动了各地区加大推广高效照明产品的力度。
提倡绿色照明,包括生产高质量的绿色照明产品以及消费者树立绿色照明意识这两个方面的内容。
5 照明节电的相关分析
按照我国提出的“中国绿色照明工程”,照明节电已成为节能的重要方面,节电就是在保证照度的前提下,推广高效节能照明器具,提高电能利用率,减少用电量。
(1)科学选用电光源
科学选用电光源是照明节电的首要问题。当前,国内生产的电光源的发光效率、寿命、显色性能均在不断提高,节能电光源不断涌现,电光源按发光原理可分为两类。一类是热辐射电光源,如白炽灯、
卤钨灯等;另一类是气体放电光源,如汞灯、钠灯、氙灯、金属卤化物灯等,各种电光源的发光效率有较大差异,气体放电光源比热辐射电光源高得多。一般情况下,可逐步用气体放电光源替代热辐射电光源,并尽可能选用光效高的气体放电光源(见图5)。
高压钠灯光效是白炽灯的8~10倍,寿命长、特性稳定、光通维持率高,适合于在显色性要求不高的道路、广场、码头和室内高大的厂房和仓库等场所照明。
金属卤化物灯,具有光效高,显色性好、功率大的特点,适用于剧院、总装车间等大面积照明场所(见图6)。
荧光灯比白炽灯节电70%,适用于在办公室、宿舍及顶棚高度低于5m的车间等室内照明。紧凑型荧光灯发光效率比普通荧光灯高5%,细管型荧光灯比普通荧光灯节电10%,因此,紧凑型和细管型荧光灯是“九五”期间“中国绿色照明工程”实施方案中推出的高效节能电光源(见下表)。
在开闭频繁、面积小、照明要求低的情况下,可采用白炽灯。双螺旋
灯丝型白炽灯比单螺旋灯丝型白炽灯光通量增加10%.可根据需要优先选用。
(2)合理选择照明灯具
灯具的主要功能是合理分配光源辐射的光通量,满足环境和作业的配光要求,并且不产生眩目现象和严重的光幕反射。选择灯具时,除考虑环境光分布和限制眩光的要求外,还应考虑灯具的效率,选择高光效灯具。
在各类灯具中,荧光灯主要用于室内照明,汞灯和钠灯用于室外照明,也可将两者装在一起作混光照明,这样光效高、耗电少、光色逼真、协调、视觉舒适。
另外,在灯具设计上要采用合理的配光。如白炽灯的灯具在弧度上处理合理,照度不变的情况下可节电20%,荧光灯的灯具设计错开重光部分,可提高光效80%.
(3)合理选择照度和照明
选择照度是照明设计的重要问题。照度太低,会损害工作人员的视力,影响产品质量和生产效率。不合理的高照度则会浪费电力,选择照度必须与所进行的视觉工作相适应。工厂照明可按国家颁布的《工业企业照明设计标准》TJ31-79来选择照度和必要的照明质量,并综合考虑照明系统的总效率。
在满足标准照度的条件下,节约电力,应恰当地选用一般照明、局部照明、混合照明三种方式,充分发挥照明效果,但大多数情况下,混合照明效果较好,且工作面与环境差别不宜太大,其照度比以1/3~1/5为宜。一般情况下,当一种光源不能满足显色性要求时,可采用两种以上光源混合照明的方式,这样既提高了光效,又改善了显色性。另外,科学地安排光源分布,能获得满意的光照分布,更好地利用光能量。
充分利用自然光,正确选择自然采光,也能改善工作环境,使人感到舒适,有利于健康。另一方面充分利用室内受光面的反射性,能有效地提高光的利用率,如白色墙面的反射系数可达70%~80%,也能起到节约电能的作用。
6 新能源与新光源科技创新
6.1 固态照明发展提速
固态照明发展现状表明,比预想的发展速度大大加快。事实上,在我国开始倡导半导体照明的2002年,应该说仅仅是看清技术方向,当时半导体照明的流明效率约为35lm/W,介于白炽灯与日光灯之间,而价格比传统照明高两个数量级以上。美国提出的路线图虽期望2020年达到200lm/W,可根据当时做过的问卷调查,世界级专家答案多认为难以达到,更何况是市场渗透率。可是没经过几年,从科技层面来看,固态照明这场新照明革命的现实性已得到了肯定。
特别可喜的是没有一个国家像中国这样,照明市场如此广阔,政府如此关注,可以说中国LED产业链基本形成。新问卷调查结果普遍认为路线图目标不但可以完成,还可望超越,世界专家和业者都认为,中国将是固态照明节能显见功效的第一个国家。保守地预测,作为新照明引擎进入千家万户的普通照明,到2020年以LED适度发展方案情景估计,渗透率可望达到30%;若采用LED快速发展方案情景估算,50%以上是大有可能的(见图7~图8)。
半导体照明之所以得到重视是因为其节能环保的潜在能力,不过目前人们容易把半导体照明工程与LED产业混淆。建议更名为照明节能工程,把传统的节能灯具的创新和推广,以及自然光照明等纳入统一规划和实施视野之中。同时,鉴于OLED发展迅速,作为灯具引擎的光源,除半导体LED外应包括OLED,所以,建议按国内外学界和业界的共识和约定,称之为固态照明。同时,项目管理办法也建议从课题管理变为国家级工程管理,成立专门工程领导长期(10年)班子,特别沿用绿色照明工程成功采用的需求侧管理办法,以节能目标引导路线图的编制和实施。在技术与成本层面,攻破一切普通照明的瓶颈,逢山开路,遇水搭桥。
国家实施半导体照明工程以来,大大推动了我国半导体照明的发展,目前产业扩展顺利,投资踊跃。LED的上市公司,在金融危机中股价逆市而上,令人欣喜。我国目前LED专利大大增加,不过像硅衬底LED、新型电流阻挡层技术和稀土荧光粉等具有自主知识产权的核心创新技术还不多,用之形成生产能力并通过国际竞争形成效益则更是寥若晨星。因而政策导向,加大创新力度刻不容缓。
6.2 太阳能照明的发展
在室外照明中,太阳能照明的发展势头强劲。太阳能路灯(非主干道)、太阳能
庭院灯、太阳能
草坪灯、太阳能交通信号灯、太阳能广告灯等已不鲜见,均成为绿色照明中的亮点。而
太阳能灯既指灯具、光源,也包括太阳能电池、蓄电池、控制器、逆变器、灯杆等配套器件。
太阳能照明最显著的特点是节能、经济、环保,无需由传统的公共电力系统获取电能,节省了变配电设备、缆线、开关等的投资,基本没有运行费用。太阳能转化为电能,避免了煤、油、核等发电导致的大气和环境污染。在当今技术条件下,太阳能照明尤其适合应用于供电距离较远或不易供电的地方(见图9~10)。
(1)提升电池板的光电转换率;
(2)加大系统容量,满足大功率室外照明灯的要求;
(3)降低成本。目前,一套太阳能照明灯(全套)是普通照明灯(全套)的几倍,影响了太阳能照明的推广使用;
(4)延长蓄电池等器件的寿命,从而延长太阳能照明系统的寿命;
(5)减小电池板、蓄电池等的体积,美化杆型;
(6)逐步淘汰严重污染的铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池等,加快开发研制无污染蓄电池,实现真正意义的环保;
(7)太阳能照明在经过技术进步和降低价格后,将成为新世纪的主导光源之一。
7 结束语
本文着重讨论了绿色照明的现状及发展趋势。在“十一五”期间,我国还将加大力度推进绿色照明工程。经国务院同意,国家发改委发布的《节能中长期专项规划》中,已将“照明器具”列入节能重点领域,将“绿色照明工程”列为十大节能重点工程之一,重点在公用设施、宾馆、商厦、写字楼、体育场馆、居民住宅中推广高效节电照明产品。广泛深入持久开展绿色照明宣传,提高全民的资源忧患和节约意识,增强全社会的照明节能意识和可持续发展意识。笔者曾经建议,用三峡的1/10投资,通过10年时间,形成年节电一座、两座甚至多座三峡发电量的照明节能环保的效益,到今天已成为可实现的共识。