王 磊 / 海明慈

(清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100084)

1 前言

南極作為世界上唯一沒有常駐人口的大洲，有著無數(shù)未知的領(lǐng)域等待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，而人類自十九世紀(jì)發(fā)現(xiàn)南極洲開始就從未停止對(duì)南極的探索，越來越多的國家在南極建立臨時(shí)或永久科學(xué)考察站。我國于1984在喬治王島建立了長城站，1989年在維斯托登半島建立了中山站，并在南極高地DOOM A建成了我國第一個(gè)內(nèi)陸科考站昆侖站?？瓶颊疽话阏嫉?00ha～300ha，考慮到火災(zāi)的危險(xiǎn)，科考站內(nèi)的建筑都相隔一定距離，另外站區(qū)內(nèi)的很多研究和日?；顒?dòng)都要在室外進(jìn)行，因此，科考站的室外照明是科考站照明設(shè)計(jì)關(guān)注的重要問題之一。

2 科考站室外照明的特點(diǎn)和現(xiàn)狀

南極科考站室外照明具有諸多不同于大陸通常室外照明的特點(diǎn)。首先，南極氣候寒冷，以中山站為例，科考站的年平均氣溫為-9.5℃，夏季最高氣溫9.6℃，冬季最低氣溫-33.6℃。室外光源需要具有抗寒冷的能力，能夠保證在低溫下順利啟動(dòng)，正常工作；其次，科考站年降水天數(shù)為162天，年大風(fēng)天數(shù)多于174天，最大風(fēng)速43.6m/s，照明光源應(yīng)能夠?qū)箰毫拥氖彝猸h(huán)境；第三，南極地區(qū)有極夜現(xiàn)象，如中山站連續(xù)黑夜時(shí)間58天,這需要燈具有極高的可靠性，以減少在惡劣條件下維護(hù)室外照明裝置的工作；最后，科考站遠(yuǎn)離大陸，站區(qū)電能由柴油發(fā)電機(jī)供給，而包括柴油在內(nèi)的所有補(bǔ)給物資都需要通過破冰船和飛機(jī)運(yùn)輸，科考站發(fā)電機(jī)所用的低溫燃油，國內(nèi)參考價(jià)格為4 500元/t，綜合考慮所有運(yùn)輸成本后，到達(dá)南極中山站的費(fèi)用達(dá)到8 200元/t。因此，一方面在設(shè)計(jì)中應(yīng)選用高效節(jié)能的方案，減少能耗和對(duì)環(huán)境的污染，另一方面應(yīng)選用長壽命的燈具光源可以減少備件數(shù)量。

上世紀(jì)建設(shè)的科考站通常采用白熾燈和鈉燈作為室外照明光源。白熾燈具有迅速啟動(dòng)、光源價(jià)格低廉、更換方便和易于調(diào)光的特點(diǎn)，低色溫的光譜特點(diǎn)也能很好地滿足寒冷地區(qū)的心理需求。但是，白熾燈在低溫下燈絲電阻減小，很容易在啟動(dòng)瞬間因過流損壞。白熾燈壽命短，維護(hù)工作量較大。另外很嚴(yán)重的問題是白熾燈光效低，能耗大，與科考站綠色照明節(jié)能的目標(biāo)背道而馳。

高壓鈉燈的光效高，壽命較長，黃色光譜的光源特性透霧能力強(qiáng)，非常適合科考站室外照明需要具有指示性的特點(diǎn)。雖然鈉燈的顯色性不好，但科考站的室外工作一般不需要很高的顯色性，因此高壓鈉燈在各國科考站的室外照明中得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，高壓鈉燈低溫性能一般，尤其是鎮(zhèn)流器等器件通常不耐低溫，應(yīng)用中通常將鎮(zhèn)流器等安裝在室內(nèi)，以避免低溫的影響。高壓鈉燈對(duì)震動(dòng)比較敏感，在南極的大風(fēng)環(huán)境中，高壓鈉燈極易因震動(dòng)損壞。鈉燈啟動(dòng)性能較差，不僅啟動(dòng)時(shí)間長，多次開關(guān)還會(huì)影響光源壽命，這些都是鈉燈的劣勢(shì)。

而緊湊型熒光燈等低壓放電燈由于不耐低溫，不適宜在科考站室外使用。

3 LED在室外照明中應(yīng)用

在筆者進(jìn)行科考站改擴(kuò)建項(xiàng)目的過程中，針對(duì)科考站室外照明設(shè)計(jì)，分析了LED的特性，研究了LED替代傳統(tǒng)光源的可能性。

耐低溫：LED與傳統(tǒng)光源相比，其低溫性能優(yōu)越。經(jīng)過處理后的產(chǎn)品工作溫度可達(dá)-50℃。平時(shí)在室內(nèi)應(yīng)用中大功率LED的短板是散熱，通常設(shè)計(jì)師考慮的是如何降低結(jié)溫保證LED的正常運(yùn)行。在南極，較低的環(huán)境溫度有利于散熱，從而可以提高光效，延長光源壽命。當(dāng)然，對(duì)于LED的驅(qū)動(dòng)電路，需要采取一定的保護(hù)措施，例如選用工業(yè)級(jí)的芯片，或者采取一定的電加熱措施。

耐震動(dòng)：在南極，超過40m/s的大風(fēng)會(huì)使7m高的燈桿頂端位移超過0.4m，嚴(yán)重影響燈具的正常工作。LED多采用模塊式封裝，與傳統(tǒng)燈具相比，經(jīng)整合后的LED燈具結(jié)構(gòu)簡單，沒有燈絲等易動(dòng)元件，尤其是經(jīng)過與廠商協(xié)調(diào)，在燈具組裝過程中對(duì)關(guān)鍵部位采用樹脂封裝，更加降低了震動(dòng)對(duì)于燈具的影響。LED的結(jié)構(gòu)使其具有進(jìn)一步提高抗震性的可能，這也是LED的重要優(yōu)勢(shì)之一。同時(shí)，配合IP67的燈具可以完全防護(hù)南極雨雪對(duì)于燈具的影響。

高光效：與白熾燈相比，LED的光效更高，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，LED的光效超過150lm/W甚至200lm/W完全是有可能的。因此選用高效光源所減少的電能消耗可以帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

長壽命：與傳統(tǒng)光源相比，現(xiàn)在市場(chǎng)上的LED宣稱壽命可達(dá)到30 000h以上。相比白熾燈和高壓鈉燈都有明顯的提升。有助于減少站區(qū)的設(shè)備維護(hù)工作量。

易于控制：LED的可控性好，無論是開關(guān)還是調(diào)光控制，都比較方便。單個(gè)LED燈具由多顆LED模塊組成，通過控制每個(gè)燈具中LED模塊的數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)便捷的調(diào)光、調(diào)色。如果考慮每個(gè)LED模塊的調(diào)光，可以精確控制被照區(qū)域的光環(huán)境指標(biāo)。在極夜期間，可以通過控制LED的亮度去人工調(diào)節(jié)站區(qū)的室外照度水平，提供一個(gè)模擬的24h光周期，減少因極夜影響人員生理周期所帶來的頭昏、失眠、精神不振等生理和心理病癥。

光譜特性：在設(shè)計(jì)科考站室外照明時(shí)，還有一個(gè)挑戰(zhàn)是來自于對(duì)光譜的控制。

我國的南極中山站所處緯度正好在極隙區(qū)，是世界上少數(shù)可進(jìn)行午后極光觀測(cè)的臺(tái)站之一。隨著地球自轉(zhuǎn)，中山站白天位于極隙區(qū)，夜晚進(jìn)入極蓋區(qū)，一天兩次穿越極光帶，是地球空間環(huán)境觀測(cè)的理想之地；同時(shí)，中山站的磁共軛點(diǎn)位于我國北極考察站附近，中山站與我國北極站可開展極光等高空大氣物理現(xiàn)象的共軛研究。因此極光觀測(cè)是極區(qū)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要組成部分。

在中山站，極光觀測(cè)的主要設(shè)備是多波段全天空CCD成像系統(tǒng)，它由三波段極光4 278A、5 577A、6 300A單色成像儀和全色成像儀構(gòu)成。在觀測(cè)期間，設(shè)備要求盡量減少來自地面雜散光的影響，特別是要避免在上述三個(gè)波段的影響。傳統(tǒng)光源多為廣譜連續(xù)光譜，在室內(nèi)照明中，與日光光譜相似的連續(xù)光譜對(duì)處于人工光環(huán)境的人員非常有益，但是應(yīng)用于室外特殊環(huán)境，特定的光譜會(huì)對(duì)CCD成像系統(tǒng)造成干擾。通常的解決辦法是在觀測(cè)設(shè)備工作期間關(guān)閉站區(qū)的室外照明，但是由于極光觀測(cè)經(jīng)常會(huì)連續(xù)觀測(cè)幾個(gè)小時(shí)，而極夜期間沒有人工室外照明會(huì)帶來一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。有的國外科考站采用專用濾光片將室外光源的光譜限制在某個(gè)特定區(qū)域以減少對(duì)觀測(cè)設(shè)備的影響。但是這種方式燈具效率低，平時(shí)還要摘除濾光片，使用較為繁瑣。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，LED光源的窄光譜特性為站區(qū)的室外照明提供了一種全新的解決方案。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，訂制了一款特制燈具，內(nèi)含12個(gè)普通的白光LED模塊，功率約60W；14個(gè)波長為594nm的橙色LED模塊和2個(gè)波長為450nm的藍(lán)色LED模塊，功率約80W，封裝在一個(gè)燈具中。平時(shí)開啟白光LED為站區(qū)照明，當(dāng)進(jìn)行極光觀測(cè)時(shí)，關(guān)閉白光LED，開啟橙色和藍(lán)色LED為站區(qū)提供照明。由于光源的主波長錯(cuò)開了CC成像系統(tǒng)的敏感波段，從而在滿足站區(qū)照明的同時(shí)，最大限度地減少了室外照明對(duì)CCD成像系統(tǒng)的干擾。與此同時(shí)，利用LED指向性好的特點(diǎn)，結(jié)合燈具的配光設(shè)計(jì)，減少無序的散射光進(jìn)入觀測(cè)設(shè)備。在2014年底，燈具將安裝在中山站，屆時(shí)可現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試此燈具的實(shí)施效果。

圖1 科考站室外照明選用的LED的光譜參數(shù)

盡管LED在本項(xiàng)目中與傳統(tǒng)光源相比有上述優(yōu)勢(shì)，但不可否認(rèn)的是，現(xiàn)階段LED還存在諸多問題影響其應(yīng)用。首先，LED現(xiàn)在的規(guī)格不統(tǒng)一，市場(chǎng)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于設(shè)計(jì)選擇產(chǎn)品和業(yè)主采購產(chǎn)品造成一定的困難。例如，本項(xiàng)目只能通過定制產(chǎn)品以滿足設(shè)計(jì)要求。其直接后果是帶來了產(chǎn)品的價(jià)格問題，本項(xiàng)目由于相對(duì)采購數(shù)量較少，價(jià)格因素的影響相對(duì)較小，但是可以推想這對(duì)于LED的推廣造成了障礙。此外，LED的驅(qū)動(dòng)電路可靠性有待提高，雖然LED光源的壽命較長，但是與之匹配的驅(qū)動(dòng)電路如出現(xiàn)問題，同樣影響燈具的壽命。用戶在使用過程中，也提出了諸如LED的色溫偏高，顯色性不好等問題，需要對(duì)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品做進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)束語

LED作為快速發(fā)展的一種新型光源，雖然還有很多不完善之處，存在尚待解決的問題。本項(xiàng)目針對(duì)LED的特性和南極科考站具有的獨(dú)特的地域特性、氣候特征及使用功能，充分利用LED耐低溫、防震性能好、系統(tǒng)壽命較長、指向性好、光譜集中的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少LED散熱要求高，顯色性較低等缺點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，使得LED與傳統(tǒng)光源相比，具有一定的產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使之在現(xiàn)階段成為南極科考站室外照明設(shè)計(jì)的最佳選擇。

[1] 北京照明學(xué)會(huì)照明專業(yè)設(shè)計(jì)委員會(huì).照明設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國電力出版社，2006.

[2] 中國電光源所，中國照明學(xué)會(huì). 電光源實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京：中國物資出版社，2005.

[3] 國家經(jīng)貿(mào)委,中國綠色照明工程項(xiàng)目辦公室. 綠色照明工程實(shí)施手冊(cè)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4] Joseph B. Murdoch. ILLUMINATION ENGINEERING. Macmillan Publishing Company 1995.