LED冰雪景观照明技术浅析

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摘要:冰雪艺术景观是冰雪建筑与灯光艺术的结合体。文章讨论了冰雪景观照明的需求特点和led冰雪景观照明系统设计方案需要考虑的问题,并根据大量实验和示范应用数据,总结了LED在冰雪景观照明应用上的主要技术指标和指导性数据,为LED冰雪景观照明在今后的推广应用提供了详细的指导性规范准则。

关键词:发光二极管;冰雪艺术景观;投光型;透光型;光通量;基色光

中图分类号:TN312+.8文献标识码:B

Lighting Technology of LED for Snow

and Ice Landscape

HOU Qing-juan, PING Li, JU Xiao-jing, LI Ai-lian

(Harbin Electronic Computing Technology Institute, Harbin Heilongjiang 150080, China)

Abstract: Artificial snow and ice landscape is regarded as a combination of snow & ice architecture and luminal art. This paper discusses the lighting demands of snow and ice landscape and the considerations in design proposal of the LED lighting system for snow and ice landscape. The principal technical dada and guidance data of LED used for the lighting of snow and ice landscape were also given in accordance with a mass of experiment and demonstration data. This study provides detailed guidance standards for application of LED lighting in snow and ice landscape.

Keywords: LED; snow and ice landscape; project-light type; transmission light type; luminous flux; primary light

引 言

冰雪艺术景观发源于哈尔滨,由于采用了冰雪作为表现载体,因此形成了非常独特的景观艺术文化,目前,已经发展成为世界上规模最大的冰雪艺术景观,并形成了独具地方特色的旅游文化产业。

1问题与挑战

冰雪艺术景观是冰雪建筑与灯光艺术的结合体,冰雪是载体,灯光是冰雪景观的灵魂。冰雪景观的灯光经历了烛光、白炽灯到荧光灯这样一种发展历程。尽管冰雪景观雕塑和建筑艺术日趋完美,但是其应用的传统光源已经严重阻碍了冰雪景观艺术效果的提升,主要原因有以下几个方面:

(1) 传统光源无法实现动态变换的照明效果,延续近40年的静态景观照明效果已经阻碍了冰雪景观艺术效果的提升,目前最迫切的需求就是,将凝固的冰雪景观转化为动态的、有生命力的景观艺术。

(2)传统光源不可回收的痼疾为冰雪景观的建设带来了巨大的资金压力。传统的白炽灯和荧光灯易损、无法回收,每年均需重复投入,而且报废光源中的重金属物质严重污染了环境。以哈尔滨冰雪大世界为例,每年在冰雪景观应用的荧光灯数量高达40万只,景观融化后荧光灯直接报废,灯管内的汞对松花江水质造成了每年54万m3的严重污染。

(3)绿色节能是冰雪艺术景观旅游文化产业的发展趋势和方向。每年冰雪大世界的一项重要成本投入就是电费开销,传统光源光效低,尤其是在低温运行环境下耗能更大,因此采用绿色节能照明光源是冰雪景观节约能耗的有效保证。

在此背景下,LED光源以其自身具备的诸多优势,逐渐成为冰雪景观照明的发展趋势。与传统光源相比,LED的节能、长寿、高可靠性、环保、易于变光变色控制等优势非常突出。但是LED照明属于新兴产业领域,尤其在冰雪景观领域的应用有着更大的挑战性,因此采用LED光源的灯具研制开发工作必须清晰掌握LED特有的发光特性和数据指标,才能最终符合需求。那么,让我们来看看冰雪景观对LED灯具有哪些方面的要求。

2冰雪景观照明的需求特点

从景观设计方角度考虑,最被关心的问题是LED灯具在冰体内的投光效果、亮度的显著性和照明控制系统能够实现的特技显示效果。设计方要通过了解这些内容,并通过冰建筑建模和照明效果建模的方式来对设计方案进行预评估,最终确定方案的整体艺术效果。这是对冰雪景观设计方案建立客观评价体系的一个必不可少的过程。

从景观施工方角度考虑,主要有两方面要求:一是安装方便,二是可靠性高。安装方便强调的是保证较高的施工效率、无需培训、接线快捷、只需一种工具甚至徒手即可完成;可靠性高强调的是LED照明系统的低故障率,要保证高效、流畅、无需调换检修的安装过程。冰雪景观的建设工期仅有短短的十五天,而且是在低于-20℃的室外环境施工,因此上述两点要求是工程顺利实施的一个重要保证。

从景观经营业主角度考虑,在满足设计方和施工方要求的基础上,要保证节能、可回收性好、成本低三点要求。节能要求较好实现,因为LED自身光效就比包裹色片的荧光灯光效高,而且低温状态下,光效差别更加突出,再加上变光变色的控制因素,因此LED冰雪景观照明的节能效果远远好于荧光灯。但是要保证可回收性好和低成本的要求就需要我们下大力气投入研发。

总而言之,设计方的要求是“效果好”,施工方的要求是“简单快捷”,经营业主的要求是“物美价廉”。下一步讨论如何来满足这些要求。

3LED冰雪景观照明系统设计方案需要考虑的几点问题

3.1 LED冰雪景观照明的灯具选型

LED冰雪景观照明灯具分为投光型和透光型两种类型。投光型LED灯具是指将光投射至景观立面,通过平面反射表现景观效果的灯具类型。自从冰雪艺术景观出现以来,设计师们就想寻求一种只见冰发光,而看不到灯具的照明方案,这在传统光源应用时期是很难做到的。而LED的出现为制造“一种通体发光的冰”提供了有效的技术手段。我们需充分利用LED的单边发光特性,将LED灯具嵌入冰体内部,让灯具的光轴法线与观察方向垂直,因此观察者看不见灯具光源发光,只能看见冰体被照亮的反射面发光。这种冰体内部嵌入式的LED灯具对冰的质感表现效果最好,因此将会成为LED冰雪景观照明应用量最大的灯具类型。这种灯具要求有较大的光辐射功率,因此往往采用大功率LED器件作为灯具光源。另外,有些雪雕景观还需要一种外置投光式LED灯具,用于外立面投光照明。

另外一种类型是透光型LED灯具,它的光轴方向与观察方向平行,大部分光从冰外立面直接辐射出来,因此无论将其置于冰内或冰外,视觉最敏感的就是光源本身,因此降低了冰雪景观材料晶莹剔透质感的可观赏性。通常这种类型的灯具应用于冰雪景观建筑需表现的主体线条和外轮廓装饰。

3.2 配光方案

LED冰雪景观照明灯具的配光方案推荐采用RGB三基色的构成方式。这个配光方案尽管成本较高,但是有三个方面的积极因素:一个是采用RGB三基色合成光的色彩表现力最强,可形成对大多数颜色可见光的模拟表现;另一方面的因素是这种配光方案能够适应不同景观的设计要求,保证回收重复使用的兼容性最好;最后一方面的积极因素是便于LED冰雪景观照明系统的标准化。

与以往相比,传统光源属于每年冰雪景观建设投入的耗材,而LED灯具属于固定资产,因此从LED的配光方案设计开始,就要保证LED照明灯具对不同应用设计方案的适应性和兼容性。

3.3 LED冰雪景观照明的投光效果研究。

投光效果是决定整体LED冰雪景观照明效果的一项重要参数,最理想的投光效果是将LED的光泛射到冰层上,形成通体发光的多面体光源,同时面光源的亮度显著性要符合景观的观赏性要求,这里需要掌握两方面的内容。

3.3.1 冰的透光和反射特性

通过实验对比LED各基色光在1m厚冰体和0.3m厚冰体内的光强,两者透光特性几乎相同,也就是说冰体本身的透光性非常好。但是由于采冰属于粗犷型工作,冰材被分割成长方体后,6个端面的平整度和透明度非常差,两块冰之间的分割面会对光线产生严重阻隔,透光性极差,因此在冰雪景观立面艺术效果设计过程中,要充分考虑投光效果在冰体内部和拼接处的变化,以指导冰雪景观立面艺术效果的设计方案。

3.3.2LED各基色光在冰体内的光通量最低限定值

为了达到冰雪景观立面投光的亮度显著性,我们通过实验测试和主观评价的方法,总结了LED投光灯具各基色光在冰体内的光通量最低限定值,为LED冰雪景观照明的推广应用提供了宝贵的指导数据。应用环境条件是:冰体长度1m,光投射方向冰体厚度1m,灯具光轴距冰体外立面水平距离0.2~0.3m。各基色光的辐射能量为:

红色光源通量≥150lm;

绿色光源通量≥300lm;

蓝色光源通量≥50lm。

这是指导LED冰雪景观照明推广应用最重要的数据,也对LED冰雪景观照明的系统成本起到了决定性的影响。

3.4 保证LED冰雪景观照明系统稳定可靠运行和较好可回收性的几个技术要点

LED冰雪景观照明系统施工和运行环境恶劣,维修难度大、可回收性要求好,这就对系统的可靠性提出了很高的要求。保证LED冰雪景观照明系统的可靠性有两个要点。

3.4.1 提高各部构件的防护等级和抗冲击性

LED灯具、线缆接头、驱动电源以及外置控制器的防护等级都应保证达到IP67以上,同时提高这些构件的抗冲击性,对保证系统可回收重复使用至关重要。

3.4.2 提高各部构件在低温环境和冷热交变环境运行的适应性

各主要构件的技术要求如下:

(1) LED光源器件封装:一般来讲硅胶灌封LED较为可靠,硬质环氧灌封LED,蓝绿色经常发生掉电极故障,红色经常发生因冷热交变引起的下面电极开路故障。

(2) LED灯具:要充分考虑密封工艺是否会因冷热交变引起灯具壳体开裂,可以考虑用硅胶材料密封、用环氧树脂封顶的处理工艺。

(3) 集成电路选型:驱动类IC推荐采用普通商用等级的高速CMOS型芯片,控制类IC可选用工业等级产品,无源器件的选型比较特殊,在设计时一定要充分考虑低温-20℃下与器件标称值的偏差。

(4) 线缆选型:无论电源线缆还是信号线缆,必须采用耐低温橡胶绝缘导线,不能选用聚氯乙烯塑料绝缘导线。

3.5 LED冰雪景观照明系统的标准化

LED冰雪景观照明系统的标准化会最有效地降低景观照明投入成本,降低管理成本,降低工程成本,并提高工作效率。在LED配光方案部分,已经提到了选用RGB配光方案的出发点就是为了日后的标准化做准备。在其它方面,包括驱动部分、控制部分,甚至灯具的外形尺寸,都需要形成标准,让更多的LED企业按照标准提品,并通过投标竞争,提高产品的性价比,让我们的冰雪景观照明建设承包方通过标准化得到最大的受益,这也是LED冰雪景观照明系统未来发展的一个重要目标和方向。

4 结论

总之,LED冰雪景观照明是一个全新的LED照明应用领域,也是一种前所未有的创新,它对LED照明产品的应用技术开发是一种挑战,对冰雪景观艺术效果的提升也会带来一场革命!

作者简介:侯庆娟(1980-),女,黑龙江省哈尔滨人,就职于哈尔滨市电子计算技术研究所,主要从事软件设计与开发工作。E-mail:。