淺析LED冰雪景觀(guān)照明系統方案設計

冰雪藝術(shù)景觀(guān)發(fā)源于哈爾濱，由于采用了冰雪作為表現載體，因此形成了非常獨特的景觀(guān)藝術(shù)文化，目前，已經(jīng)發(fā)展成為世界上規模最大的冰雪藝術(shù)景觀(guān)，并形成了獨具地方特色的旅游文化產(chǎn)業(yè)。

　　問(wèn)題與挑戰

　　冰雪藝術(shù)景觀(guān)是冰雪建筑與燈光藝術(shù)的結合體，冰雪是載體，燈光是冰雪景觀(guān)的靈魂。冰雪景觀(guān)的燈光經(jīng)歷了燭光、白熾燈到熒光燈這樣一種發(fā)展歷程。盡管冰雪景觀(guān)雕塑和建筑藝術(shù)日趨完美，但是其應用的傳統光源已經(jīng)嚴重阻礙了冰雪景觀(guān)藝術(shù)效果的提升，主要原因有以下幾個(gè)方面：

　?。?） 傳統光源無(wú)法實(shí)現動(dòng)態(tài)變換的照明效果，延續近40年的靜態(tài)景觀(guān)照明效果已經(jīng)阻礙了冰雪景觀(guān)藝術(shù)效果的提升，目前最迫切的需求就是，將凝固的冰雪景觀(guān)轉化為動(dòng)態(tài)的、有生命力的景觀(guān)藝術(shù)。

?。?）傳統光源不可回收的痼疾為冰雪景觀(guān)的建設帶來(lái)了巨大的資金壓力。傳統的白熾燈和熒光燈易損、無(wú)法回收，每年均需重復投入，而且報廢光源中的重金屬物質(zhì)嚴重污染了環(huán)境。以哈爾濱冰雪大世界為例，每年在冰雪景觀(guān)應用的熒光燈數量高達40萬(wàn)只，景觀(guān)融化后熒光燈直接報廢，燈管內的汞對松花江水質(zhì)造成了每年54萬(wàn)m3的嚴重污染。

　 （3）綠色節能是冰雪藝術(shù)景觀(guān)旅游文化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢和方向。每年冰雪大世界的一項重要成本投入就是電費開(kāi)銷(xiāo)，傳統光源光效低，尤其是在低溫運行環(huán)境下耗能更大，因此采用綠色節能照明光源是冰雪景觀(guān)節約能耗的有效保證。

　　在此背景下，LED光源以其自身具備的諸多優(yōu)勢，逐漸成為冰雪景觀(guān)照明的發(fā)展趨勢。與傳統光源相比，LED的節能、長(cháng)壽、高可靠性、環(huán)保、易于變光變色控制等優(yōu)勢非常突出。但是LED照明屬于新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，尤其在冰雪景觀(guān)領(lǐng)域的應用有著(zhù)更大的挑戰性，因此采用LED光源的燈具研制開(kāi)發(fā)工作必須清晰掌握LED特有的發(fā)光特性和數據指標，才能最終符合需求。那么，讓我們來(lái)看看冰雪景觀(guān)對LED燈具有哪些方面的要求。

　　冰雪景觀(guān)照明的需求特點(diǎn)

　　從景觀(guān)設計方角度考慮，最被關(guān)心的問(wèn)題是LED燈具在冰體內的投光效果、亮度的顯著(zhù)性和照明控制系統能夠實(shí)現的特技顯示效果。設計方要通過(guò)了解這些內容，并通過(guò)冰建筑建模和照明效果建模的方式來(lái)對設計方案進(jìn)行預評估，最終確定方案的整體藝術(shù)效果。這是對冰雪景觀(guān)設計方案建立客觀(guān)評價(jià)體系的一個(gè)必不可少的過(guò)程。

冰雪藝術(shù)景觀(guān)發(fā)源于哈爾濱，由于采用了冰雪作為表現載體，因此形成了非常獨特的景觀(guān)藝術(shù)文化，目前，已經(jīng)發(fā)展成為世界上規模最大的冰雪藝術(shù)景觀(guān)，并形成了獨具地方特色的旅游文化產(chǎn)業(yè)。

　　問(wèn)題與挑戰

　　冰雪藝術(shù)景觀(guān)是冰雪建筑與燈光藝術(shù)的結合體，冰雪是載體，燈光是冰雪景觀(guān)的靈魂。冰雪景觀(guān)的燈光經(jīng)歷了燭光、白熾燈到熒光燈這樣一種發(fā)展歷程。盡管冰雪景觀(guān)雕塑和建筑藝術(shù)日趨完美，但是其應用的傳統光源已經(jīng)嚴重阻礙了冰雪景觀(guān)藝術(shù)效果的提升，主要原因有以下幾個(gè)方面：

　?。?） 傳統光源無(wú)法實(shí)現動(dòng)態(tài)變換的照明效果，延續近40年的靜態(tài)景觀(guān)照明效果已經(jīng)阻礙了冰雪景觀(guān)藝術(shù)效果的提升，目前最迫切的需求就是，將凝固的冰雪景觀(guān)轉化為動(dòng)態(tài)的、有生命力的景觀(guān)藝術(shù)。

?。?）傳統光源不可回收的痼疾為冰雪景觀(guān)的建設帶來(lái)了巨大的資金壓力。傳統的白熾燈和熒光燈易損、無(wú)法回收，每年均需重復投入，而且報廢光源中的重金屬物質(zhì)嚴重污染了環(huán)境。以哈爾濱冰雪大世界為例，每年在冰雪景觀(guān)應用的熒光燈數量高達40萬(wàn)只，景觀(guān)融化后熒光燈直接報廢，燈管內的汞對松花江水質(zhì)造成了每年54萬(wàn)m3的嚴重污染。

　 （3）綠色節能是冰雪藝術(shù)景觀(guān)旅游文化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢和方向。每年冰雪大世界的一項重要成本投入就是電費開(kāi)銷(xiāo)，傳統光源光效低，尤其是在低溫運行環(huán)境下耗能更大，因此采用綠色節能照明光源是冰雪景觀(guān)節約能耗的有效保證。

　　在此背景下，LED光源以其自身具備的諸多優(yōu)勢，逐漸成為冰雪景觀(guān)照明的發(fā)展趨勢。與傳統光源相比，LED的節能、長(cháng)壽、高可靠性、環(huán)保、易于變光變色控制等優(yōu)勢非常突出。但是LED照明屬于新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，尤其在冰雪景觀(guān)領(lǐng)域的應用有著(zhù)更大的挑戰性，因此采用LED光源的燈具研制開(kāi)發(fā)工作必須清晰掌握LED特有的發(fā)光特性和數據指標，才能最終符合需求。那么，讓我們來(lái)看看冰雪景觀(guān)對LED燈具有哪些方面的要求。

　　冰雪景觀(guān)照明的需求特點(diǎn)

　　從景觀(guān)設計方角度考慮，最被關(guān)心的問(wèn)題是LED燈具在冰體內的投光效果、亮度的顯著(zhù)性和照明控制系統能夠實(shí)現的特技顯示效果。設計方要通過(guò)了解這些內容，并通過(guò)冰建筑建模和照明效果建模的方式來(lái)對設計方案進(jìn)行預評估，最終確定方案的整體藝術(shù)效果。這是對冰雪景觀(guān)設計方案建立客觀(guān)評價(jià)體系的一個(gè)必不可少的過(guò)程。

　　從景觀(guān)施工方角度考慮，主要有兩方面要求：一是安裝方便，二是可靠性高。安裝方便強調的是保證較高的施工效率、無(wú)需培訓、接線(xiàn)快捷、只需一種工具甚至徒手即可完成；可靠性高強調的是LED照明系統的低故障率，要保證高效、流暢、無(wú)需調換檢修的安裝過(guò)程。冰雪景觀(guān)的建設工期僅有短短的十五天，而且是在低于-20℃的室外環(huán)境施工，因此上述兩點(diǎn)要求是工程順利實(shí)施的一個(gè)重要保證。

　　從景觀(guān)經(jīng)營(yíng)業(yè)主角度考慮，在滿(mǎn)足設計方和施工方要求的基礎上，要保證節能、可回收性好、成本低三點(diǎn)要求。節能要求較好實(shí)現，因為L(cháng)ED自身光效就比包裹色片的熒光燈光效高，而且低溫狀態(tài)下，光效差別更加突出，再加上變光變色的控制因素，因此LED冰雪景觀(guān)照明的節能效果遠遠好于熒光燈。但是要保證可回收性好和低成本的要求就需要我們下大力氣投入研發(fā)。

　　總而言之，設計方的要求是“效果好”，施工方的要求是“簡(jiǎn)單快捷”，經(jīng)營(yíng)業(yè)主的要求是“物美價(jià)廉”。下一步討論如何來(lái)滿(mǎn)足這些要求。

　　LED冰雪景觀(guān)照明系統設計方案需要考慮的幾點(diǎn)問(wèn)題

　　1、LED冰雪景觀(guān)照明的燈具選型

　　LED冰雪景觀(guān)照明燈具分為投光型和透光型兩種類(lèi)型。

投光型LED燈具是指將光投射至景觀(guān)立面，通過(guò)平面反射表現景觀(guān)效果的燈具類(lèi)型。自從冰雪藝術(shù)景觀(guān)出現以來(lái)，設計師們就想尋求一種只見(jiàn)冰發(fā)光，而看不到燈具的照明方案，這在傳統光源應用時(shí)期是很難做到的。而LED的出現為制造“一種通體發(fā)光的冰”提供了有效的技術(shù)手段。我們需充分利用LED的單邊發(fā)光特性，將LED燈具嵌入冰體內部，讓燈具的光軸法線(xiàn)與觀(guān)察方向垂直，因此觀(guān)察者看不見(jiàn)燈具光源發(fā)光，只能看見(jiàn)冰體被照亮的反射面發(fā)光。這種冰體內部嵌入式的LED燈具對冰的質(zhì)感表現效果最好，因此將會(huì )成為L(cháng)ED冰雪景觀(guān)照明應用量最大的燈具類(lèi)型。這種燈具要求有較大的光輻射功率，因此往往采用大功率LED器件作為燈具光源。另外，有些雪雕景觀(guān)還需要一種外置投光式LED燈具，用于外立面投光照明。

　　另外一種類(lèi)型是透光型LED燈具，它的光軸方向與觀(guān)察方向平行，大部分光從冰外立面直接輻射出來(lái)，因此無(wú)論將其置于冰內或冰外，視覺(jué)最敏感的就是光源本身，因此降低了冰雪景觀(guān)材料晶瑩剔透質(zhì)感的可觀(guān)賞性。通常這種類(lèi)型的燈具應用于冰雪景觀(guān)建筑需表現的主體線(xiàn)條和外輪廓裝飾。

　　2、配光方案

　　LED冰雪景觀(guān)照明燈具的配光方案推薦采用RGB三基色的構成方式。這個(gè)配光方案盡管成本較高，但是有三個(gè)方面的積極因素：一個(gè)是采用RGB三基色合成光的色彩表現力最強，可形成對大多數顏色可見(jiàn)光的模擬表現；另一方面的因素是這種配光方案能夠適應不同景觀(guān)的設計要求，保證回收重復使用的兼容性最好；最后一方面的積極因素是便于LED冰雪景觀(guān)照明系統的標準化。

　　與以往相比，傳統光源屬于每年冰雪景觀(guān)建設投入的耗材，而LED燈具屬于固定資產(chǎn)，因此從LED的配光方案設計開(kāi)始，就要保證LED照明燈具對不同應用設計方案的適應性和兼容性。

　　3、LED冰雪景觀(guān)照明的投光效果研究

　　投光效果是決定整體LED冰雪景觀(guān)照明效果的一項重要參數，最理想的投光效果是將LED的光泛射到冰層上，形成通體發(fā)光的多面體光源，同時(shí)面光源的亮度顯著(zhù)性要符合景觀(guān)的觀(guān)賞性要求，這里需要掌握兩方面的內容。

　?。?）冰的透光和反射特性

　　通過(guò)實(shí)驗對比LED各基色光在1m厚冰體和0.3m厚冰體內的光強，兩者透光特性幾乎相同，也就是說(shuō)冰體本身的透光性非常好。但是由于采冰屬于粗獷型工作，冰材被分割成長(cháng)方體后，6個(gè)端面的平整度和透明度非常差，兩塊冰之間的分割面會(huì )對光線(xiàn)產(chǎn)生嚴重阻隔，透光性極差，因此在冰雪景觀(guān)立面藝術(shù)效果設計過(guò)程中，要充分考慮投光效果在冰體內部和拼接處的變化，以指導冰雪景觀(guān)立面藝術(shù)效果的設計方案。

　?。?）LED各基色光在冰體內的光通量最低限定值

　　為了達到冰雪景觀(guān)立面投光的亮度顯著(zhù)性，我們通過(guò)實(shí)驗測試和主觀(guān)評價(jià)的方法，總結了LED投光燈具各基色光在冰體內的光通量最低限定值，為L(cháng)ED冰雪景觀(guān)照明的推廣應用提供了寶貴的指導數據。應用環(huán)境條件是：冰體長(cháng)度1m,光投射方向冰體厚度1m,燈具光軸距冰體外立面水平距離0.2~0.3m.各基色光的輻射能量為：

　　紅色光源通量≥150lm;

　　綠色光源通量≥300lm;

　　藍色光源通量≥50lm.

　　這是指導LED冰雪景觀(guān)照明推廣應用最重要的數據，也對LED冰雪景觀(guān)照明的系統成本起到了決定性的影響。

　　4、保證LED冰雪景觀(guān)照明系統穩定可靠運行和較好可回收性的幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)

　　LED冰雪景觀(guān)照明系統施工和運行環(huán)境惡劣，維修難度大、可回收性要求好，這就對系統的可靠性提出了很高的要求。保證LED冰雪景觀(guān)照明系統的可靠性有兩個(gè)要點(diǎn)。

　?。?） 提高各部構件的防護等級和抗沖擊性

　　LED燈具、線(xiàn)纜接頭、驅動(dòng)電源以及外置控制器的防護等級都應保證達到IP67以上，同時(shí)提高這些構件的抗沖擊性，對保證系統可回收重復使用至關(guān)重要。

　?。?） 提高各部構件在低溫環(huán)境和冷熱交變環(huán)境運行的適應性

　　各主要構件的技術(shù)要求如下：

　　1） LED光源器件封裝：一般來(lái)講硅膠灌封LED較為可靠，硬質(zhì)環(huán)氧灌封LED，藍綠色經(jīng)常發(fā)生掉電極故障，紅色經(jīng)常發(fā)生因冷熱交變引起的下面電極開(kāi)路故障。

　　2） LED燈具：要充分考慮密封工藝是否會(huì )因冷熱交變引起燈具殼體開(kāi)裂，可以考慮用硅膠材料密封、用環(huán)氧樹(shù)脂封頂的處理工藝。

　　3） 集成電路選型：驅動(dòng)類(lèi)IC推薦采用普通商用等級的高速CMOS型芯片，控制類(lèi)IC可選用工業(yè)等級產(chǎn)品，無(wú)源器件的選型比較特殊，在設計時(shí)一定要充分考慮低溫-20℃下與器件標稱(chēng)值的偏差。

　　4） 線(xiàn)纜選型：無(wú)論電源線(xiàn)纜還是信號線(xiàn)纜，必須采用耐低溫橡膠絕緣導線(xiàn)，不能選用聚氯乙烯塑料絕緣導線(xiàn)。

　　5、LED冰雪景觀(guān)照明系統的標準化

　　LED冰雪景觀(guān)照明系統的標準化會(huì )最有效地降低景觀(guān)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，已經(jīng)提到了選用RGB配光方案的出發(fā)點(diǎn)就是為了日后的標準化做準備。在其它方面，包括驅動(dòng)部分、控制部分，甚至燈具的外形尺寸，都需要形成標準，讓更多的LED企業(yè)按照標準提供產(chǎn)品，并通過(guò)投標競爭，提高產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比，讓我們的冰雪景觀(guān)照明建設承包方通過(guò)標準化得到最大的受益，這也是LED冰雪景觀(guān)照明系統未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要目標和方向。

　　總之，LED冰雪景觀(guān)照明是一個(gè)全新的LED照明應用領(lǐng)域，也是一種前所未有的創(chuàng )新，它對LED照明產(chǎn)品的應用技術(shù)開(kāi)發(fā)是一種挑戰，對冰雪景觀(guān)藝術(shù)效果的提升也會(huì )帶來(lái)一場(chǎng)革命！