水立方LED建筑物景觀(guān)照明設計研究

　　1.1照明方式的研究

　　四個(gè)立面的內外氣枕是由3層ETFE膜構成，頂面的內外氣枕是由4-5層ETFE膜構成。ETFE膜對各種波長(cháng)光的透射率很高，見(jiàn)圖1。

圖1 ETFE膜光學(xué)特性圖

　　如采用“外投光照明方式”，由于沒(méi)有良好的反射面，大部分光通將透過(guò)氣枕投射到建筑內部，形成干擾光，氣枕表面亮度不會(huì )很高，將無(wú)法達到預期效果，特別是對于頂面無(wú)法實(shí)現外投光照明。而且如采用外投光照明，在建筑物四周要樹(shù)立支架，對環(huán)境將會(huì )有不利影響。

　　如采用“一般內透光照明方式”，由于光線(xiàn)需要經(jīng)過(guò)6-8層膜才投到外層氣枕外層ETFE膜上，光的損失較大，氣枕外表面亮度也不會(huì )很高，同樣達不到預期效果。

　　由于“水立方”外表面雖有弧度但很光滑平整，氣枕的邊框尺寸較小，不適宜在上布線(xiàn)和布燈，而且如采用“籠廓照明方式”將破壞建筑物的立面效果，所也不宜采用“輪廓照明方式”。

　　通過(guò)各方多次論證與現場(chǎng)實(shí)驗，確定采用了“空腔內透光照明方式”，即在固定外層氣枕的鋼結構內側安裝燈具向外側投射的照明方式，這樣光只透過(guò)單個(gè)氣枕，光的損失僅為空腔內透光照明方式的一半，可達到較為理想的照明效果。這種照明方式的采用，為建筑物景觀(guān)照明增加了一種新的方式，開(kāi)創(chuàng )了建筑物景觀(guān)照明的先河，對于膜建筑和玻璃幕墻建筑的建筑物景觀(guān)照明有著(zhù)重要意義。

1.2 光源選擇的研究

　　由于兩層氣枕之間尺寸相對狹小，散熱條件較差，不適宜安裝尺寸較大、散熱量較大的光源。在這樣的條件下，比較適合的光源只有熒光燈與LED燈兩種光源，因此我們重點(diǎn)對這兩種光源進(jìn)行了多次多方案技術(shù)經(jīng)濟對比。led壽命長(cháng)，達5萬(wàn)小時(shí)，是T5管的2.5倍。在整個(gè)壽命周期內，LED是性?xún)r(jià)比最好的產(chǎn)品。LED不含汞，低輻射，廢棄物可回收，有利于環(huán)保。光分布易于控制，通過(guò)一次、二次光學(xué)設計，通過(guò)光學(xué)透鏡使光投射到需要的部位。易于集成，集計算機、網(wǎng)絡(luò )通訊、圖像處理等技術(shù)為一體，可在線(xiàn)編程，適時(shí)創(chuàng )新?？杉{秒級快速響應，瞬時(shí)場(chǎng)景變換。更主要的是色彩豐富，利用三基色原理，照明可形成256X256X256種顏色；在點(diǎn)陣屏上可形成8192X8192X8192種顏色。燈體尺寸小，易于與氣枕的邊長(cháng)尺寸配合。

　　如采用熒光燈，由于含有汞不利于環(huán)保。由于燈體尺寸較大，無(wú)法利用透鏡只能利用反射體來(lái)進(jìn)行布光，配光曲線(xiàn)很難理想。熒光燈尺寸較大不宜與氣枕的邊長(cháng)尺寸配合。熒光燈是氣體放電燈，響應速度較慢，無(wú)法實(shí)現場(chǎng)景快速變換，不利于場(chǎng)景設計。而且熒光燈RGB三色的混合也將是一個(gè)難題，需要開(kāi)發(fā)新的燈具。熒光燈調光鎮流器需要在一定電流時(shí)才能穩定工作。如采用熒光燈不僅所需功率而且消耗的電能都要顯著(zhù)地大于采用LED的方案。

　　通過(guò)多方多次多方案論證，最終確定采用LED光源。

1.3布燈方式的研究

　　“水立方”要求LED燈具白天不要影響建筑外觀(guān)，夜晚LED照明不要影響室內的照明，做到見(jiàn)光不見(jiàn)燈。由于LED光源表面亮度較大，如投射方向和角度不合適，在一定位置會(huì )看到光斑，影響照明效果。經(jīng)過(guò)大量現場(chǎng)試驗，確定了在氣枕的下側鋼結構框上安裝燈具，向上投射，這樣就不會(huì )看到光斑。我們把這種布燈方式稱(chēng)為“沿邊布燈單向投射”。這種布燈方式將是“空腔內透光照明方式”的主要布燈方式，為以后其它建筑物采用“空腔內透光照明方式”時(shí)，解決了布燈方式的大問(wèn)題。

1.4 色彩構成的研究

　　“水立方”是以藍色為基本色調的建筑，燈光是否還需要紅光也成為探討的話(huà)題。藍色象征“水”，紅色象征“火”，“水”與“火”是矛盾的統一體，有了紅色會(huì )增加水的美。特別是在奧運期間或賽后的重大節日期間，為與喜慶的氣氛相協(xié)調必須要有紅色。采用RGB三基色，燈具可混合出256X256X256種色彩，點(diǎn)陣屏可混合出8192X8192X8192種色彩，豐富的色彩為場(chǎng)景設計提供了廣闊的空間和舞臺。

1.5場(chǎng)景構成的研究

　　上述的照明方案雖能在一定程度上滿(mǎn)足照明均勻度、色彩等方面的要求，但是無(wú)法形成動(dòng)畫(huà)，構圖比較簡(jiǎn)單，還不能滿(mǎn)足奧運會(huì )以及賽后運營(yíng)的需要。經(jīng)過(guò)多次現場(chǎng)試驗，確定了在南立面裝設2000m2點(diǎn)陣屏，與四個(gè)立面及頂面的燈光共同構成宏偉壯觀(guān)的場(chǎng)景。通過(guò)系統集成技術(shù)，還可與護城河照明、環(huán)境照明、室外音響聯(lián)動(dòng)，光色與音響共同形成更加宏大的場(chǎng)景，詩(shī)情畫(huà)意將使人們心神陶醉。

1.6 LED燈具RGB功率比的研究

　　在通常白平衡情況下，RGB的亮度比（光通量）為3：6：1。由于ETFE膜呈淺藍色，燈光經(jīng)過(guò)多層ETFE膜以后，會(huì )產(chǎn)生色移，色坐標X值與Y值發(fā)生變化。另外藍光LED的光通量較紅光或綠光LED光通量偏低。如何配置RGB的功率，為以后場(chǎng)景設計提供一個(gè)良好的硬件平臺，這是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。通過(guò)多次現場(chǎng)試驗確定了功率比為RGBB。

1.7 LED芯片及光源主要參數選擇的研究

　　半導體照明產(chǎn)業(yè)是一個(gè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是一個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，正在逐步走向大規模應用，其應用范圍正在逐步擴大。由于環(huán)保節能，各發(fā)達國家政府都制定了本國的發(fā)展計劃。我國半導體照明產(chǎn)業(yè)近幾年來(lái)得到了飛速發(fā)展，但與發(fā)達國家相比仍有較大差距，一些重要專(zhuān)利掌握在國外的企業(yè)手里。在對國內外有關(guān)產(chǎn)品深入調查的基礎上，最終確定采用國際著(zhù)名品牌的芯片，立面照明LED采用國外封裝。頂面照明LED可采用國內封裝，點(diǎn)陣顯示屏LED可采用國內芯片及封裝。

　　招標結果頂面照明也變成了國外封裝。由于LED有區別于傳統光源和燈具的一些參數。如何選擇和確定這些參數也成為了研究的課題。

⑴單顆大功率LED功率和額定工作電流的選擇

　　按照功率對LED進(jìn)行分類(lèi)，一般把0.5W及以上的LED稱(chēng)為大功率LED。國際著(zhù)名品牌lumilaids、Creen、Osram的產(chǎn)品系列，額定工作電流為350、500、700、1000、1500mA等幾個(gè)等級。在采用同樣技術(shù)的條件下，單顆LED功率愈大，光效愈低，但可減少燈具數量，有利于節省投資；單顆功率愈小，光效愈大，但每個(gè)燈具內需要LED的顆數增加，燈體尺寸增大，增加了光學(xué)透鏡的技術(shù)難度，對配光曲線(xiàn)有不利影響。在綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟以及產(chǎn)品成熟的程度與實(shí)際使用經(jīng)驗等因素的基礎上，確定了單顆LED額定工作電流為350mA,即功率為1W。

⑵峰值電流的選擇

　　根據國際幾家著(zhù)名品牌的產(chǎn)品，對于350mA的LED其峰值電流有500mA、700mA兩個(gè)系列。峰值電流為700mA系列的產(chǎn)品較新，價(jià)格較貴。最終確定峰值電流選擇500mA系列產(chǎn)品。

⑶單顆LED光通量的選擇

　　國際著(zhù)名品牌的產(chǎn)品，不同LED系列產(chǎn)品的光通量不同?？紤]到價(jià)格與產(chǎn)品的成熟程度，最終確定，在額定工作電流下，RGBLED的光通量分別為35、60、15Lm。

⑷LED主波長(cháng)的選擇

　　主波長(cháng)是決定LED顏色的主要參數，選擇正確與否會(huì )對場(chǎng)景效果產(chǎn)生影響。我們選擇LED主波長(cháng)為：R:622-629nm,G:520-525nm,B:465-470nm。

⑸LED半波長(cháng)寬度與色純度的選擇

　　這兩個(gè)參數實(shí)際上表示LED的同一個(gè)光學(xué)性能。LED半波長(cháng)寬度選擇：R：20-25nm、G:35-40nm、B:25-30nm;LED色純度選擇：R：≥97%，G：≥75%，B：≥95%。

（6）LED芯片允許工作結溫的選擇

　　允許工作結溫愈高，產(chǎn)品性能愈好，價(jià)格愈貴。綜合考慮產(chǎn)品成熟程度與價(jià)格因素，LED芯片允許工作結溫大于125℃。

⑺最大工作殼溫的選擇

　　這是對封裝技術(shù)要求的一個(gè)參數，最大工作殼溫愈低，對封裝散熱要求愈高。表明封裝散熱技術(shù)愈好。最大工作殼溫選擇110℃。

⑻LED光源熱阻的選擇

　　熱阻這個(gè)參數直接反映了封裝技術(shù)的水平。散熱技術(shù)愈好，熱阻愈低，光衰愈小，燈的壽命愈長(cháng)。我們選擇PN結至封裝底座的熱阻：R:≤12℃/W,G、B：≤10℃/W。

⑼LED的壽命與光衰的選擇

　　LED的理論壽命為100000小時(shí)，但現在國際上實(shí)際能達到的是50000小時(shí)，即使用50000小時(shí)后，光衰不超過(guò)30%，光通量仍能保持初始值的70%。

1.8對燈具效率的要求

　　在對國際著(zhù)名品牌燈具效率考查的基礎上，我們提出了對LED燈具效率的要求。燈具輸出光通量不小于芯片封裝后的光通量的80%。

1.9對驅動(dòng)電源效率的要求

　　水立方LED建筑物景觀(guān)照明可以采用幾種電源驅動(dòng)方式。為了系統的功率損耗，節約能源，在考查了國際著(zhù)名品牌產(chǎn)品參數的基礎上，我們提出了對驅動(dòng)電源總體效率的要求，從交流電源到芯片的效率大于75%。

1.10 對燈光網(wǎng)絡(luò )控制系統通訊協(xié)議的要求

　　國際上燈光網(wǎng)絡(luò )控制系統流行的通訊協(xié)議是DMX512，、歐洲的ARTnet、美國的CAN。根據我國在IPv6的試驗應用上，已有一定經(jīng)驗，整個(gè)奧運公園燈光網(wǎng)絡(luò )控制系統采用了IPv6協(xié)議，水立方燈光網(wǎng)絡(luò )控制系統上層采用IPv6協(xié)議，同時(shí)兼容DMX512協(xié)議。