随着国家双碳建设不断深入，照明节能步入快车道，传统照明逐步被LED照明所取代，照明节能有望成为率先完成减碳目标的行业之一。随着节能降碳在行业中创新迭代，照明节能的重点似乎已转向制造领域以及智慧节能。而制造加工、智能管控几乎适用于所有行业，严格意义上来说不能归属于照明技术减碳范畴。照明节能除了高光效灯珠外还可通过优化灯具控光设计减少溢散光等措施来进一步提升。本文结合应用案例，就如何通过减少溢散光实现高效控光节能做技术分享。

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 对于功能性户外照明，非必要用光应尽量避免

如何减少溢散光？照明设计师做了大量的控光模拟，但收效甚微。我们知道，LED照明原理是通过灯珠依矩阵式排列组成光源来实现的，每颗灯珠都具有向下发光特性但彼此发光角度不同向，虽经过二次配光，仍难以避免灯具内全反射光过多而形成溢散光。整灯光效越大，产生的溢散光越多。这也是为什么功能性照明灯具光效越高，环境亮度越高，却未能实现进一步降低能耗的主要原因。

以路灯照明为例（下同）

满足路面照度（亮度）前提下，不同光效LED路灯替代高压钠灯，节能率始终徘徊在35%左右，并未随着光效提高而同步提高。但高光效灯具用于功能性照明会制造更多光污染，影响城市光环境。

目前国际社会对治理光污染呼声很高，全球照明协会、联合国环境署都先后发表声明对照明场景应用做出严格界定与警示规范。天文台、天文爱好者，教育、医疗机构专家学者，动物保护组织也疾呼，光污染已严重影响天文观测、人们的健康睡眠以及动物迁徙，已成为非解决不可的城市顽疾。上海市十五届人大已率先在全国立法，在严重的光污染区域，对用能单位违规行为可做出相应行政处罚。

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 目前单纯依靠透镜进行二次配光技术路线， 无助于消除溢散光

就目前行业发展来看，二次配光技术尚无法解决因全反射光过多而导致溢散光增加从而降低照明效率难题。控制溢散光可以采取成像光学等其他技术手段实现，但用于户外照明成本畸高且不现实。但可以通过有效光组织如交叉光学设计，实现集中反射定向发光，消除灯具内自由反射光，从而达到精准控光的目的。

但同时我们也注意到，定向发光是通过干预出光面手段实现的，一定程度上不可避免地会降低整灯光效，但统一射向特定需求界面的光强会有所提高（光源在特定方向的发光能力增强），即通过精准管控改变光的行进路径后可实现进一步节能，有利于降低功率密度，实现单位功率有效光通量最大化。

图1 精准控光与常规配光呈现的效果

如图1所示，相同功率灯具比较：深黄色定向发光区域的实测整灯灯具光效（光通量）会偏低；浅黄色发光区域实测灯具整灯光效（光通量）相对高。但深黄色区域发光更聚焦于预定照射区域，光通量（流明数）虽小但光强大；而浅黄色区域尽管整灯光效高，但分配到预定照射区域的光通量（流明数）变小，光强也相对小。同样达标照度要求，显然深黄区域可选择更低功率、更加节能。

现行能效标准定义尚未充分意识到高光效照明灯具会产生如此大的“副作用”（即图1中眩光区域，直接眩光、光侵扰），且仍在鼓励优先选用高光效产品。高效照明是在确保照明效果的前提下，通过高光效光源、精准配光灯具以及分区域照明设计组合来达到照明应用的整体高效。“高效照明”不照亮额外的地面，节省了灯具和建材，不浪费多余的光。

这里需要澄清的是，并不是所有应用场景使用高光效灯具都是弊大于利，比如室内空间、体育场馆等场所，在满足标准亮度前提下，使用高光效灯具更有利降低成本。这里重点阐述的是，室外空间满足功能性照明场景需求前提下，该如何避免光污染对环境的侵扰，从而挖掘更大节能潜力。

上海迪士尼旅游度假区、上海市宝山区海江路、上海市奉贤区南庄公路路灯，经过精准控光设计后，适当降低产品光效，减少了无效空间亮度、增加了路面照度，相同道路等级比较，可比未精准控光LED灯具节能提高近30%。

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抑制溢散光基本技术原理

3.1 折射式光学和反射式光学特点

现有照明产品控光都是通过透镜进行二次配光（折射式光学），它是利用光波在不同介质（透镜）其行进方向不同的特性，譬如道路照明，灯杆立于路边是典型的非对称照明，需要通过透镜控制LED光至不同的地方。

折射式光学优点在，车行方向配光曲线分布很容易设计成最佳行车照明效果，配光曲线最大值在60°~65°。劣势是路宽方向配光曲线分布角度较不易设计，若设计涵盖路幅宽度更大一些会降低照明效率，形成更多全反射光，虽然照明利用率可以满足，但光学总利用率（灯具效率×照明利用率）还是偏低，不利于节能。

而矩阵集中反射式光学设计（图5），通过调整设计反射体（导光板）的高度及角度，将LED所发出的光精确引导到所预计的地方。反射式光学设计的优点在于，车行垂直方向（路宽方向）配光曲线分布角度可精准设计，可使光束分布角度涵盖范围略高于路幅宽度，充分把控住照明效率最佳临界点，这样做的好处是灯具效率高，照明利用率高，所以光学总利用率也高，最大限度实现节能。缺点前面提到会损失部分光效，使空间看起来不够亮（相较折射式光学设计）。

图5 可变换角度导光模块实现按需配光

3.2 提高照明能效的灯具配光设计原则

任何配光设计带来视觉效果上的些许改变都是难以避免的。为了提高灯具照明利用水平（照明能效），必须降低全反射光。灯具设计应满足以下原则：

（1）配光曲线设计：设计路宽方向配光曲线分布角度应尽量收窄，以防止光束落在道路有效范围以外；

（2）空间分布设计：与灯具铅垂线夹角80°~90°环形区域范围内的无效光应尽力避免，屏蔽有效照明区域以外的上射光（详见参考文献^[4]）。

图6所示为折射式光学的光线行径图，显示LED灯珠在不同方向发光，导致溢散光过多，降低照明效率。

图7所示为有组织控光反射式交叉光学光线路径图，显示溢散光生成条件可大大降低。

图6 折射式光学的光线行径图

图7 有组织控光反射式交叉光学光线路径图

图8为常规配光（折射式光学）照明示意图。采用精准控光与常规配光叠加后的照明效果如图9中的红线所示。通过图8和图9对比可以看出，精准控光后，红线以上的倒三角形区域（无效照明区域）内的无效光被大量屏蔽了，取得非常好的节能效果。

图8 常规配光照明示意图

图9 精准控光后与常规配光叠加后照明示意图

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结论与建议

基于以上分析可以得出如下结论。

4.1 任何事物都有利与弊两面性，做到扬长避短才能物超所值

LED出光效率的大幅度提升使得区域照明亮度增强。与传统光源相比，除具有高显色性外，光效高，相同功率看起来更亮。但这里的“更亮”如未能精准把控，会对夜间环境造成侵扰。适当降低空间非必要亮度，提高需求界面强度，有利于控制光污染，并实现真正意义上的更节能。

LED的显色指数与光效、色温成反比。适当“降低”光效，优先使用低色温光源，可以提升雨雾天视觉分辨能力，保持更好的安全性。所以，针对光源特点实施组合应用，可以收到一举多得的理想效果。

以功率密度作为功能性照明评价标准。有利于不同技术路线产品在满足设计标准前提下，根据照明场景选择不同光效灯具，发挥各自设计所长，光效宜大则大、宜小则小。鼓励生产厂商、用能单位选择与照明场景需求相对应的“适配”能效产品，最大限度降低功率，有利于节能。原则上功率密度越低越好。

4.2 关于灯具光效与灯具能效的区别

灯具光效与灯具能效是两个不同概念。灯具光效高，单位功率出光量更大，当然是我们所期待的。灯具光效同时也是一把双刃剑，把握不好会对环境产生不利影响。

光效值通常理解为灯珠光通量（流明数）输出指标判定值。但灯具光效可以通过技术手段做到逼近灯珠光效，却不能与灯具能效概念混淆。因为灯具能效虽由光源提供，但灯具能效值是由照明预定场景决定的。灯具光通量若不能覆盖到最优照明规定场景，其能效该如何选择就应重新定义。过去一直主张相同照明场景光效越高越好。这种情形虽满足了区域照明的基本功能“能用”，却忽视了集约、有效照明的重要性“用能”。特别是在节能降碳、以人为本的大环境下，定性不够严谨会误导消费者。当下亟待提升功能性照明效率。

电光源→灯具→被照射的地面，存在多级能量转换，如图10所示。由此，相关术语的含义如下：

电源效率：η₁=P₂/P₁(%)

灯具效率：η₂=L₂/L1(%)

照明效率：η₃=L₃/L₂(%)

照明利用系数(U)：

U(η₀)=η₃×η₂=L₃/L₂×L₂/L₁=L₃/L₁(%)

灯具能效：L₂/P₁(lm/W)

照明能效：L₃/P₁(lm/W)

图10 道路照明多级能量转换定义图解

实践证明，最优照明场景恰恰应匹配不同等级的灯具光效。这是一个观念上的重大突破，也是和国际接轨的重要举措。因为在不同应用场景、不同配光曲线设计条件下，实际测得整灯光效会发生较大的变化。譬如，低位照明、隧道照明等安装高度相对较低的灯具，实测光效很难达到“高光效”。精准控光型路灯也是如此，由于收紧了道路横向配光，整灯光通量聚焦有效区域，流明数减少（图1中深黄色区域），整灯光效自然也会随之降低。

这进一步说明脱离应用场景及精准配光来定义整灯光效高低不够严谨。功能性灯具能效应与场景实际达标效果相对应，也就是说经检测达到理想照明效果的灯具能效才是我们所追求的“适配”整灯光效。

4.3 根据照明场景选择适配灯具光效

照明效果检测一是要满足设计规范，二是要避免无效照明（节能考量）。这考验灯具控光技术能否匹配最佳配光设计。但遗憾的是，现行强制性能效分级标准还在引导灯具选型尽量选择高光效灯具。这不免让人有些担忧，如果更高的光效不能贡献更大的节能率（如前所述光效倍增但节能率依旧徘徊在35%左右），那满足照度需求以外的光通量就会成为事实上的光污染。

提倡高光效的初衷是为了高节能，应兼顾节能需求并区分应用场景选择适配光效，把控不好会事与愿违给用光环境带来危害。毕竟节能降碳才是能效分级的初心所在。同时，修订能效标准不应过多鼓励灯具厂商竞相去拼光效（那是灯珠厂的事），而应鼓励厂家做好与使用场景完美匹配的产品设计。最好的配光设计一定匹配相对更低的灯具光效；相对更低的灯具光效更加契合适配光效灯具功率选型。

4.4 节能环保是照明行业提质增效的努力方向

当前，国家大力推动“能源双控”逐步向“碳排放双控”转变。明确提出，满足使用需求减碳是第一位的。这既是履行对国际社会的庄严承诺，也是我国自身发展的必然要求。照明行业也应与时俱进，抓住历史机遇，以照明场景为导向攻坚克难，努力推动照明节能朝更高目标跨越。

随着城市化的快速推进，城市功能变得更加多元，居住区、办公区界限变得愈发模糊，功能定位难以精准划分。这也是我们人口大国现实国情。加之人们素有“开门见喜、抬头见光”的传统出行习惯，似乎更容易接受或者适应“色彩斑斓、宛若白昼”的夜间照明。但现实告诉我们，我们所在的星球，更多的能源消耗已无法承载人类活动无节制需求，全球气候变化已为我们敲响了警钟，节制用光并非要减少我们的功能性照明需求数量，而是让用光变得更加精准、更有效率。比起节能这一基本国策，我们的消费习惯也应该有所改变。

4.5 人工照明应力求做到以人为本、按需照明

ESG（Environmental,Social and Governance）评价体系建立与完善被越来越多人所熟知，成为国家治理体系重要组成部分。其中环境治理被列为重中之重。光污染是环境治理重要组成部分。宇航员遥望地球，看到最亮的部分便是城市街区照明。倘若采取措施稍加控制，便可避免人造光与日月争辉，人们在自由穿梭的同时可以翘首仰望浩瀚星空。为避免把光送上天空，就要毫不动摇地选择控光型灯具，净化夜空同时，也保护了人类自身的健康以及对动植物侵挠。

“精准控光、按需照明、应照尽照、趋利避害”或将成为今后高质量发展所应遵循的行为准则。