水立方LED建筑物景观照明设计研究

　　1.1照明方式的研究

　　四个立面的内外气枕是由3层ETFE膜构成，顶面的内外气枕是由4-5层ETFE膜构成。ETFE膜对各种波长光的透射率很高，见图1。

图1  ETFE膜光学特性图

　　如采用“外投光照明方式”，由于没有良好的反射面，大部分光通将透过气枕投射到建筑内部，形成干扰光，气枕表面亮度不会很高，将无法达到预期效果，特别是对于顶面无法实现外投光照明。而且如采用外投光照明，在建筑物四周要树立支架，对环境将会有不利影响。

　　如采用“一般内透光照明方式”，由于光线需要经过6-8层膜才投到外层气枕外层ETFE膜上，光的损失较大，气枕外表面亮度也不会很高，同样达不到预期效果。

　　由于“水立方”外表面虽有弧度但很光滑平整，气枕的边框尺寸较小，不适宜在上布线和布灯，而且如采用“笼廓照明方式”将破坏建筑物的立面效果，所也不宜采用“轮廓照明方式”。

　　通过各方多次论证与现场实验，确定采用了“空腔内透光照明方式”，即在固定外层气枕的钢结构内侧安装灯具向外侧投射的照明方式，这样光只透过单个气枕，光的损失仅为空腔内透光照明方式的一半，可达到较为理想的照明效果。这种照明方式的采用，为建筑物景观照明增加了一种新的方式，开创了建筑物景观照明的先河，对于膜建筑和玻璃幕墙建筑的建筑物景观照明有着重要意义。

1.2 光源选择的研究

　　由于两层气枕之间尺寸相对狭小，散热条件较差，不适宜安装尺寸较大、散热量较大的光源。在这样的条件下，比较适合的光源只有荧光灯与LED灯两种光源，因此我们重点对这两种光源进行了多次多方案技术经济对比。led寿命长，达5万小时，是T5管的2.5倍。在整个寿命周期内，LED是性价比最好的产品。LED不含汞，低辐射，废弃物可回收，有利于环保。光分布易于控制，通过一次、二次光学设计，通过光学透镜使光投射到需要的部位。易于集成，集计算机、网络通讯、图像处理等技术为一体，可在线编程，适时创新。可纳秒级快速响应，瞬时场景变换。更主要的是色彩丰富，利用三基色原理，照明可形成256X256X256种颜色；在点阵屏上可形成8192X8192X8192种颜色。灯体尺寸小，易于与气枕的边长尺寸配合。

　　如采用荧光灯，由于含有汞不利于环保。由于灯体尺寸较大，无法利用透镜只能利用反射体来进行布光，配光曲线很难理想。荧光灯尺寸较大不宜与气枕的边长尺寸配合。荧光灯是气体放电灯，响应速度较慢，无法实现场景快速变换，不利于场景设计。而且荧光灯RGB三色的混合也将是一个难题，需要开发新的灯具。荧光灯调光镇流器需要在一定电流时才能稳定工作。如采用荧光灯不仅所需功率而且消耗的电能都要显着地大于采用LED的方案。

　　通过多方多次多方案论证，最终确定采用LED光源。

1.3布灯方式的研究

　　“水立方”要求LED灯具白天不要影响建筑外观，夜晚LED照明不要影响室内的照明，做到见光不见灯。由于LED光源表面亮度较大，如投射方向和角度不合适，在一定位置会看到光斑，影响照明效果。经过大量现场试验，确定了在气枕的下侧钢结构框上安装灯具，向上投射，这样就不会看到光斑。我们把这种布灯方式称为“沿边布灯单向投射”。这种布灯方式将是“空腔内透光照明方式”的主要布灯方式，为以后其它建筑物采用“空腔内透光照明方式”时，解决了布灯方式的大问题。

1.4 色彩构成的研究

　　“水立方”是以蓝色为基本色调的建筑，灯光是否还需要红光也成为探讨的话题。蓝色象征“水”，红色象征“火”，“水”与“火”是矛盾的统一体，有了红色会增加水的美。特别是在奥运期间或赛后的重大节日期间，为与喜庆的气氛相协调必须要有红色。采用RGB三基色，灯具可混合出256X256X256种色彩，点阵屏可混合出8192X8192X8192种色彩，丰富的色彩为场景设计提供了广阔的空间和舞台。

1.5场景构成的研究

　　上述的照明方案虽能在一定程度上满足照明均匀度、色彩等方面的要求，但是无法形成动画，构图比较简单，还不能满足奥运会以及赛后运营的需要。经过多次现场试验，确定了在南立面装设2000m2点阵屏，与四个立面及顶面的灯光共同构成宏伟壮观的场景。通过系统集成技术，还可与护城河照明、环境照明、室外音响联动，光色与音响共同形成更加宏大的场景，诗情画意将使人们心神陶醉。

1.6 LED灯具RGB功率比的研究

　　在通常白平衡情况下，RGB的亮度比（光通量）为3：6：1。由于ETFE膜呈浅蓝色，灯光经过多层ETFE膜以后，会产生色移，色坐标X值与Y值发生变化。另外蓝光LED的光通量较红光或绿光LED光通量偏低。如何配置RGB的功率，为以后场景设计提供一个良好的硬件平台，这是一个非常关键的问题。通过多次现场试验确定了功率比为RGBB。

1.7 LED芯片及光源主要参数选择的研究

　　半导体照明产业是一个高新技术产业，是一个朝阳产业，正在逐步走向大规模应用，其应用范围正在逐步扩大。由于环保节能，各发达国家政府都制定了本国的发展计划。我国半导体照明产业近几年来得到了飞速发展，但与发达国家相比仍有较大差距，一些重要专利掌握在国外的企业手里。在对国内外有关产品深入调查的基础上，最终确定采用国际著名品牌的芯片，立面照明LED采用国外封装。顶面照明LED可采用国内封装，点阵显示屏LED可采用国内芯片及封装。

　　招标结果顶面照明也变成了国外封装。由于LED有区别于传统光源和灯具的一些参数。如何选择和确定这些参数也成为了研究的课题。

⑴单颗大功率LED功率和额定工作电流的选择

　　按照功率对LED进行分类，一般把0.5W及以上的LED称为大功率LED。国际著名品牌lumilaids、Creen、Osram的产品系列，额定工作电流为350、500、700、1000、1500mA等几个等级。在采用同样技术的条件下，单颗LED功率愈大，光效愈低，但可减少灯具数量，有利于节省投资；单颗功率愈小，光效愈大，但每个灯具内需要LED的颗数增加，灯体尺寸增大，增加了光学透镜的技术难度，对配光曲线有不利影响。在综合考虑技术、经济以及产品成熟的程度与实际使用经验等因素的基础上，确定了单颗LED额定工作电流为350mA,即功率为1W。

⑵峰值电流的选择

　　根据国际几家著名品牌的产品，对于350mA的LED其峰值电流有500mA、700mA两个系列。峰值电流为700mA系列的产品较新，价格较贵。最终确定峰值电流选择500mA系列产品。

⑶单颗LED光通量的选择

　　国际著名品牌的产品，不同LED系列产品的光通量不同。考虑到价格与产品的成熟程度，最终确定，在额定工作电流下，RGBLED的光通量分别为35、60、15Lm。

⑷LED主波长的选择

　　主波长是决定LED颜色的主要参数，选择正确与否会对场景效果产生影响。我们选择LED主波长为：R:622-629nm,G:520-525nm,B:465-470nm。

⑸LED半波长宽度与色纯度的选择

　　这两个参数实际上表示LED的同一个光学性能。LED半波长宽度选择：R：20-25nm、G:35-40nm、B:25-30nm;LED色纯度选择：R：≥97%，G：≥75%，B：≥95%。

（6）LED芯片允许工作结温的选择

　　允许工作结温愈高，产品性能愈好，价格愈贵。综合考虑产品成熟程度与价格因素，LED芯片允许工作结温大于125℃。

⑺最大工作壳温的选择

　　这是对封装技术要求的一个参数，最大工作壳温愈低，对封装散热要求愈高。表明封装散热技术愈好。最大工作壳温选择110℃。

⑻LED光源热阻的选择

　　热阻这个参数直接反映了封装技术的水平。散热技术愈好，热阻愈低，光衰愈小，灯的寿命愈长。我们选择PN结至封装底座的热阻：R:≤12℃/W,G、B：≤10℃/W。

⑼LED的寿命与光衰的选择

　　LED的理论寿命为100000小时，但现在国际上实际能达到的是50000小时，即使用50000小时后，光衰不超过30%，光通量仍能保持初始值的70%。

1.8对灯具效率的要求

　　在对国际著名品牌灯具效率考查的基础上，我们提出了对LED灯具效率的要求。灯具输出光通量不小于芯片封装后的光通量的80%。

1.9对驱动电源效率的要求

　　水立方LED建筑物景观照明可以采用几种电源驱动方式。为了系统的功率损耗，节约能源，在考查了国际著名品牌产品参数的基础上，我们提出了对驱动电源总体效率的要求，从交流电源到芯片的效率大于75%。

1.10 对灯光网络控制系统通讯协议的要求

　　国际上灯光网络控制系统流行的通讯协议是DMX512，、欧洲的ARTnet、美国的CAN。根据我国在IPv6的试验应用上，已有一定经验，整个奥运公园灯光网络控制系统采用了IPv6协议，水立方灯光网络控制系统上层采用IPv6协议，同时兼容DMX512协议。