淺析LED冰雪景觀照明技術(shù)

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

　　問(wèn)題與挑戰(zhàn)

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

　　（1） 傳統(tǒng)光源無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變換的照明效果，延續(xù)近40年的靜態(tài)景觀照明效果已經(jīng)阻礙了冰雪景觀藝術(shù)效果的提升，目前最迫切的需求就是，將凝固的冰雪景觀轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的、有生命力的景觀藝術(shù)。

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

　?。?）綠色節(jié)能是冰雪藝術(shù)景觀旅游文化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和方向。每年冰雪大世界的一項(xiàng)重要成本投入就是電費(fèi)開(kāi)銷(xiāo)，傳統(tǒng)光源光效低，尤其是在低溫運(yùn)行環(huán)境下耗能更大，因此采用綠色節(jié)能照明光源是冰雪景觀節(jié)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(shì)，逐漸成為冰雪景觀照明的發(fā)展趨勢(shì)。與傳統(tǒng)光源相比，LED的節(jié)能、長(zhǎng)壽、高可靠性、環(huán)保、易于變光變色控制等優(yōu)勢(shì)非常突出。但是LED照明屬于新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，尤其在冰雪景觀領(lǐng)域的應(yīng)用有著更大的挑戰(zhàn)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(shù)據(jù)指標(biāo)，才能最終符合需求。那么，讓我們來(lái)看看冰雪景觀對(duì)LED燈具有哪些方面的要求。

　　冰雪景觀照明的需求特點(diǎn)

　　從景觀設(shè)計(jì)方角度考慮，最被關(guān)心的問(wèn)題是LED燈具在冰體內(nèi)的投光效果、亮度的顯著性和照明控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的特技顯示效果。設(shè)計(jì)方要通過(guò)了解這些內(nèi)容，并通過(guò)冰建筑建模和照明效果建模的方式來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行預(yù)評(píng)估，最終確定方案的整體藝術(shù)效果。這是對(duì)冰雪景觀設(shè)計(jì)方案建立客觀評(píng)價(jià)體系的一個(gè)必不可少的過(guò)程。

　　從景觀施工方角度考慮，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(qiáng)調(diào)的是保證較高的施工效率、無(wú)需培訓(xùn)、接線快捷、只需一種工具甚至徒手即可完成；可靠性高強(qiáng)調(diào)的是LED照明系統(tǒng)的低故障率，要保證高效、流暢、無(wú)需調(diào)換檢修的安裝過(guò)程。冰雪景觀的建設(shè)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。

　　從景觀經(jīng)營(yíng)業(yè)主角度考慮，在滿足設(shè)計(jì)方和施工方要求的基礎(chǔ)上，要保證節(jié)能、可回收性好、成本低三點(diǎn)要求。節(jié)能要求較好實(shí)現(xiàn)，因?yàn)長(zhǎng)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冰雪景觀照明的節(jié)能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)計(jì)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)滿足這些要求。

　　LED冰雪景觀照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案需要考慮的幾點(diǎn)問(wèn)題

　　1、LED冰雪景觀照明的燈具選型

　　LED冰雪景觀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立面，通過(guò)平面反射表現(xiàn)景觀效果的燈具類(lèi)型。自從冰雪藝術(shù)景觀出現(xiàn)以來(lái)，設(shè)計(jì)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(tǒng)光源應(yīng)用時(shí)期是很難做到的。而LED的出現(xiàn)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(nèi)部，讓燈具的光軸法線與觀察方向垂直，因此觀察者看不見(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(nèi)部嵌入式的LED燈具對(duì)冰的質(zhì)感表現(xiàn)效果最好，因此將會(huì)成為L(zhǎng)ED冰雪景觀照明應(yīng)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(nèi)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材料晶瑩剔透質(zhì)感的可觀賞性。通常這種類(lèi)型的燈具應(yīng)用于冰雪景觀建筑需表現(xiàn)的主體線條和外輪廓裝飾。

　　2、配光方案

　　LED冰雪景觀照明燈具的配光方案推薦采用RGB三基色的構(gòu)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(xiàn)力最強(qiáng)，可形成對(duì)大多數(shù)顏色可見(jiàn)光的模擬表現(xiàn)；另一方面的因素是這種配光方案能夠適應(yīng)不同景觀的設(shè)計(jì)要求，保證回收重復(fù)使用的兼容性最好；最后一方面的積極因素是便于LED冰雪景觀照明系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。

　　與以往相比，傳統(tǒng)光源屬于每年冰雪景觀建設(shè)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(shè)計(jì)開(kāi)始，就要保證LED照明燈具對(duì)不同應(yīng)用設(shè)計(jì)方案的適應(yīng)性和兼容性。

　　3、LED冰雪景觀照明的投光效果研究。

　　投光效果是決定整體LED冰雪景觀照明效果的一項(xiàng)重要參數(shù)，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)面光源的亮度顯著性要符合景觀的觀賞性要求，這里需要掌握兩方面的內(nèi)容。

　?。?）冰的透光和反射特性

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比LED各基色光在1m厚冰體和0.3m厚冰體內(nèi)的光強(qiáng)，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(zhǎng)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(duì)光線產(chǎn)生嚴(yán)重阻隔，透光性極差，因此在冰雪景觀立面藝術(shù)效果設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮投光效果在冰體內(nèi)部和拼接處的變化，以指導(dǎo)冰雪景觀立面藝術(shù)效果的設(shè)計(jì)方案。

　?。?）LED各基色光在冰體內(nèi)的光通量最低限定值

　　為了達(dá)到冰雪景觀立面投光的亮度顯著性，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和主觀評(píng)價(jià)的方法，總結(jié)了LED投光燈具各基色光在冰體內(nèi)的光通量最低限定值，為L(zhǎng)ED冰雪景觀照明的推廣應(yīng)用提供了寶貴的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。應(yīng)用環(huán)境條件是：冰體長(zhǎng)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(lán)色光源通量≥50lm.

　　這是指導(dǎo)LED冰雪景觀照明推廣應(yīng)用最重要的數(shù)據(jù)，也對(duì)LED冰雪景觀照明的系統(tǒng)成本起到了決定性的影響。

　　4、保證LED冰雪景觀照明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行和較好可回收性的幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)

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

　?。?） 提高各部構(gòu)件的防護(hù)等級(jí)和抗沖擊性

　　LED燈具、線纜接頭、驅(qū)動(dòng)電源以及外置控制器的防護(hù)等級(jí)都應(yīng)保證達(dá)到IP67以上，同時(shí)提高這些構(gòu)件的抗沖擊性，對(duì)保證系統(tǒng)可回收重復(fù)使用至關(guān)重要。

　?。?） 提高各部構(gòu)件在低溫環(huán)境和冷熱交變環(huán)境運(yùn)行的適應(yīng)性

　　各主要構(gòu)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(lán)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?shù)奶幚砉に嚒?/p>

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

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

　　5、LED冰雪景觀照明系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化

　　LED冰雪景觀照明系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)最有效地降低景觀照明投入成本，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(biāo)準(zhǔn)化做準(zhǔn)備。在其它方面，包括驅(qū)動(dòng)部分、控制部分，甚至燈具的外形尺寸，都需要形成標(biāo)準(zhǔn)，讓更多的LED企業(yè)按照標(biāo)準(zhǔn)提供產(chǎn)品，并通過(guò)投標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，讓我們的冰雪景觀照明建設(shè)承包方通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化得到最大的受益，這也是LED冰雪景觀照明系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要目標(biāo)和方向。

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