第 11 期 中 國 照 明 電 器 No 11 2018 年 11 月 CHINA LIGHT LIGHTING November 2018 櫔櫔櫔櫔 櫔 櫔櫔櫔櫔 櫔 毆 毆 毆 毆 國外報道 文章編號 1002 6150 2018 11 041 05 LED 和 HID 園藝燈具測試報告 上 章 爻 編譯 LED and HID Horticultural Luminaire Testing eport I Lighting esearch Center ensselaer Polytechnic Institute Leora C adetsky 概 要 倫斯勒理工學(xué)院照明研究中心 L C 通過與高 壓鈉燈 HPS 和金屬鹵化物燈 MH 園藝燈具進行 對比測試 對發(fā)光二極管 LED 園藝燈具的能耗和經(jīng) 濟性進行了評估 依據(jù)照明研究中心 2016 年進行的 在線調(diào)查和文獻綜述的結(jié)果 該中心項目團隊開發(fā)了 評估和對比園藝燈具的測試框架 框架包括測試 評 估和報告方法等內(nèi)容 基于等量光合光子通量密度 PPFD 條件下實現(xiàn)了對燈具的比較測試 植物的 PPFD 類似于建筑應(yīng)用中工作表面明視 照度指標 該框架包括 11 種燈具的指標和 5 種特定 應(yīng)用指標的分析 這些指標為種植戶提供了評估園藝 燈具性能的參考信息 照明研究中心使用該框架測試和評估了 13 只園 藝燈具 包括 10 只 LED 燈 2 只高壓鈉燈和 1 只金屬 鹵化物燈產(chǎn)品 本報告結(jié)果均是對每種模型的單只 燈具樣品進行基于電學(xué)和光度學(xué)的測試 該項目未進 行壽命測試 也未進行作物種植中燈具的評估 首先 照明研究中心對單只燈具進行光度學(xué)測 試 然后 以建模的方式建立燈具在模擬的溫室中應(yīng) 用的模型 估測要達到最低的 PPFD 和均勻性標準所 需的燈具數(shù)量以及照明系統(tǒng)能耗 照明研究中心發(fā)現(xiàn) 要保持原有 PPFD LED 園 藝燈具不能以一對一的形式替代高壓鈉燈 通常 獲 得與典型高壓鈉燈布局相同的 PPFD 需要更多 LED 園藝燈具才能實現(xiàn) 結(jié)果表明 強度分布起著重要作用 其中 2 只被 測試的 LED 燈具有高于高壓鈉燈的燈具光效 但是 在溫室應(yīng)用中仍然有更高的總功率要求 照明研究中心發(fā)現(xiàn) 與高壓鈉燈相比 LED 燈具 陰影增加是由于其尺寸相對較大造成的 而且溫室中 為獲得相同 PPFD 需要更多的 LED 燈具 LED 燈具 的陰影使溫室中的日光減少了 13 55 而高壓 鈉燈燈具僅使日光減少了 5 因此 有日光時 LED 系統(tǒng)光源可能需要更多的電能 通常 更多數(shù)量的 LED 燈具以及同等應(yīng)用效能 的電力需求會影響方案的全生命周期成本 照明研 究中心發(fā)現(xiàn) 有 3 只被測試的 LED 園藝燈照明系統(tǒng) 的生命周期成本較低 其余 7 只 LED 園藝燈的生命 周期成本都高于 2 只被測試的 1 000 W 高壓鈉燈照 明系統(tǒng) 評估結(jié)果表明 單獨考慮燈具效率可能會影響評 估結(jié)果 在達到 PPFD 標準時 燈具光強分布和布局 對進行精確的壽命周期成本分析十分必要 該報告 提供了一個技術(shù)中立的分析框架 相關(guān)各方可用其對 照明系統(tǒng)進行評估 1 背 景 1 1 市場 根據(jù) 2014 年發(fā)布的最新 美國農(nóng)業(yè)普查 報告 美 國園藝業(yè)務(wù)在花卉 苗圃和其他特種作物上銷售收入 達 138 億美元 園藝銷售額逐年增長 2014 年銷售額 較 2009 年增長 18 在美國 雖然 98 的園藝作物 生長在開放的環(huán)境中 但可控溫室面積仍然達到 8 95 億 ft 2 8300 萬 m 2 2014 年 加拿大溫室蔬菜市場銷 售額達到 12 9 億加元 約合 10 億美元 該報告所關(guān)注的園藝照明種植 是一種單位土 42 中 國 照 明 電 器 2018 年 地投入資本 勞動力和技術(shù)均較高的作物種植方式 相對而言 農(nóng)作物種植是在大面積土地上密集度較低 的種植方式 根據(jù)加拿大農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)食品部的統(tǒng)計 2016 年 蔬菜種植面積為 1 68 億 ft 2 1 560 萬 m 2 專業(yè)溫室 花卉和植物的種植面積為 7 800 萬 ft 2 700 萬 m 2 1 2 園藝設(shè)施與照明 使用電氣照明的受控環(huán)境園藝設(shè)施有 3 種類型 一是溫室 二是單層種植室內(nèi)設(shè)施 三是室內(nèi)垂直農(nóng) 場 在溫室中 電氣照明可用于在相對較低光照期間 增強日光 例如冬季 在后兩種類型的設(shè)施中 電 氣照明則是農(nóng)作物培育的唯一光源 本研究結(jié)果適用于所有 3 種類型的園藝設(shè)施 但 以下情況除外 陰影分析僅與溫室有關(guān) 光度模擬中未包含反射光 在光度模擬中 僅對典型溫室頂部支架間距 5 ft 或 1 5 m 的燈具進行研究 沒有研究燈具在單層種 植室內(nèi)設(shè)施中的典型間距的情況 補充照明用于受控環(huán)境中有多種原因 主要包 括 增加光合作用和產(chǎn)量 生物量 抑制或促進開花 光周期照明控制 縮短產(chǎn)品上市時間 改善作物品 質(zhì) 例如其形狀 光形態(tài)建成 外觀 口味和營養(yǎng)特 性 此外 紫外 UVB 280 315 nm 和 UVC 100 280 nm 光輻射和窄帶可見光 例如紅光 625 nm 或 藍光 470 nm 已被證明可以控制某些植物病原體 和昆蟲種群 大功率高壓鈉燈是溫室和單層種植室內(nèi)設(shè)施中 最常用的光源 但金屬鹵化物燈 熒光燈和白熾燈有 時也用于提供補充照明 在過去幾年中 越來越多的 LED 園藝燈具進入 市場 這些產(chǎn)品的制造商認為 LED 園藝燈具有節(jié)能 和使用壽命更長的特點 這是替換高強度氣體放電燈 HID 如高壓鈉燈和金屬鹵化物燈 的核心點 許多同行評審的期刊文章研究了在窄帶和寬帶 光源條件下各種作物及其產(chǎn)量的光譜調(diào)諧影響 但 是 據(jù)本報告作者所知 除了對光合作用產(chǎn)生的光子 通量 Yield Photon Flux YPF 之外 并沒有提出可預(yù) 測指標 許多文章僅用藍光 400 500 nm 紅光 600 700 nm 比率和紅光 遠紅光 700 800 nm 比率研究光源 雖然這些研究有助于讀者了解光譜 的影響 但并未形成基于恒定標準的作用光譜 該報 告未將光譜調(diào)諧指標列入框架的一部分 未研究可預(yù) 測的光譜敏感度指標 1 3 項目目標和任務(wù) 該項目的目標是開發(fā)一個框架 通過該框架可以 評估任意園藝燈具 實現(xiàn)對商業(yè)應(yīng)用中各種 LED 園 藝燈具的比較 并實現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)的比較 為了實現(xiàn) 這些目標 倫斯勒理工學(xué)院照明研究中心 L C 完成 了 6 項任務(wù) 1 進行了文獻綜述 以確定用于評估和選擇受控 種植環(huán)境燈具的主要指標和方法 2 進行了在線調(diào)查 以了解商業(yè)種植戶對溫室中 補充電氣照明運行的關(guān)注點和看法 3 根據(jù)任務(wù) 1 和任務(wù) 2 的結(jié)果 開發(fā)一個框架 用于評估任意園藝燈具 包括測試方法 評價指標和 表示格式 即數(shù)據(jù)表 4 采購 13 只園藝燈具 10 只 LED 燈 2 只高壓 鈉燈和 1 只金屬鹵化物燈 并進行光度學(xué)測試 5 分析測試結(jié)果并制備每只燈具的數(shù)據(jù)表 為了 完成分析 開發(fā)了一個定制軟件程序來計算每只燈具 所需的指標 并模擬它們在典型生長環(huán)境中的性能 6 使用 AGi32 中的光度模擬進行陰影分析 以 確定在溫室中各種園藝燈具對總能量耗費的影響 2 種植戶調(diào)查 照明研究中心于 2016 年 9 11 月進行了一個 19 項問題的在線調(diào)查 考察商業(yè)種植戶的反饋意見 主要 包括種植環(huán)境 補充照明使用情況 種植戶關(guān)注的內(nèi) 容 照明的能源使用情況 種植作物種類及其病害等 照明研究中心使用 Survey Monkey 譯者注 網(wǎng)絡(luò) 調(diào)查公司 進行調(diào)查 該調(diào)查并不收集受訪者的個 人信息 共有 62 名受訪者完成了這項在線調(diào)查 其 中 36 人是種植戶 其余 26 名受訪者是 非種植戶 除兩個問題以外 受訪者被允許跳過問題不作回 答 一個強制性問題是涉及工作單位 這主要是為了 將調(diào)查集中在種植戶范圍內(nèi) 另一個強制性問題是 關(guān)于是否使用補充照明的問題 沒有使用補充照明的 種植戶沒有被問及有關(guān)特定照明用途 技術(shù)或品牌名 稱等問題 照明研究中心工作人員利用美國農(nóng)業(yè)部 USDA 2012 年農(nóng)業(yè)普查地圖來區(qū)分園藝溫室使用 占比可能更高的州和縣 并通過電話和電子郵件聯(lián)系 了這些縣的當(dāng)?shù)赝茝V機構(gòu) 向當(dāng)?shù)胤N植戶發(fā)送在線調(diào) 第 11 期 章 爻 編譯 LED 和 HID 園藝燈具測試報告 上 43 查鏈接 照明研究中心工作人員主要聯(lián)系到美國北部 和加利福尼亞州 的推廣服務(wù)辦公室 這些地區(qū)冬 季更容易出現(xiàn)較冷的陰天氣候 更有可能為作物生長 提供補充電氣照明 此外 還使用 Twitter 等社交媒 體平臺向關(guān)注者和農(nóng)業(yè)貿(mào)易雜志通報該調(diào)查 接受照明研究中心工作人員采訪的幾位推廣人 員表示 他們所在地區(qū)的大多數(shù)種植戶通過使用沒有 補充照明的溫室環(huán)境來延長種植季時間 種植戶反饋的調(diào)查結(jié)果摘要如下 目前有 50 的種植者使用補充照明來種植作物 在使用補充照明的種植戶中 使用高壓鈉燈種 植作物的占 50 使用 LED 燈照明種植作物的占 25 其余 25 使用金屬鹵化物燈 熒光燈或其他照 明技術(shù) 如感應(yīng)或等離子照明 種植戶熟悉許多 LED 照明制造商 并已購買 了 LED 燈具 例如 通用電氣 GE LumiGrow 飛利 浦照明 P L Light Systems 和 Sunlight Supply 等 種植戶將成本問題 缺少相關(guān)信息和抱有懷疑 態(tài)度列為阻礙使用 LED 光源的因素 種植最多的 5 種作物是西紅柿 生菜 綠葉蔬 菜和 或微型蔬菜 花卉 羅勒或其他藥草 疾病和蟲害侵擾被認為是最重要的問題 超過 75 的種植者認為環(huán)境成本 能源成本和勞動力成本 也很重要 白粉病和霜霉病是最常見的植物病害 如果方法可行 77 的種植戶會考慮使用補充 照明代替化學(xué)方法來治療作物病蟲害 大多數(shù)種植戶不了解他們每月的照明電費成 本 65 的種植戶稱 他們支付固定能源費或綜合費 率 基礎(chǔ)能源費和實際使用費 19 的種植戶不知 道電費賬單是如何計算的 3 框架 照明研究中心在 2016 年進行的文獻綜述和調(diào) 查 為種植戶提供有關(guān)園藝照明評估指標打下了基 礎(chǔ) 植物接受的輻照與人眼不同 因此評估園藝燈具 所需的指標與用于評估應(yīng)用于人類的照明指標不同 照明研究中心開發(fā)了 1 個框架 用于相關(guān)各方評估任 意園藝燈具并與其他燈具進行比較 該框架分為 3 個部分 1 必備的測試 2 對燈具和應(yīng)用涉及的特定指標進行分析 3 標準報告格式 即燈具數(shù)據(jù)表 通過 16 個指標為種植者提供有關(guān)任意燈具照明 性能的最佳可用信息 該框架應(yīng)隨著新的可測試 度量標準的發(fā)布而更新發(fā)展 例如可調(diào)節(jié)照明 3 1 燈具測試方法 照明研究中心為園藝燈具開發(fā)出以下測試方案 框架 具有顏色調(diào)控功能的 LED 燈具要在全顏色通 道加電的條件下進行測試 使用功率計測量以下電氣特性 輸入電壓 V 功率 W 功率因數(shù) PF 和電流 總諧波畸變率 THDi 在積分球中進行光度學(xué)測量 并產(chǎn)生絕對光譜 功率分 布 SPD 文 件 用于計算光合光子通量 PPF 光合光子效率 PPE 和光敏色素光穩(wěn)定態(tài) PSS 應(yīng)用測角光度計測量燈具的空間強度分布 為每只燈具創(chuàng)建 IES 文件 按比例匹配積分球中測量 的絕對光通量 使用積分球中測量的絕對 SPD 數(shù)據(jù) 將標準光度強度分布轉(zhuǎn)換為光合光子強度分布 這 些強度分布用于光度學(xué)模擬 以滿足光合光子通量密 度 PPFD 目標值 通過測量每只燈具的 SPD 值對顏色均勻性進 行測試 在一個水平面內(nèi)圍繞水平軸間隔 15 角進 行 6 次采樣 0 15 30 45 60 75 照明研究 中心使用波長范圍為 380 830 nm 的便攜式光譜輻 射計 Gigahertz Optik 型號 BTS256 E 慕尼黑 德國 進行測量 將該設(shè)備安裝在帶有量角器的剛性梁上 量角器與燈具平行 燈具安裝在距地面 9 ft 高的位 置 以使測量距離至少為多數(shù)燈具最短邊的 5 倍 并 定義此處為 90 位置 3 2 燈具指標分析 測量結(jié)果用于計算評估指標 使種植戶以此評估 和比較園藝燈具 指標分為兩類 一類是特定燈具指標 可以直接用于評估應(yīng)用 另 一類是特定應(yīng)用指標 它在評估中的應(yīng)用需要由其他 給定評估條件才能確定 諸如目標 PPFD 和培育設(shè)施 的幾何結(jié)構(gòu)等 照明研究中心創(chuàng)建了一個自定義 MATLAB 程序來分析測量數(shù)據(jù)的框架指標 軟件結(jié)果 對標 AGi32 軟件包和參考文獻 以驗證計算是否正確 44 中 國 照 明 電 器 2018 年 表 1 框架指標 Fig 1 Framework metrics summary 指標 描述 符號 輸入電壓 測量燈具的輸入電壓 V 功率 測量燈具的功率 W 燈 功率因數(shù) 功率因數(shù) 理想值為 PF 0 9 PF 具 電流總諧波畸變率 測量燈具的電流總諧波畸變率 理想值為 THDi 20 THDi 特 光譜功率分布 離散波長 例如 380 830 nm 的絕對輻射通量 這是用于計算其他指標的中間過程指標 通過測量 SPD值以確定峰值波長和全寬 半寬光譜分布 SPD 性 光合光子通量 波長范圍在 400 700 nm 的光子流速 即光合作用有效輻射 PA 范圍 類似于流明 PPF p 光合光子效率 受測燈具的 PPF 除以功率 為燈具的效率 PPE K p PA 范圍內(nèi)的 SPD 百分比 與測量的總光子通量相比 計算 PA 波長范圍內(nèi)發(fā)射的光子百分比 PPF p 光敏色素光穩(wěn)定態(tài) SPD對光敏色素的影響 光敏色素是一種參與種子萌發(fā) 開花和其他形態(tài)方面的色素 PSS 光合光子強度分布 光合光子強度的空間分布 類似于光度學(xué)發(fā)光強度分布 在計算滿足目標 PPFD 的燈具布局時 用作光度學(xué)模擬中的中間值度量 I p 不同角度下的 SPD 值 和輻射通量百分比 基于各種角度照射時 SPD 值的顏色均勻性度量 作物分別處于垂直照射和不同角度照射情況下 對其相應(yīng) SPD 值的相似度進行評估 N A 光合光子通量密度 1 m 2 區(qū)域內(nèi)的光合光子通量 通常在植物冠層上 類似于勒克斯表示的光照度 用于 LSAE LCCA 和 LPD 計算 PPFD 應(yīng) PPFD 均勻性 最低值與平均值比率 LSAE 計算中使用的指標 N A 用 燈具系統(tǒng)應(yīng)用功效 燈具布局滿足設(shè)定的 PPFD 和均勻性標準時的系統(tǒng)功效 有效光輻射與系統(tǒng)功率的比值 LSAE 特 照明功率密度 滿足目標 PPFD 時每單位培育區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)功率 LPD 性 生命周期成本分析 滿足相同目標 PPFD 的燈具系統(tǒng)所用成本和其他經(jīng)濟指標測度 LCCA 3 2 1 燈具特定指標 對以下 4 項燈具特定的電氣指標進行了測量 并 在框架報告而不需要進一步計算 輸入電壓 功率 功率因數(shù) 電流的總諧波畸變率 還要測量以下幾個燈具特定的輻射度指標 1 光譜功率分布 縮寫 符號 SPD SPD 是指在 380 830 nm 范圍內(nèi)每個被測波長 的絕對輻射通量 可以通過測量 SPD 值 確定峰值 波長和全寬 半寬光譜分布 單位 W nm 使用積分球測量絕對 SPD 值 燈具以額定輸入功 率運行 測量依據(jù)照明工程學(xué)會 IES 美國國家標準協(xié) 會 ANSI 或美國農(nóng)業(yè)和生物工程師協(xié)會 ASABE 的照 明測量 LM 規(guī)范進行 例如 IES LM 79 08 2 光合光子通量 縮寫 符號 PPF p PPF 是光合作用有效輻射 PA 范圍內(nèi)光子的 流量 范圍是 400 700 nm 根據(jù) ANSI ASABE S640 JUL2017 它表示發(fā)生光合作用的光子摩爾數(shù)量 類似于流明 有兩種方法可以量化 PA PPF 或產(chǎn)生的光子通 量 YPF 不同之處在于 PPF 對一定波長范圍內(nèi)的 所有光子進行等同的計數(shù) 而 YPF 則增加了一個加 權(quán)函數(shù) 該函數(shù)說明植物使用不同波長輻射來驅(qū)動光 合作用的程度 如圖 1 所示 類似于用明視發(fā)光效率 函數(shù) V 計算流明 第 11 期 章 爻 編譯 LED 和 HID 園藝燈具測試報告 上 45 本框架測量 PPF 值 而不使用 YPF 因為 園藝 行業(yè)尚未就 YPF 的廣泛適用性達成共識 商業(yè)檢測 設(shè)備通常測量 PPF 標準委員會 例如 ASABE 已經(jīng) 對使用 PPF 進行了標準化 商業(yè)檢測設(shè)備通常測量 PPF 而不是 YPF 即測 量 400 700 nm 范圍內(nèi)未加權(quán)光子密度 YPF 首先由 K J McCree 于 1971 年進行量化表 示 他發(fā)表了一個作用光譜來定義 22 種作物的 PA 該作用光譜是基于恒定光合速率的窄帶光譜 其波長在 350 750 nm 波長范圍內(nèi) 輻照度為 16 150 mol m 2 s 受測作物的平均作用光譜稱為相對 量子效率 QE 并用于計算 YPF McCree 將預(yù)測 的光合速率與幾種寬帶光源下的測量速率進行了比 較 發(fā)現(xiàn)作用光譜是相加關(guān)系 但是 由于若干原因 YPF 未被接受為一致認可的指標 例如 指標僅用在 中低等輻照度水平和植物單葉 非整株植物 上使 用 受測作物的短波敏感性差異導(dǎo)致無法對使用寬帶 光源的作物進行精確預(yù)測 相比用未加權(quán)敏感度函數(shù)計算 PPF 而言 QE 敏感度函數(shù)減弱了對短波的敏感度 結(jié)果 YPF 數(shù)值 一般比 PPF 值低約 7 最近的標準文件 ANSI ASABE S640 JUL2017 已將 PPF 單位為 mol s 和 PPFD 單位為 mol m 2 s 推薦為整套標準指標的一部分 圖 1 PPF 和 YPF 的相對敏感度函數(shù) Fig 1 elative sensitivity functions for PPF and YPF 單位 微摩爾每秒 mol s 計算 PPF 的計算方法是將絕對 SPD 中每個波 長的輻射通量轉(zhuǎn)換為光子通量 并將光子通量從 400 700 nm 積分 3 光合光子效率 PPE 是測得的燈具 PPF 與其功率之比 它類似 于燈具光效 lm W Nelson 和 Bugbee 測量了各種 HID LED 和熒光 燈燈具 并發(fā)布了每類燈具的 PPE mol J 數(shù)據(jù) 2014 年 最高效的 HPS 燈具 PPE 達到了 1 70 mol J 0 94 1 70 mol J 同樣 10 只受測試 LED 燈具 中有 1 只達到了這一數(shù)值 0 89 1 70 mol J 近期美國能源部 DOE 的報告顯示 2017 年 同 類型最佳 LED 燈具的 PPE 達到了 2 5 mol J 2017 年雙端 HPS 燈具為 2 1 mol J 單位 mol J 計算 PPE 的計算是將 PPF 測量數(shù)值除以輸入 功率 4 PA 范圍內(nèi)總 SPD 值的百分率 縮寫 符號 PPF p 在 PA 范圍 400 700 nm 內(nèi)測得的總 SPD PPF 或 p 的百分比 研究人員已提出用該指 標來表示燈具在 PA 范圍內(nèi)產(chǎn)生光輻射的效率 單位 無 計算 PPF 的計算方法是將 400 700 nm 之間 的積分光子通量除以整個 SPD 的積分光子通量 例 如 380 830 nm 之間 如果 SPD 之間的波長范圍 一致 則跨多個 SPD 的比較是準確的 5 光敏色素光穩(wěn)態(tài) 縮寫 符號 PSS PSS 是測量 SPD 對光敏色素影響的指標 光敏色 素是一種光活化植物蛋白 可調(diào)節(jié)光形態(tài)建成反應(yīng) 種子萌發(fā) 開花和光合作用 光敏色素是一種雙穩(wěn)態(tài)光致色素 可調(diào)節(jié)光形態(tài) 反應(yīng) 以及種子萌發(fā) 開花和光合作用 光敏色素的 活性形式是遠紅光吸收型 P fr 非活性形式是紅光 吸收型 P r Sager 等人 1988 設(shè)計出被稱為光敏色素光穩(wěn) 定態(tài) PSS 的指標 用來評估光敏色素的相對活性 較高的 PSS 值表明 SPD 將激發(fā)更多 P r 而不是 P fr 在遠紅光波段 700 800 nm 具有較高光通量的 光源 如日光 PSS 0 73 和白熾燈 PSS 0 67 具有 比 HPS PSS 0 86 和 MH PSS 0 80 更低的 PSS 值 單位 無 計算 PSS 的計算方法是將輻射通量與每個波長 P r 函數(shù)之積除以輻射通量與每個波長 P r P fr 函數(shù)之積 未完待續(xù) 摘譯自 L C 于 2018 年 4 月發(fā)布的報告