2018-LED和HID园艺灯具测试报告_下_章爻.pdf

第 12 期 中 国 照 明 电 器 No 12 2018 年 12 月 CHINA LIGHT LIGHTING December 2018 櫔櫔櫔櫔 櫔 櫔櫔櫔櫔 櫔 毆 毆 毆 毆 国外 报道 文 章 编号 1002 6150 2018 12 039 11 LED 和 HID 园艺灯具测试报告 下 章 爻 编 译 LED and HID Horticultural Luminaire Testing Report II Leora C Radetsky Lighting Research Center Rensselaer Polytechnic Institute 续 上 期 6 光合光子强度分布 缩写 符号 Ip 单位 mol sr s 光合光强分布是在最大光强的两个二维平面上 显示光合光子强度的空间分布 蝙蝠翼 型的光合 光子强度分布可以在更宽区域范围提供更均匀的 PPFD 垂直角较高强度较高 这是照明布局的典型 目标 计算 光合光子强度是单位球面角的 PPF 值 将 IES 文件中给出的发光强度值转换为光合光子强度 值 使用绝对 SPD 数据 进行计算 7 相对 SPD 和不同垂直角度下的辐射通量百 分比 缩写 符号 N A 照明设备颜色均匀性的量度 它以两种方式计 算和呈现 一是不同垂直角下辐射通量百分比的表 格 二是不同垂直角度下相对 SPD 值的图形 可以 使用这些信息来评估作物位于不同位置时的 SPD 值 即比较作物直接在灯具下方和离开灯具一定距离 时 SPD 值的变化情况 计算 在 6 个垂直角位置 每一处测得的 SPD 值 都被标准化 使得最大辐射功率被设置为等于 1 辐 射通量被整合在特定波段 UV 350 400 nm 蓝光 400 500 nm 红光 600 700 nm 远红光 700 800 nm 并且针对每个垂直角计算辐射通量百分比和蓝 光 红光比率及红光 远红光比率 3 2 2 特定应用的指标 园艺灯具的比较不应仅在灯具性能水平上进行 比较 也应在系统水平方面进行 从而满足应用要求 1 光合光子通量密度 缩写 符号 PPFD PPFD 是入射在一个区域上的光合光子通量 是 辐照度水平的主要指标 PPFD 用每平方米 PPF 值 测量 并且类似于明视光照度 用勒克斯计量 的概 念 与光照度一样 平均 PPFD 通常用作种植作物的 目标光照标准 PPFD 是用来计算灯具系统应用功效 LSAE 的 中间指标 并用作等效标准 以确定生命周期成本分 析 LCCA 中使用的灯具数量 PPFD 和光照时间用 于计算日光积分量 DLI 并且需要足够高的 PPFD 在每天单位时间段内提供必要的 DLI 背景 PPFD 指标的主要用途是计算 DLI 的中间 指标 补充照明需求量通常基于 DLI 即光合作用所 需的 24 h PPFD 量 它是 PPFD 和时间的函数 以 mol m 2 day 为 单 位 换句话说 对作物的目标 DLI 值而言 PPFD 和时间可以彼此互换 图 2 显示了计算 DLI 时 在 5 个目标 PPFD 水平 即 75 mol m 2 s 150 mol m 2 s 225 mol m 2 s 300 mol m 2 s 500 mol m 2 s 和 1000 mol m 2 s 和 3 个持 续时间 12 h 16 h 和 20 h 条 件下的结果 例如 通过使用不同的持续时间 目标 DLI 可以实现的 3 个目标 PPFD 值 即 150 mol m 2 s 225 mol m 2 s 和 300 mol m 2 s 美 国 普 渡大学农业推广系统建议在温室中种植的各种作物 的 DLI 水平 可接受质量下限的 DLI 范围为 2 10 mol m 2 day 具体 情况还要取决于作物要求 种植 40 中 国 照 明 电 器 2018 年 质 量优良的水平要求 DLI 值 达 到 4 14 mol m 2 day 单 位 mol m 2 s 计 算 PPFD 的计算是表面 PPF 入射量除以该表 面积 平方米 在计算中不考虑相互反射和障碍 物 光度学模拟中用于确定提供目标 PPFD 所需的 灯具数量 图 2 一 系 列 PPFD 值和持续光照时间对应的 DLI 值 2 PPFD 均 匀 性 PPFD 均匀性是指目标 PPD 最小值与平均值之 比 它是计算 LSAE 时使用的中间指标量 背景 作物种植面上的 PPFD 均匀性通常作为重 要的设计考虑因素 但是目标均匀性指标很少被提 出 推荐值的论证也未给出 费希尔等 2001 建议 最小与最大比率为 0 70 园艺照明行业的常见经验 法则是 优选均匀度方案是 PPFD 最小值与平均值的 比值为 0 8 1 次优选择为 0 6 1 计算 用最小 PPFD 除以平均 PPFD 进行计算 3 灯具系统应用功效 缩写 符号 LSAE 照明研究中心开发了一种 LSAE 方法 用于在不 同 PPFD 水平和安装高度条件下 对灯具数量和应用 效率进行比较 LSAE 是灯具布局的系统功效 即在 给定安装高度的条件下 满足生长区域的特定 PPFD 值和均匀性要求 较高的 LSAE 值表明给定的灯具布局条件下 对 满足目标要求更有效率 在 LSAE 值数据表中给出 了一 系 列 PPFD 值 75 mol m 2 s 150 mol m 2 s 225 mol m 2 s 300 mol m 2 s 500 mol m 2 s 1000 mol m 2 s 和安 装高度 以 1 ft 为间隔 测试 1 8 ft 即以 0 3 m 为间隔 测试 0 3 2 4 m LSAE 表还显示了在给定安装高度并满足 目标 PPFD 值和均匀性标准条件下所需要安装的灯 具数量 可以比较特定 PPFD 值数据表中的灯具数量 以 确定 1 最佳安装高度下 需要的最少灯具数量 不良 温度因素除外 以及 2 确定在改进方案时是否需要 调整灯具数量 计算 LSAE 是使用光度学模拟进行计算 通过 计算一系列灯具安装高度间隔为 0 12 m 的 PPFD 值 生长区域面积为 30 ft 36 ft 1080 ft 2 或 100 m 2 灯具在生长区域 内 以矩形阵列排列 并使用最 少数量的灯具提供目标平均 PPFD 水平 在光度学 模拟中 灯具位于顶部悬挂设备的支撑位置 照明研 究中心发现受测灯具都不能满足优选 0 8 均匀度 标准 因此 使用 0 6 的次优值 LSAE 是将均匀度 比率大于或等于 0 6 1 的 PPFD 值相加并除以生长 区域中所有灯具的输入功率之和进行计算的 4 照明功率密度 缩写 符号 LPD LPD 是给定生长区域中的单位照明功率密度 灯 具布置要满足目标 PPFD 值的要求 单位 W ft 2 W m 2 计 算 计 算 LPD 时灯具数量的确定 是基于在安 装高度满足目标 PPFD 达到 300 mol m 2 s 所需 的 数量 同时 此高度下产生最高的 LSAE 值 灯具 布置在 30 ft 36 ft 的种植生长区域 1080 ft 2 或 100 m 2 计 算 LPD 是用总系统功率 灯具数量 灯具功 率 除以种植区域面积 5 生命周期成本分析 缩写 符号 LCCA 相同目标 PPFD 下 特定种植区域内每年使用 3 000 h 以 20 年为一生命周期 以此估计灯具系统的 生命周期成本 计算内容包括 LPD 值 收益率和投 资回报估算 LCCA 既要调查灯具价格信息 也要估 算更换 故障率及其成本 费用 美元 单位面积成本 每平方英尺美元和每平方米美元 LPD W ft 2 W m 2 单位区域的年能耗 每平方英尺每年千瓦时和每 平方米每年千瓦时 单位区域的年度能源成本 每年每平方英尺的美 第 12 期 章 爻 编译 LED 和 HID 园艺灯具测试报告 下 41 元和每年每平方米的美元 回 报 率 百分比 回收期 年 20 年以上的总支出 使用现值美元 计算 相同目标 PPFD 条件下 系统测算包含以 下信息 灯具成本 安装成本 灯具成本密度 LPD 和 年度能源使用密度 LCCA 提供以下指标 与 600 W 和 1000 W HPS 系统的情况比较 系统的年度能源成 本密度 收益率和回收期 并估测 20 年的累计成本 使用的灯具数量是指某特定安装高度下所需安装的 灯具数量 即达到目标 PPFD 值为 300 mol m 2 s 时 LSAE 最 高 值 估算 30 ft 36 ft 生长区域 1080 ft 2 或 100 m 2 满 足 相同目标 PPFD 时 20 年生命周期内 每年 3000 h 的灯具系统的生命周期成本 用于 LCCA 测算的每种灯具类型的灯具数量是 基于达到目标 PPFD 时具有最高 LSAE 值进行布置 的 采用 3 的折扣率 使用 1000 W HPS 系统 P L Light Systems Med NXT LP 1000 W Beta 和 600W HPS 系统 P L Light Systems PL2000 HPS 600 W 240V 带 SON T PIA 灯 2013 年测试 作为比对基础 两系统均安装在作物冠层上方 6 ft 的高度 为了解释不同地区的电力成本差异 LCCA 分别 用低能源费率 0 1048 kWh 和高能源费率 0 20 kWh 进行计算 以下 假 设 用 于 LCCA 计 算 并 基 于 2017 年 RSMeans 公司数据 电工安装一个灯具 任何光源 的人工费率 69 美元 更换一盏灯 或灯及反射器 的人工费率 16 美元 P L Light Systems 建议每年清洁反射器 清 理一个 HID 反射器的人工费率 30 美元 清洁一个 LED 灯具的人工费率 6 美元 HID 的 LCCA 计算时 按 2 的灯泡年故障率 计算 LED 系统的 LCCA 计算 灵敏度分析以故障率 为 1 或 10 年内故障率为 25 计算 两种故障率的 总费用款显示在图表中 但 LCCA 汇总表中的总费用 单元显示的累积成本采用的是 1 故障率的假设 表 2 LCCA 计 算 中 HID 灯及反射器成本 灯 具 类型 品牌 类型 灯具型号 灯具寿命 h 灯具价格 美元 反射器寿命 h 反射器价格 美元 1000W HPS Gavita HPS Gavita ProPlus 1000W EL DE HPS 5000 135 10000 53 1000W HPS P L Light Systems HPS Ushio HiLux Gro Super HPS with optimized blue and red spectrum 10000 120 10000 40 1000W MH P L Light Systems MH Ushio HiLux Gro Super MH with optimized blue and red spectrum 10000 120 10000 110 600W HPS P L Light Systems HPS SON T PIA 12000 32 10000 40 3 3 灯 具 数据表 上面列出的指标以及其他信息显示在标准灯具 数据表中 推荐的数据表格式参考 附录 B 数据 表 数据项主要包括 灯具品牌 型号和目录号 通电灯具的照片 所测量的电气特性包括 输入电压 功率 THDi 和 PF 值 光输出特性包括 PPF PPE PPF 和 PSS 光合光子通量比较是比对灯具与受测园艺灯 具的 PPF 值进行比较 光合光子通量功效比较是比对灯具与受测园 艺灯具 PPE 值进行比较 LSAE 比较表是显示在一系列安装高度和 PPFD 值 75 mol m 2 s 150 mol m 2 s 225 mol m 2 s 300 mol m 2 s 500 mol m 2 s 和 1000 mol m 2 s 条件 下 LSAE 值的计算结果 该表还表明在给定安装高度下需要多少灯具来 满足目标 PPFD 和均匀性标准 可以比较给定 PPFD 值时数据表中的灯具数量 以便确定使用最少灯具的 安装高度 并且可以确定升级现有灯具时是否需要增 加或减少灯具数量 绝对 SPD 值 LCCA 表中提供 3 种照明类型的低能源费率 和高能源费率的估测累积成本 即受测 LED 灯具照 明 比对 600W HPS 照明和比对 1000W HPS 照明 Iso PPFD 等高线图 用于比较给定安装高度 下的光照度和均匀度 光合光子强度分布图 Ip 使用二维平面方式 42 中 国 照 明 电 器 2018 年 显 示 光强空间分布 单位为 mol sr s 与 Iso PPFD 等 高 线图类似 光合强度分布图有助于评估 灯具的空间分布 红线显示水平面上每个垂直角位 置的最大强度值 蓝线表示通过灯具中心且具有最 大强度角的垂直面 极坐标图中的四个环中的每一 个表示 25 的光强 最大强度值出现在外环 每条 辐射线间隔 10 颜色均匀度有两种表示方式 一是在多个垂 直角度下测量的相对 SPD 值 可以通过比较峰值波 长比率一致性判断颜色均匀度 例如 垂直角为 0 时 450 nm 660 nm 比率是否与其他垂直角度时的比 率相同 二是光波的辐射通量百分比表 UV 350 400 nm 蓝光 400 500 nm 红光 600 700 nm 远红 光 700 800 nm 以及蓝光 红光 红光 远红光比 率在不同垂直角的辐射通量 可以通过测量辐射通 量百分比和比率 观察作物生长区域内不同垂直角是 否有不同的意义 4 采购和测试灯具 2016 年 底 根据在线调查中种植者所提供的制 造 商 照明研究中心选择了用于测试的灯具 园艺照 明制造商通常生产某一类产品 即中高功率独立产 品 或者具有线性形状产生连续照明的 灯条 产品 一家制造商 Illumitex 拥有两种外形尺寸 表 3 中显示的灯具由作者根据种植者调查结果选择的 并 经本项目发起人批准而确定的 LRC 于 2017 年 2 月购买了灯具 测试于 2017 年 3 月至 7 月进行 HPS 灯具是目前用于温室照明的最常见类型 MH 灯具是另一类最常见的灯具 经测试的 HID 灯 具用作受测 LED 灯具的比对案例 如下所述 比对案例 1 2016 年购买并测试的两只 1000 W HPS 灯具 比对案例 2 2013 年购买并测试的 600 W HPS 灯具 比对案例 3 2016 年购买并测试的一只 1000 W MH 灯具 在测试之前将 HID 灯调试 100 h 这些灯具首 先在商业测试实验室 LightLab International Phoenix AZ 的测角光度计上进行了测试 测试实验室为 LRC 制作光度测试报告和 IES 文 件 测试完成后 HID 灯具和灯泡被送回 LRC 进行 进一步测试 所有灯具均在 LRC 的 2 m 积分球中进 行测试 以测量其 SPD 和电气特性 灯具在额定输入 电压下进行测试 对 LED 灯具所有颜色通道均以全功率条件进行 测试 每个灯具的 THDi 使用台架实验规程单独测 量 然后在近场成像测角光度计 PM NFMS Radiant Vision Systems Redmond WA 上测试 LED 灯 具 以确定它们的空间分布 然后使用 LightTools 将来自 ProSource 的计算射 线数据文件转换为远场强度分布 以用于照明模拟 对这些强度分布进行格式化后创建 IES 光度学文件 并与积分球中测量的绝对光通量进行匹配 用 LRC 积分球中测量的绝对 SPD 数据进行转换 将标准光 强分布转换为光合光子强度分布 沿一个水平轴以 15 角为间隔 对相对 SPD 值进 行采样 以测量每只灯具的颜色均匀度 表 3 采 购 HID 和 LED 灯具 光源 品 牌 额定功率 型号 单价 美元 HPS Gavita 1000 1000W HPS Grow Light Pro 1000e DE US 120 240 with one double ended Gavita HPS lamp 540 HPS P L Light 1000 1000W HPS with Beta reflector Med NXT LP 1000W Beta with one double ended Ushio HPS lamp 525 MH P L Light 1000 1000W MH with Maxima reflector MEDSLA MH 1000W 277V USH with one single ended Ushio MH lamp 569 LED GE 31 Arize Lynk GEHL48HPKB1 245 LED Heliospectra 630 LX601C 2400 LED Hubbell 425 Cultivaire CGS 4 FSG U W E U C6TL15 911 LED Illumitex 63 Eclipse W ESW14812F3UD 383 LED Illumitex 300 PowerHarvest W PHW5F3URC10P120 834 LED Lumigrow 300 Pro325e 1100 LED OSRAM 600 ZELION HL300 1800 LED Philips 200 GreenPower LED toplighting Deep Red White Far Red Medium Blue 955 LED P L Light 320 HortiLED TOP 150 distribution angle 120 277 Full Spectrum 0 10 V dimming 1186 LED Sunlight Supply 450 AgroLED 720 Dio Watt Full Spectru Low Pro 120 240 Volt 90 Optics 765 第 12 期 章 爻 编译 LED 和 HID 园艺灯具测试报告 下 43 5 结 果 5 1 灯 具 测试结果 每只灯具的详细测试结果在 附录 B 数据表 中提供 结果总结如下 如需附录内容可联系本 刊编辑部 5 1 1 电气结果 表 4 显示了积分球和台架试验有关电气参数的 结果 所有经过测试的 LED 灯具的功率都低于受测 HID 灯具 所有受测灯具都测量了 THDi 和 PF 值 这些值符合美国 DLC Design Lights Consortium 认证 技术要求 PF 0 90 THDi 20 表 4 受测灯具的功率 THDi 和 PF 测 量 结果 光 源 品 牌 额定功率 输入电压 V 测量功率 W THD i 值 PF 值 Base Case 1 HPS Gavita 1000 239 9 1069 3 7 5 0 99 Base Case 1 HPS P L Light 1000 239 8 1057 3 5 4 0 98 Base Case 2 HPS P L Light 600 2013 年 测 试 240 1 690 2 未测量 0 98 Base Case 3 MH P L Light 1000 277 0 1042 2 2 6 0 99 LED GE 31 120 1 30 0 11 5 0 99 LED Heliospectra 630 119 8 595 3 7 3 0 99 LED Hubbell 425 239 7 357 5 7 0 0 99 LED Illumitex 63 120 1 51 7 9 7 0 99 LED Illumitex 300 119 8 268 1 3 6 1 00 LED Lumigrow 300 119 8 299 9 2 9 1 00 LED OSRAM 600 119 9 373 9 5 1 1 00 LED Philips 200 240 0 194 7 7 2 1 00 LED P L Light 320 240 0 330 4 13 5 0 95 LED Sunlight Supply 450 119 9 414 1 7 9 0 99 5 1 2 辐射度测量结果 表 5 显示了每只灯具的计算 PPF p YPF PPE K p PPF p 和 PSS 表 5 受 测 灯具的 PPF YPF PPE 和 PSS 值测量结果 光 源 品 牌 额定功率 PPF p mol s YPF mol s PPE K p mol J PPF p PSS Base Case 1HPS Gavita 1000 1837 1748 1 72 76 7 0 84 Base Case 1HPS P L Light 1000 1801 1716 1 70 77 2 0 85 Base Case 2HPS P L Light 600 2013 年 测 试 926 881 1 34 75 0 0 85 Base Case 3MH P L Light 1000 866 747 0 83 84 3 0 77 LED GE 31 79 70 2 64 99 9 0 88 LED Heliospectra 630 673 618 1 13 82 3 0 80 LED Hubbell 425 736 649 2 06 96 9 0 85 LED Illumitex 63 89 80 1 72 99 4 0 88 LED Illumitex 300 475 421 1 77 99 6 0 87 LED Lumigrow 300 540 475 1 80 99 4 0 87 LED OSRAM 600 788 712 2 11 99 7 0 88 LED Philips 200 504 456 2 59 99 5 0 88 LED P L Light 320 696 607 2 11 98 8 0 86 LED Sunlight Supply 450 575 512 1 39 96 9 0 87 所 有 LED 园艺灯具均不能达到或超过比对的 1000W HPS 600W HPS 或 1000W MH 灯具产生的 PPF 或 YPF 值 通常受测 LED 灯具具有 1000W HPS 灯具 PPF 值的 28 中位数 31 600W HPS 灯具 PPF 值的 56 中位数 60 以及 1000W MH 灯具 PPF 值的 64 表 6 显示了具有比 3 个比对案例更高 PPE 值 LED 灯具的数量 大多数受测 LED 灯具的 PPE 值均 高于 1000W HPS 灯具和 600W HPS 灯具 所有受测 LED 灯具都具有高于 1000W MH 灯具的 PPE 值 44 中 国 照 明 电 器 2018 年 表 6 LED 灯 具 PPE 值高于比对案例灯具的数量 比 对 案例 受测 LED 灯具 共 10 只 高于比对案例灯具的数量 1 1000W HPS 8 只 2 600W HPS 9 只 3 1000W MH 10 只 几乎所有经过 测 试的 LED 灯具的 PPF 都接近 100 只有 1 只 LED 灯具在远红区域有更多光通 量 HPS 灯具由于红外区域中有部分光通量 PPF 值为 76 而 MH 灯具由于紫外和红外区域有部分 光通量 PPF 值为 84 如上面框架部分所述 PAR 可以使用 YPF 或 PPF 计算 如图 3 所示 YPF 平均比 PPF 低约 7 但两个指标之间存在非常强的相关性 R 2 0 996 图 3 YPF 与 PPF 比 对 图 5 1 3 颜色均匀性结果 测试 的 1000W HPS 灯具在不同垂直角度下的光 谱范围显示出微小变化 不同垂直角度的 UV 蓝 光 红光和远红光波段百分比变化小于 1 蓝 红和 红 远红波段比率变化为 10 或 更 小 测 试 的 1000W MH 灯具有更大的可变性 在较高的垂直角 度下 紫外波段百分比下降不到 1 蓝光波段百分 比下降 6 红光波段百分比增加 4 远红光波段百 分比增加不到 1 在较高的垂直角度下 蓝 红波 段比率下降了 35 红 远红光比率波段下降了 2 6 只受测 LED 灯具 共 10 只 在一个或多个光 谱范围内具有的蓝光 红光或远红光波段百分比变化 大于 5 对于这些灯具 红光波段的百分比通常变 化最大 蓝 红波段比率平均变化 35 范围 0 64 1 63 红 远红波段比率平均变化 17 范围 0 34 1 9 光束扩散中的非均匀色是否对植物生长 产生有意义的影响尚未确定 但照明研究中心认为这 些信息对于比较本身是有用的 5 2 特定应用的测试结果 对每个应用计算都使用 300 mol m 2 s 的 目 标 PPFD 值 然而 两只灯具 LED GE 30 和 LED Illumitex 52 无法达到特定 PPFD 值 即使在模拟温 室的极限空间条件下 安装灯具数量最大时仍然无法 达到要求 对于这两种灯具 只能使用 PPFD 为 75 mol m 2 s 的 较 低标准 5 2 1 所需灯具数量和照明功率密度 图 4 显示满足 300 mol m 2 s 目 标 PPFD 值时 所需灯具的数量中值及 LPD 中值 图 4 箱线图显示了满足目标 PPFD 为 300 mol m 2 s 时 HID 和 LED 园艺的光源灯具数量中值和 LPD 中 值 表 7 提供了具有低于比对案例 LPD 值的 LED 灯具 第 12 期 章 爻 编译 LED 和 HID 园艺灯具测试报告 下 45 数 量 较 低的 LPD 值使能源消耗较少 其他条件相同 表 7 LPD 低于比对案例的 LED 灯 具 数量 比对 案例 LPD 值低于比对案例的 LED 灯 具 数量 目标 PPFD 为 300 mol m 2 s 共 8 只 目标 PPFD 为 75 mol m 2 s 共 2 只 1 1000W HPS 4 2 2 600W HPS 7 2 3 1000W MH 8 2 5 2 2 灯具系统应用功效 表 8 显 示 了具有高于比对案例最大 LSAE 值的 LED 灯具的数量 表 8 具有高于比对案例最大 LSAE 值 的 LED 灯具数量 比 对 案例 高于比对案例最大 LSAE 值的 LED 灯具 数量 目标 PPFD 为 300 mol m 2 s 共 8 只 目标 PPFD 为 75 mol m 2 s 共 2 只 1 1000W HPS 2 1 2 600W HPS 4 1 3 1000W MH 8 2 5 2 3 生命周期成本分析 图 5 显 示 了 20 年累积成本中位数和回报率中位 数 其中 能源费率有高低两类 目标 PPFD 为 300 mol m 2 s 经济结果总结如表 9 表 9 经 济 性结果 比对 案例 经 济 性结果 目标 PPFD 值为 300 mol m 2 s 8 只灯 具 目标 PPFD 值为 75 mol m 2 s 2 只灯 具 1 1000 W HPS 3 只 受 测 LED 灯具与 1000 W HPS 灯具相比 灯具的 20 年生命周期成本更低 并且它们具有更高的回报率 在较低能源费率下 8 只受测 LED 系统中没有 投资回收期短于 20 年的 在高能源费率下 2 只受测 LED 系统的投资回收期为 18 至 20 年 其他 6 只投资回收期较长 当能源费率很高时 2 只受测 LED 灯具的 1 只比 1000 W HPS 灯具有更低的 20 年寿命周期成本 2 只受测 LED 系统都具有正的回报率 范围从 1 5 到 6 3 2 只受测 LED 都没有短于 20 年的回收期 2 600 W HPS 当 能 源费率很高时 7 只受测 LED 灯具的寿命周期 成本比 600 W HPS 灯具低 当能源费率较低时 6 只 LED 灯具的寿命周期成本比 600 W HPS 灯具要低 8 只受测 LED 灯具中有 7 只是正回报率 从 5 14 9 用 1000 W HPS 系统取代 600 W HPS 系统可获得最高的 回报率 13 3 46 5 具体取决于能源费率 当能源费率很高时 2 只受测 LED 灯具中有 1 只具有 比 1000 W HPS 灯具更低的 20 年寿命周期成本 2 只受测 LED 系统都有正的回报率 从 2 3 7 7 2 只受测 LED 中只有 1 只投资回收期短于 20 年 而且是在高能源费率条件下 3 1000 W MH 7 只受测 LED 灯具的 20 年生命周期成本 低于 1000 W MH 灯具 未计算相对于 1000 W MH 的回报率和回收期 2 只受测 LED 灯具都有比 1000 W MH 灯具 更低的 20 年生命周期成本 未计算相对于 1000 W MH 的回报率和回收期 表 10 和 表 11 显 示了测试的 HID 和 LED 园艺灯 具的数量平均值 照明功率密度 LPD PPFD 值 安 46 中 国 照 明 电 器 2018 年 装 高 度组合的最大 LSAE 值 以及 20 年内估测的总 支出额 表 10 受 测 HID 和 LED 园艺灯具 目标 PPFD 为 300 mol m 2 s 平均 灯具数量 LPD 值 最大 LSAE 值和 20 年的总支出 低能源费率和高能源费率 光源 品 牌 额定功率 满足 300 mol m 2 s 的 灯 具数量 LPD W ft 2 W m 2 最 大 LSAE mol J 总费用 美元 0 10 kWh 总费用 美元 0 20 kWh Base Case 1HPS Gavita 1000 24 24 256 1 31 198503 307528 Base Case 1HPS P L Light 1000 24 23 253 1 27 167128 274930 Base Case 2HPS P L Light 600 50 32 344 1 12 238972 385538 Base Case 3MH P L Light 1000 45 43 467 0 66 325603 524844 LED Heliospectra 630 70 39 415 0 71 375210 552241 LED Hubbell 425 66 22 235 1 23 181365 281603 LED Illumitex 300 99 25 265 1 09 222976 335733 LED Lumigrow 300 90 25 269 1 09 240208 354874 LED OSRAM 600 63 22 235 1 34 234376 334448 LED P L Light 320 68 21 224 1 23 197081 292529 LED Philips 200 96 17 187 1 56 195102 274630 LED Sunlight Supply 450 80 31 330 0 88 229245 369983 表 11 受 测 HID 和 LED 园艺灯具 目标 PPFD 为 75 mol m 2 s 平均 灯具数量 LPD 值 最大 LSAE 值和 20 年的总支出 低能源费率和高能源费率 光源 品 牌 额定功率 满足 75 mol m 2 s 的 灯 具数量 LPD W ft 2 W m 2 最 大 LSAE mol J 总费用 美元 0 10 kWh 总费用 美元 0 20 kWh Base Case 1HPS Gavita 1000 9 9 95 1 30 62309 102735 Base Case 2HPS P L Light 600 15 10 103 1 10 71691 115661 Base Case 3MH P L Light 1000 15 14 156 0 60 108354 174948 LED GE 31 150 4 45 1 59 81806 100923 LED Illumitex 63 132 6 68 0 99 103706 132670 图 5 箱线图显示了受测 HID 和 LED 园 艺 灯具在 20 年内成本中值和回报率中值 目标 PPFD 为 300 mol m 2 s a 不同能源费率的 20 年 总 费用中值 b 不同能源费率的回报率中值 5 2 4 采 光 模拟结果 在夏季 DLI 水平最高时 通常不需要补充照明 为满足目标 PPFD 值 而在一年的其他时间安装补充 照明 将会使全年存在阴影问题 为了研究园艺灯具 造成的阴影 在 AGi32 中模拟了一个 30 ft 36 ft 的 温室作为比对案例 在一组温室模拟中 使用具有 90 可见光透射率的透明玻璃窗 图 6a 在另一组模拟中 使用了可见光透射率为 87 的 第 12 期 章 爻 编译 LED 和 HID 园艺灯具测试报告 下 47 漫 射 玻璃 在温室中添加了足够数量的灯具 以达到 300 mol m 2 s 的 目 标 PPFD 值 图 6b 但假设灯具 断电 并且在此阴影模拟中没有对 DLI 值有正向影响 为了分析受测灯具的阴影效应 每个模拟都使用 了典型的气象年 TMY 数据 这些数据主要是阴天 气候的纽约州奥尔巴尼和加利福尼亚州的圣地亚哥 AGi32 模型被导入 Licaso 年度日光模拟工具 用于 分析工作 Licaso 模拟典型年份的每小时光照水平 对于 灯具布局 从上午 6 点到下午 6 点的每小时平均和最 小照度值被制成表格 然后进行平均 将这些平均照 度值转换为 PPFD 值 并对每个位置进行标准化 图 7 显示了在纽约州奥尔巴尼和加利福尼亚州 圣地亚哥的环境下 具有透明玻璃和漫射玻璃的标准 化 PPFD 值 线性灯具标有星号 随着需要更多灯 具和 或使用更大的灯具 例如来自 Hubbell Lighting 和 Sunlight Supply 的灯具 阴影的影响会增加 在 晴朗天气中阴影影响更多 出现更多易忽视的阴影 图 6 用于阴影分析的透明温室 a Licaso 的空 温室 带有透明玻璃 加利福尼亚州圣地亚哥 4 月 21 日 下午 12 30 b 带有透明玻璃的温室 且带有 Sunlight Supply 灯 具并处于断电状态 加利福尼亚州圣地亚哥 4 月 21 日 下午 12 30 图 7 由于在透明和漫射玻璃下园艺灯具的阻碍作用 纽约州奥尔巴尼和加利福尼亚州圣地亚哥的 年 平 均和最小 PPFD 值相对减少 6 讨 论 灯具测试的结果表明 自 2014 年 以 来 LED 园艺 灯具的功效已大大提高 10 只受测 LED 灯具中 有 8 只灯具的灯具效能 PPE 与 2 只 1000 W HPS 灯具 相同或更高 9 只 LED 灯具高于 600 W HPS 灯具 PPE 值 所有受测 LED 灯具高于 1000 W MH 灯具 的 PPE 值 2 只受测 LED 灯具效率超过 2 5 mol J 这是目前 DOE 报告中提出的 同类最佳 LED 光 源功效的水平 虽然 LED 灯具的平均效率 PPE 高 于 HID 灯具 但 LED 灯具的光通量 PPF 始终低于 HID 灯具 所有受测 LED 灯具的 PPF 值均低于 HID 灯具 通常 受测 LED 灯具具有 1000 W HPS 灯具 48 中 国 照 明 电 器 2018 年 PPF 值 的 30 温室模拟结果表明 满足相同目标 PPFD 值时 受测 LED 灯具不能一对一替换 HPS 灯具 实际上 10 只受测 LED 灯具中有 2 只根本无法满足目标 PPFD 值 300 mol m 2 s 这是 因为能够放入模拟 温室中的 LED 灯具数量会受到物理空间的限制 其 余 8 只灯具在满足相同目标 PPFD 值时 所需的灯具 数量约