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基于綠色設計思想的LED燈具產品全生命周期開發模型

發布日期:2016-03-24    【字號:  
基于綠色設計思想的LED燈具產品全生命周期開發模型
韓立成, 潘成林,周鳴
(南京漢德森科技股份有限公司,江蘇 南京211100)
摘要:分析了LED燈具產品傳統開發模式中存在的問題,提出了基于綠色設計思想的LED燈具產品全生命周期開發模型,列出了產品開發各階段綠色設計內容。并由相關參考評估依據,提出了LED燈具產品綠色評估模型。結合該開發模型在企業的應用,積累了實際應用經驗。
關鍵詞:綠色設計,綠色產品,LED燈具,燈具設計,燈具產品
1引言
LED作為新一代光源,具有低功耗、無污染、適用性強、高可靠性和長壽命等優點,被認為是一種符合環保和節能的綠色照明光源。但是,當前LED燈具產品還存在一些問題,主要體現在:單個LED功率低,大功率的LED存在散熱問題,光衰比較明顯,實際壽命達不到設計要求,互換性和維修性差,顯色指數低,存在輻射危害等。
2傳統LED燈具產品開發模式及其弊端
傳統的LED燈具產品開發是從市場需求到產品決策,到產品再決策的循環過程,如圖2.1所示。

如上模式是以個人或是一部分人的利益為核心,主要把追求最大利潤作為開發產品的動力,僅僅考慮到產品實現的功能,或者是

根據用戶的需要,設計一些相關的特性。廠家往往是追求短期最大利潤,未考慮產品全生命周期過程中對人和環境的影響,更未

考慮工廠本身及人類的可持續發展[1]。因此,開發的產品存在不足和隱患,如表2.1所示。
 
表2.1傳統LED燈具產品開發模式的弊端分析


生命周期

存在問題

造成不良影響

產品決策

產品功能性需求和可能的市場利益。

未考慮產品全生命周期對人和環境的影響,未考慮人類的可持續發展。

產品設計

產品功能性的實現和利潤最大化。

設計只是以往工作的簡單堆砌,很少創新,先進理論、方法及科技成果得不到應用,設計出的產品缺乏核心競爭力,存在不足和隱患。

產品制造

只關心短期投資,沒有或很少考慮制造設備和方法的更新,更沒有考慮生產過程對制造者和環境的影響。

采用落后的生產設備、加工工藝,效率低,造成資源和能源浪費,同時產生廢氣、廢水、廢渣等有毒有害物質;很少關注生產者的安全,如噪音、LED輻射、有害噴涂工藝等;缺少完整的質量體系及規范的生產工藝,難以保障產品質量的穩定性,缺陷產品流入市場。

使用維護

很少關心產品的使用和維護性,未滿足用戶對于安全及環境友好性的潛在需求。

實際壽命達不到設計要求;部件間缺乏互換性,特別是產品之間沒有統一的光機電熱的互換性接口;顯色性差,存在藍光輻射危害;驅動、散熱及結構的設計不合理,造成LED光衰嚴重,甚至存在安全隱患,引起產品致命性的破壞和人員傷亡。

再利用和報廢

很少考慮產品的再利用及廢棄物的清潔處理。

LED燈具再利用性差,沒有形成模塊化設計模型,缺乏可替換性,特別是模組化的替換,燈具中的光源或電源一旦損壞,沒有統一的電氣接口或機械接口來實現模塊化的可替換性,必須返回原廠維修或報廢,浪費嚴重;廢棄物不便清潔處理,廢棄部件對生態環境造成了污染。

3基于綠色設計思想的LED燈具產品開發模型
3.1 綠色設計思想的定義
基于綠色設計思想的現代產品開發就是基于人類可持續發展的戰略目標,充分體現節能、減耗、環保等思想的一種現代產品開發模式。它的基本思想是:在一定時期、一定范圍內,無論是政府、社會還是企業,在產品的整個生命周期過程中,充分利用現代科技成果,在滿足產品應達到使用性能的同時,積極、主動做到高效率地利用自然資源和能源,對生態環境無污染或者是少污染,對制造者和使用者要具有好的友善性,報廢的產品要能夠回收利用,廢棄物要能夠清潔處理,以達到珍惜寶貴的自然資源和保護生態環境的目的,從而實現人類的可持續發展。
基于綠色設計思想的現代產品開發不同于傳統的產品設計,它是從大的環境出發,更強調一種積極性、主動性和動態性,即我們的社會、政府、個人、企業都能夠聯合起來,積極主動地將節能、減耗、保護生態環境的理念充分結合先進科技成果,應用到產品全生命周期的各個階段,以期達到人類的可持續發展[2]。
3.2基于綠色設計思想的LED燈具產品開發模型
現代LED燈具產品開發,應充分利用先進設計理念,結合當代高科技成果,先進加工方法和設備,制造過程和使用過程節能、降耗,對環境無污染或少污染,運行性能穩定、高效,具有良好的維護性和使用性,報廢產品要便于再利用和綠色處理,從而實現產品在全生命周期對使用者、制造者和環境的友善性[3]。
基于綠色設計思想,從LED燈具產品全生命周期過程出發,將綠色設計思想貫穿于產品開發的各個階段,從而形成切實可行的LED燈具產品綠色設計模型,如圖3.1所示。

圖3.1基于綠色設計思想的LED燈具產品開發模型
4綠色設計思想在LED燈具產品全生命周期階段的應用
4.1決策階段
決策階段,不僅要明確產品應達到的功能和性能指標及安全要求,整個設計制造過程中,還應遵守一些相關的法律、法規,更應該充分考慮人類的可持續發展戰略目標:
1)根據國家的可持續發展的戰略目標,將我國頒布的《中國21世紀議程》作為一項基本設計準則,充分考慮節能、降耗、保護生態環境;
2)電氣產品安全及性能要求。如出口到歐盟的低電壓指令(LVD),電磁兼容指令(EMC),ERP能效指令2009/125/EC等等。
3)社會責任。LED燈具產品在生產制造過程中,企業應滿足安全生產標準及員工職業健康危害標準要求,同時考慮資源和能源的有效利用及對于環境的影響。
4)互換性:LED燈具目前正處在一個方興未艾的發展階段,為保證LED照明產業綠色健康的發展,就必須統一產品的光機電熱的接口標準,以實現標準化及可替換性。傳統燈具如高壓鈉燈,熒光燈等產品如光源,電感/電子整流器都有統一的機械連接及電氣連接的統一接口要求,LED照明在整個行業內也必須統一這個標準要求; 南京漢德森科技股份有限公司目前正式遵循這一原則進行產品決策和設計的,其邏輯關系如下圖所示:

產品決策者有工廠、用戶、社會,甚至政府的加入,通過各方的共同努力,使產品的決策方案更具有科學性和完整性,適合現代LED燈具產品的綠色設計需要。
4.2設計階段
采用先進的設計方法和理論,結合當前LED燈具產品的最新研究及應用成果,實現綠色設計思想在LED燈具產品開發中的應用。
4.2.1長壽命設計
LED燈具的壽命是一個總體概念,它包括模組、驅動和燈具支架。針對影響LED燈具壽命的主要因素,LED燈具長壽命設計的具體方案有[4]:
1)改進LED芯片的封裝材料、粘貼工藝,增加和改善散熱結構等,以降低封裝部件之間的熱阻。
2)采用恒流源驅動,避免由于LED芯片工作電壓的波動,而導致工作電流劇增引起的LED芯片溫度短期聚積。
3)選用高質量長壽命的電解電容器,改善電容器的安裝結構,降低電容器的使用溫度,增加電容器的實際使用壽命。
4)使用高壓線性恒流源驅動,由于沒有使用隔離變壓器及電解電容,降低了電源產生的熱量,可以增加驅動的實際壽命。
5)優化燈具散熱結構:優化散熱器的表面積、安裝密度,改善散熱基板安裝結構。
6)改善燈具的通風條件,優化驅動、芯片及散熱片的安裝位置,增加通風孔或風扇,降低燈具體內溫度,增加驅動和芯片的實際使用壽命。
7)戶外LED燈具,改善防塵防水結構,避免由于外殼進水影響燈具使用壽命。
8)在視覺作業場合的燈具,其頻閃限值應滿足相關標準要求,以保證不會產生視覺疲勞。
4.2.2標準化設計
不同廠家LED燈具的模組、散熱器、驅動、反光罩、配光、外形等均不相同,相互間不能互換,可維護性差。一旦發生故障,只有返廠維修,

造成諸多不便,并提高了產品的使用成本[5],所以,在標準化設計上,應遵循光、機、電、熱四個方面進行標準化的設計,在控制及通信協議上,形成標準化。
1)機械接口:規范模組的安裝接口、物理尺寸、串并連方式、基板厚度、基板外形方尺寸,保證LED模組間通用、互換、易維護。
2)熱接口:散熱器:針對不同用途的LED燈具,按照實際的使用功率和使用環境,定義散熱器與模組間的安裝方式或接口,規范對應功率的散熱器形狀、結構和尺寸。
3)光接口:反光罩和配光透鏡:不同用途的LED燈具,要求不同功能性應用的配光曲線和外部造型,按照實際用途,分別對應標準化燈具反光罩和配光透鏡反光或透

光性能、造型、尺寸及安裝接口。
4)電接口:驅動:根據LED驅動的類別和用途,對應標準化驅動的類別、ta及tc、輸入參數、輸出參數、尺寸及安裝,標準化驅動的輸入及輸出連接方式。
5)控制系統及協議接口:根據計算機和網路通信技術,規范和統一LED燈具的控制協議和方法、數據采集和互動接口及LED燈具控制功能特性等。同時規范控制系統

的硬件要求,如通信方式、控制端口、嵌入式控制芯片或控制模塊等。特別是在LED公共照明智能系統中現場廣域網與遠程服務器之間的應用層通信協議的標準化,

包括現場廣域網與遠程服務器之間進行數據傳輸格式、數據編碼、傳輸規則及保證系統安全方法的統一化。
6)燈具的可回收性設計和可拆卸性設計:在燈具產品功能性標準化設計的基礎上,考慮零部件材料的可回收性與可拆卸性,在產品再利用和報廢階段,拆卸和分解

相關材料,達到節約資源和能源、保護環境的目的。
4.2.3智能化設計
LED光源是低壓微電子產品,便于計算機和網絡通信控制,通過智能化設計及應用,來實現節省能源、美化環境、方便維護的目的[6]。
1)智能開關。根據實際照明需要編制時間表來控制照明時間,或通過光電傳感器檢測照度值來開關燈,也可以通過紅外線感應器感應來開關燈。
2)太陽能LED燈具。通過太陽能發電原理和應用,將太陽能轉化成電能給LED燈具供電。
3)故障智能定位。通過計算機軟件技術和網絡技術,建立LED燈具監控系統,當芯片或燈具處于異常工作狀態時,能快速定位故障所在位置,方便維護。
4)動態自動調光。根據實際場景需要,自動調節燈的亮度及色彩,營造出一種溫馨、舒適的環境。
4.2.4安全性設計
根據歐盟燈具安全通用標準EN 60598-1定義,燈具在正常使用、可預見性誤操作及異常條件下,不應對人和周圍的環境造成危害[7]。
1)防觸電:根據電氣產品安全類別I、II及III,提供相應的絕緣(基本絕緣,安全接地保護,雙重絕緣及加強絕緣)保護,滿足電氣間隙及爬電距離要求,避免接觸

帶電體。LED燈具主要關注如下幾個方面:使用安全隔離變壓器的LED驅動,要保障主級高壓電路與次級安全低電壓電路間滿足雙重絕緣及加強絕緣;沒有使用安全

隔離變壓器的高壓輸入燈具,模組和光源需要按照危險高電壓來考核;I類燈具,要保障可接觸金屬零部件的接地連續性;更換光源時,高壓輸入燈具內的帶電體不可觸及。
2)防高溫:主要包括燈具內使用零部件的溫度和燈具表面的溫度。產品內零部件不應承受影響安全的高溫,如變壓器、燈座、開關、電容、導線等。燈具被接觸及握持

的部位表面溫度不應太高,安裝于可燃表面的燈具,正常狀態安裝表面溫度不應高于90℃,異常不應高于130℃。
3)防火險:燈具提供絕緣作用的絕緣材料應通過650℃的灼熱絲測試,支撐帶電體的絕緣材料應通過針焰燃燒測試。
4)機械危險:燈具正常使用和維護可觸及的部位,應該無尖邊銳角,及危險運動部件。
5)輻射危險:LED燈具主要是藍光輻射比較嚴重,要選擇優質的LED發光體。對于危害等級為無危害之外的燈具,要嚴格按照IEC/TR 62471-2定義燈具的安裝及使用條件。
6)防塵防潮:戶外燈具外殼進水,是LED燈具主要安全問題之一。應該根據燈具的實際使用環境定義燈具IP等級,設計防塵防潮結構。如室內使用燈具一般標稱為IP20,

戶外使用的燈具一般標稱IP54或IP65。
7)防風設計:戶外用燈具要能夠承受2.5kN每平方的風力測試,要保證燈具殼體及連接件能夠承受相應的應力。
8)EMC 和EMF設計:從電氣原理設計和線路布置方面來防止電磁場對人、電路及周圍環境的影響。
4.2.5環境特性設計
產品生產制造過程不排放有毒有害物質,產品報廢后不含有破壞環境的有毒有害物質,優先選用綠色資源和能源。
1)LED燈具選擇使用有相關合格證書或測試報告的零部件,如第三方權威機構頒發的ROHS,PAHS及REACH測試合格證書或報告。
2)燈具生產過程中,使用無鉛焊錫工藝。
3)引進能源管理系統,使用無污染、低能耗的生產工藝。
4)對生產造成的“廢氣、廢水、廢渣”進行無害化處理。
4.3 制造階段
生產制造階段應遵循的原則:
1)優先選擇綠色原材料,如優選可再生、低耗能、少污染和環境兼容性好的材料及零部件,選用的材料易于再利用、回收及降解;優先選擇先進的生產加工方式、

方法、技術,如凈成形加工,干式加工等;
2)優先選擇先進的加工設備、節能設備,如:數控加工設備、電火花加工設備。
3)有毒有害工序的優化,如噴涂、焊錫、LED輻射、噪音及機械危害等相關的工序,應該采用相應的保護措施,對操作人員的潛在危害滿足安全標準要求。
4)為保證產品的安全性,工廠應該配備相應的安全檢測及測試設備,如高壓,絕緣電阻,接地連續性,及其它電參數測試設備等;同時,工廠應該建立確

保產品安全性的控制程序,如關鍵零部件采購及檢驗的控制程序,如與安全相關的變壓器、Y1/Y2電容、光耦器、保險絲、繼電器等,安全相關檢測設備計

量及使用的程序,按照安全標準要求,例行測試中對安全性測試的控制程序,生產過程中對不合格品的控制程序等[8]。
5)按照生產加工規范,加強質量檢驗,保證產品質量,如建立ISO9001質量管理體系,規范產品質量管理及執行。


4.4 使用和維護階段
根據燈具產品的安裝、光源種類和使用狀態,LED燈具應該提供安全標識,如安裝時需要標識的信息有:電參數、使用環溫、防觸電保護等級、防塵防濕等級

、能否安裝在可燃表面、燈具連接方式等;更換光源時需要標識的信息有:光源的功率、是否為特殊類型光源、更換保護罩等;正常使用時需要標識的信息有

:最小照射距離、燈具的使用環境(正?;蚴菒毫迎h境)、調節方法等。同時標識的字體和圖標滿足一定的大小要求,標識要有防磨擦測試的功能。
LED燈具產品應該提供相應的安全使用說明書,描述產品具體安裝、使用及維護相關的安全信息,如使用頻率,是否適合安裝在可燃表面,如何更換相應的電纜

連接,戶內或戶外使用,可能承載的風力,是否安裝于不可觸及位置等等。
如果燈具提供能效標識,標識應包含相關信息,如供應商名稱或是商標,型號標稱,燈具的能效等級,燈具使用的光源是否為LED光源,燈具使用的光源是否可

由終端用戶更換,以及可使用(更換)的光源能效等級等信息。另外,相關說明書文件中,應描述燈具相應性能參數,包括所使用光源的類型及能效等級參數[9]。
4.5 再利用及報廢階段
根據LED燈具的標準化設計,確認并更換失效模塊,如模組、驅動、光學透鏡、燈罩、燈具支架等。
產品報廢以后,很大一部分零部件仍可以再利用。根據LED燈具的可回收性和可拆卸性設計,對于燈具可以重復利用的零部件和材料進行回收利用,報廢的產品

及部件充分拆卸后進行歸類,對于含有有毒有害物質進行無害化處理,并遵守相關地區或國家的規定。
5LED燈具產品綠色評估模型
基于綠色設計思想開發的LED燈具產品,可以根據圖5.1所示的評估模型,從安全、資源、能源及環境四方面來進行產品綠色評估,只有評估合格的產品,才能作為綠色設計方案。

目前,國際上針對產品的環境友好性,從產品本身和制造企業方面制訂了系列標準,這些標準組成了圖5.1中燈具產品綠色評估依據。下表5.1列舉了目前歐盟對于LED燈

具產品評估的部分參考標準或指令,只有達到相關的要求,產品才能夠進入歐盟市場。另外,針對企業管理方面的標準,有ISO14064溫室氣體系列,ISO14040生命周期

環境管理,ISO14020環境標識,ISO5001/EN 16001能源管理等。

表5.1歐盟LED燈具產品綠色評估參考標準或指令

評估內容

評估標準或指令

產品安全

低電壓指令2006/95/EC: EN 60598系列燈具標準,EN 62560光源,EN 61347-2-13驅動,EN 62031模組,EN 62471光生物安全,EN 62493燈具產品EMF。

電池兼容指令2004/108/EC: 燈具產品及相關部件,EN 55015, EN 61547, EN 61000-3-2, EN 61000-3-3。

產品能效

ERP能效指令2009/125/EC, 非定向燈執行細則244/2009/EC,LED燈能效執行細則1194/2012,能效標簽874/2012。

使用資源

ISO14067PAS2050碳足跡系列標準(目前沒有強制要求)。

環境影響

ROHS指令 - 關于限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令。

PAHs檢測 - 多環芳烴檢測。德國ZLS官方網站上公告第ZEK 01-08號文件(GS認證產品強制要求)。

REACH法規 - 化學品的注冊、評估、授權和限制。

互換性接口要求

CSA016-LED照明應用接口要求路燈隧道燈(發布稿)

CSA017-室內LED照明用外置式恒流控制裝置接口要求(發布稿)

CSA018-LED公共照明智能系統接口應用層通信協議(發布稿)

CSA023 LED照明應用接口要求:不帶散熱、 控制裝置分離式的LED模組的筒燈(發布稿 )

CSA025 LED照明應用接口要求:不帶散熱、 控制裝置分離式的LED模組的射燈(發布稿 )

6應用結果分析

針對出口歐盟的LED燈具產品為例,該開發模式在國內LED燈具企業開展應用。企業從產品全生命周期出發,將綠色設計思想應用于產品全生命周期的各個階段,

在產品開發各階段,有安全專家、電氣專家、結構專家、環境專家、能源專家、相關的綠色信息數據庫、及完整的產品質量控制體系的支持等,設計開發出的產品

或是處于開發階段的產品,應用上一節圖5.1綠色評估模型,從LED燈具產品如上節表5.1所示安全、能效及環境幾個方面評估,基本符合歐盟要求強制執行的相關

指令及標準要求,開發的產品一般能夠一次性通過相關權威機構的檢測,順利取得歐盟準入證書,為企業節省大量的研發時間和費用。

在此基礎上,企業將長壽命設計、標準化設計、智能化設計思想應用于企業內部新產品研發,開發的產品壽命長,易于智能化控制,故障易于確認,各功能模塊互


換性好,便于維護,報廢的產品便于再利用和綠色處理。
目前,LED燈具產品綠色設計的研究還處于初步階段,還需要不斷地推廣和完善,隨著應用的深入和科技的進步,綠色設計思想將主導LED燈具產品的發展方向。

參考文獻
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[2] 陳海路等.大功率LED器件散熱技術與散熱材料研究進展.功能材料,2013,44(z1)
[3] 侯亮,唐任仲,徐燕申.產品模塊化設計理論、技術與應用研究進展.機械工程學報,2004,40(1)
[4] 蘇慶華,黃長林等.綠色設計在電除塵器產品中的應用研究.華東電力,2002年10月第30卷第10期
[5] EN 60598-1:2008 + A11:2009. Luminaires - Part 1: General requirements and tests
[6 PERMANENT DOCUMENT CIG021:2004. Factory Inspection Procedures Harmonised Requirements
[7] Commission Regulation (EU)No 1194/2012,implementing Directive 2009/125/EC of the European 

Parliament and of the Council with regard to ecodesign 

requirements for directional lamps, light emitting diode lamps and related equipment. Official Journal 

of the European Union.








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