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一體式熒光燈

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螺旋狀節能燈
歐洲流行的柱狀節能燈

一體式螢光燈英語:Compact fluorescent lamp, CFL),中國稱為節能燈,台灣稱為省電燈泡電子燈泡,香港及澳門稱爲慳電膽,是指將螢光燈(日光燈)與電子鎮流器組合成一個整體的照明設備。慳電膽的尺寸與白熾燈相近,燈座接口也和白熾燈相同,所以可以直接替換白熾燈。

發光量相同的情況下,節能燈使用的電能為白熾燈的1513,壽命則為其8到15倍。節能燈的單價比白熾燈貴,但由於其壽命長、耗電少,在其工作壽命中大約能省下其售價五倍的電費。[1]和其他熒光燈一樣,節能燈含有有毒的[2],因而丟棄時需要特別處理。不少國家的政府都規定禁止將節能燈與生活垃圾一同丟棄,而要通過特別處理有害垃圾的系統回收。

節能燈的工作原理和其他螢光燈一樣:汞原子周圍處於激發態的電子在落回低能級時會發射出紫外光,而紫外光轟擊熒光塗層時就會被轉化為可見光(還有一些被玻璃等材料吸收,變為熱耗散)。

節能燈的光譜與白熾燈相異。較新的磷光體配方在節能燈發光色彩上有所改進,可以生成類似於白熾燈的「暖白色」光。有些來源認為這種暖光最好。[3]

白色發光二極管燈(LED等)在高效室內照明行業中與一體式熒光燈相競爭。[4]通用電氣公司現已逐漸停產節能燈,轉向新的LED燈技術。[5]

歷史[編輯]

現代緊湊型螢光燈在19世紀90年代後期由彼得·庫珀·休伊特英語Peter Cooper Hewitt發明。[6]他的燈被攝影師用於照相而用。[6]

埃德蒙·傑默英語Edmund Germer、弗里德里希·邁耶、漢斯·斯潘納三人於1927年申請了一種高壓蒸汽燈的專利。 [6] 喬治·伊曼後來與通用電氣合作,於1938年做出了可行的熒光燈,於1941年獲得其專利。[6]為了縮短燈具尺寸,很快就有了圓形和U形的熒光燈。1939年紐約世界博覽會英語1939 New York World's Fair上展出了最早的熒光燈泡和燈具。

受到第一次石油危機推動,[7]通用電氣公司的愛德華·E·哈默於1976年發明螺形節能燈。[8]雖然節能燈完全達到了其設計目標,但由於建造相關工廠所需費用高達2500萬美元,這項發明最終被擱置。[9]節能燈的設計終究還是被其他公司拿去了。[9]1995年,中國推出了螺形的節能燈。[10]自此以後,這類燈具的銷售量穩步增長。

1980年,飛利浦推出了「SL型」燈,一種帶螺口和磁鎮流器的節能燈具。這種燈具使用摺疊起來的T4燈管、性質穩定的三色磷光體和汞齊。這是第一種成功推廣的螺口白熾燈替代品。歐司朗於1985年開始生產的「EL型」燈具是第一種使用電子鎮流器的節能燈。[11]

開發體積與白熾燈相等的新型節能燈離不開新型磷光劑的開發。和普通節能燈的磷光劑相比,小型節能燈內的磷光劑需要能在同樣的面積內承擔更大的功率。[11]

2016年,通用電氣公司宣布將逐漸停產節能燈。發光二極管價格持續下降,2015年時每顆LED燈泡的價格已遠低於5美元。因此,越來越多的消費者都開始轉向LED燈。除此之外,隨着標準更新,節能燈要獲得能源之星認定也越來越難。[12]

構造[編輯]

緊湊型螢光燈分兩種:第一種是內置鎮流器的一體式(英語:integrated)節能燈,可以直接替換相應接口的白熾燈。這類燈泡在不少白熾燈燈具中能妥善工作,降低了轉換到熒光燈照明的開支。市場上也可以找到三路開關英語3-way lamp或可調光的型號。

非一體式的「緊湊型燈管」則使用燈具的鎮流器,在報廢時只替換燈管本身。燈具中的鎮流器一般體積更大、壽命更長,因此基本不需替換。「緊湊型燈管」所用的燈具可能更貴、更複雜。這類燈管有的四針接口,適合電子鎮流器或帶啟動器的傳統鎮流器使用,有的則自帶啟動器元件,使用雙針接口配合傳統鎮流器使用。如果使用一端螺口、一端針口的磁性鎮流器轉接,緊湊型燈管也可以裝在普通燈泡的接口上。

非一體式雙針雙轉緊湊燈管
節能燈中的電子鎮流器,背景為固定住的燈管

一體式節能燈的主要可以分為(磁性或電子)鎮流器和充氣燈管兩部分。隨着新產品使用電子鎮流器替換磁性鎮流器,節能燈基本克服了老式熒光燈閃爍、啟動慢的問題。電子鎮流器也使節能燈體積可以越縮越小。

電子鎮流器在形態上是一塊帶有橋式整流器英語bridge rectifier、濾波電容的電路板,上面經常帶有兩個絕緣柵雙極晶體管開關元件。交流電輸入先經過整流器變為直流電,再由晶體管共振英語Resonant inverter逆變器轉為高頻交流電,供燈管使用。共振逆變器無論輸入電壓如何,輸出的電流強度都趨為穩定。因此普通節能燈基本不可調光,並且會隨着調光使用縮短壽命,甚至突然報廢。節能燈若要調光使用,需要使用特殊種類的電子鎮流器。

節能燈的光通量和磷光體表面積大致成正比。也是因為如此,高亮度的節能燈經常比相應亮度的白熾燈大,有時會裝不進白熾燈所用的燈具。為了在尺寸與白熾燈近似的前提下增大磷光體面積,節能燈大多做成螺形、多管形、圓弧形或蝶形。

一些節能燈的標籤上會提到「禁止底朝上使用」,這是因為熱量蓄積會縮短鎮流器壽命。有些節能燈不適合用於吊燈,特別是天花板吊燈英語recessed light。市場上也有專門用於這些地方的節能燈。[13]如果要用在徹底封閉的燈具(如隔熱天花板吊燈),現在一般推薦使用「反射面節能燈」(R-CFL)或[14][15]冷陰極節能燈,也可以考慮將燈具換成適合節能燈的品種。[14]節能燈適合用於檯燈等氣流通暢的燈具。[16]

特徵[編輯]

光譜[編輯]

白熾燈(中)和節能燈(底)的可見光光譜
白熾燈(左)與日光節能燈(右)的典型光譜功率分布圖像。橫軸以納米計,縱軸表示相對強度。
不同色溫的燈具,從左到右:通用電氣6500 K節能燈、Sylvania柔白色白熾燈、Bright Effects 2644 K節能燈、Sylvania 3000 K節能燈

節能燈的光由多種磷光體發出,每種磷光體各發出一帶顏色的光。有些磷光體發出的光仍含紫外線。為了避免損傷視網膜,有些節能燈外帶一層過濾紫外線的玻璃套。現代的螢光燈在磷光體選擇上會權衡光的顏色、能效和成本。塗層中的磷光體種類越多,節能燈的演色性就越好,但能效也隨之變低越低,成本亦會升高。優質的消費級節能燈一般使用三四種磷光體,達成演色性指數(CRI)約為80的「白」光。

色溫可以用開爾文數,也可以用微倒度英語mired(開爾文色溫的倒數的一百萬倍)計。一個光源的色溫指的是與其發光顏色英語chromaticity相同的黑體的溫度。按照人類的主觀色彩感知定義、表記的色溫稱為相關色溫

真正的「色溫」只對黑體輻射有定義;節能燈能做到接近某種溫度的黑體輻射光譜,但絕對做不到與其一致。即使是低色溫的暖色節能燈,也大多不可避免地在譜線上短波長的區域存在幾個高強度的「尖峰」。[17]

隨着色溫提高,「白光」的色調由紅轉黃、轉藍。現代節能燈等三色磷光燈廠家的色號命名不像舊時的鹵磷酸鹽燈一樣存在一個標準,因此有時也有同種色號的色溫出入較大的情況。例如,大部分「日光」燈的色溫都至少有5,000 K,Sylvania的「日光節能燈」色溫卻只有3,500 K。

能源之星標準色溫[18]:26
色號 色溫
微倒度英語Mired
柔白 2,700 370
暖白 3,000 333
純白 3,500 286
冷白 4,000 — 4,100 250 — 243
日光 5,000 200

壽命[編輯]

大部分節能燈的額定工作壽命英語service life從6,000到15,000小時作用不等,而大部分白熾燈的壽命則在750到1,000小時之間。[19][20][21]不過,所有燈的壽命都受電壓、製造缺陷、電壓尖峰英語voltage spike機械衝擊英語Shock (mechanics)、開關頻率、燈泡指向、環境溫度英語operating temperature等種種因素影響,不可直接以「典型壽命」一概而論。[22]

如果頻繁開關節能燈,其壽命會顯著縮短。如果以5分鐘為周期來回開關某些節能燈,其壽命可能會縮短到類似於白熾燈的量級。美國的能源之星計劃建議說,如果離開房間不超過15分鐘,則不應關燈,以免頻繁開關縮短壽命。[23]節能燈的亮度隨壽命指數衰減,一開始使用時衰減的亮度最多。節能燈報廢時的亮度一般為原亮度的70–80%。[24]人眼對於亮度的感知是對數尺度的:人眼對於弱光強度的變化比對於強光強度的變化敏感。這與瞳孔放大、縮小補償亮度變化有關。[25]也就是說,只要一個節能燈一開始能提供充足光線,即使到了後期亮度降低25%,觀者感知到的區別也沒25%那麼明顯。[26]

由於節能燈亮度會逐漸衰減,[27]某些使用節能燈的場合可能會表現出一開頭亮度合適,逐漸又變得太暗的情況。美國能源部對2003–2004年認證的「能源之星」節能燈進行的測試顯示,有四分之一的節能燈在其額定壽命40%時給出的光通量不足額定數值。[28][29]

能效[編輯]

各種燈泡的光通量—功率圖像。橫軸為初始光通,縱軸為功率。

由於人眼對於不同波長的光敏感程度不同,要使用一個名為「流明」的單位描述人眼感知到的光源強度。燈泡的光視效能定義為每瓦特功率所給出的流明數。節能燈的典型發光效率為50—70流明每瓦(lm/W),常見白熾燈的則為10–17 lm/W[30]與理論上100%效率(680 lm/W)的虛構純綠光燈具相比,節能燈的效率在7–10%左右[a],而白熾燈的則在1.5–2.5%[b]範圍內。[31]理想5800K可見光源(只發出可見光譜)的效率為251lm/W(37%)。[32]

由於發光效率更高,節能燈的功率一般為相應亮度白熾燈的1713[30]2010年售出的燈泡中,有50% 70%是白熾燈。[33]將世界所有的低效光源換成節能燈,每年可以省下409太瓦特·小時(1.47艾焦耳),約合世界年耗電量的2.5%。據估計,將美國的白熾燈全部換成節能燈,每年可以省下80 TWh(太瓦時)電力。[34]由於節能燈比白熾燈耗電量少得多,淘汰白熾燈可以降低二氧化碳(CO2)的排放量。將全世界的白熾燈換成節能燈,每年可以少排放2.3億噸的二氧化碳,比荷蘭和葡萄牙的排放量加起來還要多。[35]

燈具功率對照表[36]
最低發光量
(流明)
耗電量(瓦特)
白熾燈 節能燈 LED燈
450 40 9–11 6–8
800 60 13–15 9–12
1,100 75 18–20 13–16
1,600 100 23–28 15–22
2,400 150 30–52 24–28
3,100 200 49–75 30
4,000 300 75–100 38

將白熾燈換成節能燈可以大幅減少燈具散發出的熱量。在溫暖地區等經常需要空調的場合,換用節能燈可以顯著降低製冷設備的工作負擔。然而在天氣較冷的地區,中央供暖系統由於來自燈泡的熱量減少,會需要使用更多能量制熱。據估計,在氣候寒冷的加拿大溫尼伯市,節能燈只能省下17%的電量(不考慮制熱因素,節能燈的省電比例為75%)。[37]

開支[編輯]

失靈模式[編輯]

調光使用[編輯]

功率因數[編輯]

室內使用[編輯]

室外使用[編輯]

點亮時間[編輯]

白熾燈打開之後,不到一秒就可到達正常亮度。截至2009年 (2009-Missing required parameter 1=month!),節能燈點亮用時不足一秒,但要達到正常亮度則需要多等待一會。[38]節能燈初開燈時,光線顏色可能稍有偏差。[39]有些「立即點亮」型的節能燈沒有顯著的預熱現象,[40]但其他節能燈則經常需要一分鐘多才能到達正常亮度,[41]天氣較冷時用時更久。有些使用汞齊的節能燈需要三分鐘才能完成預熱,達到正常亮度。[40]由於節能燈啟動較慢,壽命又易受頻繁開關影響,可能並不適合聲控燈之類的感應燈具使用。市場上亦有一種將鹵素燈與節能燈組合而成的「混合燈」,適合時間不足等待預熱的場合。[42][43]混合燈中的鹵素燈能立即點亮,等到節能燈達到正常亮度再關閉。

環境與健康[編輯]

主條目:熒光燈與健康英語Fluorescent lamps and health
閉合式雙層玻璃熒光燈

綜合考量[編輯]

據歐洲新發新定健康風險科學委員會英語Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks(SCENIHR)2008年研究報告,節能燈發出的 紫外線和藍光可能會造成健康風險,導致已有光敏性皮膚疾病的人群症狀惡化。如距離一些單層玻璃的節能燈不足20 cm(7.9英寸),受到的紫外線暴露強度就會超出目前辦公室的安全級別。雖然說這種安全級別是為防止皮膚和視網膜損傷而定,照明頁界認為節能燈所造成的紫外線劑量遠不足以引致皮膚癌,且雙層玻璃節能燈可以「大部分甚至完全」地消除其他此類風險。[44]國際電工委員會的IEC 62471標準定義了燈具發出各種波長光的安全劑量,並要求合規的光源按照危險等級加上警告標籤。[45]不少國家都執行這一標準。[46]:5

測量顯示,距節能燈150厘米時,受到的輻射影響幾乎可以忽略。靠近一點後,節能燈的UVA(波長較長的紫外線)輻射比白熾燈少,但UVB(波長較短的紫外線)比白熾燈多。[47]UVA可以深入皮膚,而UVB可以造成表皮燒傷。閉合式(雙層玻璃)節能燈的輻射受到屏蔽,比功率類似的白熾燈、鹵素燈發出的紫外線要少。

對一般用戶來說,室內照明的紫外線輻射並不構成問題。對於皮膚敏感的人,長時間的室內暴露需要引起注意,可以考慮使用低紫外線輻射的燈泡。某種燈泡內部的紫外線劑量差距比不同種燈泡之間的差距更大,但總的來說還是有玻璃罩的節能燈最好。

2012年一則比較節能燈和白熾燈的研究發現,暴露在節能燈光下會造成統計學顯著的細胞損傷。光譜分析顯示,節能燈發出顯著劑量的UVA和UVC輻射,該研究報告的作者推測是這是由燈泡內部熒光粉塗層損壞造成的。在同等強度的白熾燈照射下沒有觀察到細胞損傷。研究作者認為可以通過改用在圍繞熒光體塗層外多加一層玻璃的雙層燈泡,來減少紫外線照射。[48]

燈泡基座阻燃與否取決於廠商是否自願接受推薦標準。若燈泡基座不阻燃,燈泡中的電子元件一旦過熱,就可能引起火災。[49]

水銀含量[編輯]

節能燈和白熾燈的水銀淨排放量,基於美國環保局常見問答表製作。假定每千瓦時電力會排放0.012 mg汞(美國平均)。假定垃圾填埋場中的節能燈有14%的汞會逃逸到周圍環境。

節能燈和其他螢光燈一樣,在玻璃管內都含有水銀[50][51]蒸汽。大部分節能燈每顆含3–5 mg汞,「環保」節能燈的含量可低至每顆1 mg。[52][53]丟棄到垃圾填埋場焚燒廠的廢棄節能燈可能會將有毒的汞散入大氣和水體中,造成污染美國電氣製造商協會(NEMA)協會的節能燈廠商均已自願限制節能燈中的汞用量。[54]歐盟危害性物質限制指令所設定的汞限量與NEMA標準相同。

在使用煤炭火力發電的地區,使用節能燈造成的水銀總排放量反而會比白熾燈少。因為煤炭本身含汞,節約用電可以減少燃燒煤炭排放的汞。[55]2008年8月,美國環保局發布了一張數據單,稱使用節能燈排放的水銀總量要低於使用白熾燈排放水銀總量。環保局的計算基於美國平均電廠汞排放量和估計廢節能燈在填埋場中散出的水銀比例做出。[56]煤炭火電廠除了排放汞之外,也會排放其他重金屬,以及二氧化硫和二氧化碳。

美國環保局估計,如果將全美國2007年售出的全部2.7億顆節能燈送進填埋場,大概會散出0.13公噸的汞,相當於當年美國汞排放總量(104噸)的0.1%。[57]右側的圖片假定節能燈平均壽命為8,000小時,未計入製造商和燈泡破碎的因素。在不使用煤炭火電的地區,兩種燈泡排放的汞含量都會相應降低。[58]

不少國家的節能燈包裝上未有提供燈泡破碎時的特殊處理方法。單個燈泡破碎散發出的水銀可以致使室內水銀濃度暫時超過長期暴露限值。[59][60]目前暫不清楚短期暴露低濃度汞的健康風險。[60]即使使用了美國環保局的「最佳清理指引」,研究人員仍然無法清除地毯中的水銀。如果事後翻動地毯(孩童玩耍等情況),就會造成地毯附近空氣中的汞含量上升。即使燈泡破碎已過去幾周,這樣造成的空氣汞濃度仍可高達0.025 mg/m3[60]

美國國家環境保護局(EPA)的網站上清理破碎節能燈的最佳方法指引,以及避免燈泡破碎的一些方法。[61]環保局建議保持通風,並將破碎的燈泡小心放入密封罐子中。緬因州環保局(DEP)在2008年做了一個對比各種清理方法的報告,其中警告說,使用塑料袋儲存破碎的燈泡不能阻止超過安全限度的汞釋出,是比較危險的方式。EPA和緬因DEP都認為最好應使用密閉玻璃罐儲存破碎燈泡。[62]

回收處理[編輯]

參見:熒光燈回收英語Fluorescent lamp recycling

由於節能燈含汞,出於健康和環保考量,不少地區都立法規定廢棄節能燈應該專門處理或回收,而不應隨生活垃圾一起送入填埋場處理。在能夠進一步處理之前,要在保證不打碎的前提下妥善儲存廢燈泡。

美國絕大多數州都遵循聯邦泛用廢物處理辦法英語Hazardous waste in the United States#Universal wastes(UWR)。[63]佛蒙特州新罕布什爾州加利福尼亞州明尼蘇達州紐約州緬因州康乃狄克州羅德島州等州的處理規定比聯邦UWR更加嚴格。[63]不少家居用品連鎖店都提供免費節能燈回收服務。[64]

歐盟的節能燈和其他電子產品一樣,受廢電子電機設備指令回收方式管理。節能燈的售價中包含回收費用,而生產商、進口方則有責任收集、回收廢節能燈。

美國西北節能燈回收計劃稱,由於當地家庭可以選擇將廢節能燈與生活垃圾一同丟棄,俄勒岡州「絕大部分的家用節能燈都被送進了城市固體生活垃圾分類」。該計劃還提到了美國環保局按丟棄方式估計的熒光燈汞釋放比例:生活垃圾堆填3.2%、回收3%、生活垃圾焚燒17.55%、有害廢物處理0.2%。[65]

處理節能燈的第一步是在內部負壓、配有吸汞濾芯或冷阱英語cold trap的「燈泡壓碎機」(英語:bulb crusher)內壓碎。[66]壓碎得到的玻璃和金屬儲存於專門的筒中,等待運輸到回收廠。

溫室氣體[編輯]

某些地方(例如2007年的魁北克不列顛哥倫比亞)的中央供暖英語central heating主要由燃燒天然氣提供,而電力則由水力發電產生。當時一篇分析禁用白熾燈的各種效應的文章提到,這些地方使用白熾燈產生的熱量顯著減少了燃燒天然氣供暖產生的溫室氣體排放量。[67]Ivanco、Karney、Waher三人估計稱,如果魁北克省的所有家庭都把白熾燈換成節能燈,反而會造成全省年二氧化碳排放量增加220,000 公噸,相當於40,000輛汽車一年的排放量。

效率比較[編輯]

燈泡性能與開支比較(美國電價,相當於60瓦白熾燈亮度)
白熾燈[68] 鹵素燈[69] 省電燈泡[70] LED[71]
售價 $0.41 $1.17 $0.99 $3.99
功率瓦特 60 43 14 8.5
平均光通流明 860 750 775[72] 800
光效(流明/瓦特) 14.3 17.4 55.4 94.1
色溫(開爾文) 2700 2920 2700 2700
演色性(CRI) 100 100 82 80
壽命(小時) 1,000 1,000 10,000 15,000
可用年數(每天6小時) 0.46 0.46 4.6 6.8
20年電費(0.11美元/KWh $289 $207 $67 $41
20年總開支 $307 $259 $70 $53
(按白熾燈亮度比例折合) $307 $297 $78 $57
基於每日六小時用量計算(20年共43,800小時)

參考資料[編輯]

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備註[編輯]

  1. ^ 50/680 = 7%; 70/680 = 10%
  2. ^ 10/680 = 1.5%; 17/680 = 2.5%

參見[編輯]

外部連結[編輯]