室內(nèi)白光LED的節(jié)能優(yōu)勢(shì)及技術(shù)瓶頸

張琳琳（北京市工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100055）

1 LED發(fā)展史

上個(gè)世紀(jì)60年代，科技工作者利用半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光的原理，研制成了LED發(fā)光二極管。LED光源自發(fā)明以來(lái)，在這幾十年的發(fā)展過(guò)程中，其封裝技術(shù)從“草帽管”到“食人魚”再到現(xiàn)今的薄膜倒裝技術(shù)，單顆LED流明輸出已從最初的0.001lm逐步發(fā)展到現(xiàn)在的1000lm，且已能發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍(lán)等多種色光。LED光源最初用作儀器儀表信號(hào)指示光源，后來(lái)各種光色的LED光源在交通信號(hào)燈、大面積顯示屏、娛樂裝飾、背光照明、室外景觀及樓體照明中廣泛應(yīng)用。然而，對(duì)于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功，這種通過(guò)藍(lán)光LED得到白光的方法，構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低廉、技術(shù)成熟度高，因此運(yùn)用最多?，F(xiàn)如今，白光LED芯片的實(shí)驗(yàn)室光效也已經(jīng)能達(dá)到160lm/W。發(fā)白光的LED光源的運(yùn)用在國(guó)內(nèi)基本是從LED隧道燈和LED路燈開始的，如今由于白光LED技術(shù)逐漸成熟，已經(jīng)有越來(lái)越多的室內(nèi)白光LED 燈具投入市場(chǎng)；雖然白光LED燈具要真正取代包括T5格柵燈、陶瓷金鹵筒燈等高端傳統(tǒng)燈具還有一個(gè)過(guò)程，但已大有替代所有傳統(tǒng)燈具的趨勢(shì)。

2 室內(nèi)白光LED主流產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)

目前主流室內(nèi)白光LED產(chǎn)品主要有：LED燈杯（替代MR16鹵素?zé)舯?、LED燈泡（替換白熾燈球泡和蠟燭泡等）、LED燈管（替代T8和T5熒光燈管）、LED筒燈及LED格柵燈等。

從系統(tǒng)光效（燈具流明輸出除以燈具整體功率）來(lái)說(shuō)，LED筒燈和格柵燈最高，基本能達(dá)到70～80lm/W。LED燈管次之，好的產(chǎn)品能達(dá)到70lm/W。LED燈泡和燈杯的光效為40～60lm/W，但燈杯一般運(yùn)用于重點(diǎn)照明，其中心光強(qiáng)，單位功率的光強(qiáng)能達(dá)到150175cd/W。室內(nèi)白光LED產(chǎn)品的顯色性Ra一般在80～85之間，色溫一般在2700～5000K之間。為保證照明的舒適性，其眩光指數(shù)UGR須小于22，高端產(chǎn)品一般小于19。

3 室內(nèi)白光LED產(chǎn)品與當(dāng)今市場(chǎng)各類成熟產(chǎn)品相比的節(jié)能優(yōu)勢(shì)

室內(nèi)白光LED產(chǎn)品在市場(chǎng)上推出的順序是有一定規(guī)律可循的。某一LED產(chǎn)品的出現(xiàn)，說(shuō)明其性能指標(biāo)（尤其是系統(tǒng)光效）相對(duì)其所針對(duì)的傳統(tǒng)產(chǎn)品已具有一定優(yōu)勢(shì)。最先推出的成熟LED白光產(chǎn)品直接替換了MR16鹵素?zé)舯蚑8熒光燈管的LED光源，其后才有了LED筒燈，如今市面上開始出現(xiàn)LED格柵燈。以下我們逐一分析這些產(chǎn)品相對(duì)于傳統(tǒng)產(chǎn)品的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

1） 替代鹵素?zé)舯腖ED光源

以飛利浦的產(chǎn)品為例，一般4W的LED燈杯能替代25W鹵素?zé)舯?W替代35W；10W替代50W，鹵素?zé)舯cLED燈杯主要性能對(duì)比見表1。

表1 鹵素?zé)舯cLED燈杯主要性能對(duì)比

此表以7W的LED燈杯和35W鹵素?zé)舯瓰槔?，因燈杯的功能主要是重點(diǎn)照明，中心光強(qiáng)是其主要指標(biāo)。從表中可以看到兩者的中心光強(qiáng)基本相同，而節(jié)能達(dá)到80%。如以每天12h的使用時(shí)間計(jì)算，不到兩年就能通過(guò)節(jié)約的電費(fèi)收回投資成本。這應(yīng)該算是目前回收成本時(shí)間最短的LED產(chǎn)品了。當(dāng)然還有替代白熾燈的LED球泡和替代PAR燈的LED-PAR燈系列，也都能在兩年內(nèi)收回投資，見表2。

表2 鹵素PAR燈與LED-PAR燈主要性能對(duì)比

2） 代替T8熒光燈管的LED燈管

燈管類的產(chǎn)品與上述產(chǎn)品有很大區(qū)別，燈杯和PAR燈類光源因其自帶發(fā)射器，出光效率與燈具無(wú)關(guān)，且變壓器與LED光源可共用，因此在比較時(shí)，只需對(duì)比光源本身的性能即可。而燈管類的產(chǎn)品放在不同的燈具內(nèi)，其產(chǎn)生的光效差別會(huì)很大（此時(shí)為燈具的系統(tǒng)光效），最差的為不帶控光罩的熒光燈支架，最好的是配高效發(fā)射器的格柵燈，再加上鎮(zhèn)流器的損耗（LED燈管不需要鎮(zhèn)流器），熒光燈燈具的系統(tǒng)光效差不多為熒光燈光源光效的40% 75%，而且LED燈管的有效光通量與燈具的選擇關(guān)系不大。性能對(duì)比見表3。

表3 熒光燈與LED燈管主要性能對(duì)比

3) 代替節(jié)能筒燈的LED筒燈

兩針或四針節(jié)能燈管的光源光效約為65lm/W，而算上燈具出光效率及鎮(zhèn)流器損耗，節(jié)能筒燈的系統(tǒng)光效約為35lm/W。目前飛利浦的LED中端筒燈的系統(tǒng)光效為70lm/W，為其兩倍以上，且顯色性Ra為80以上。因此，9W的LED筒燈能替代1×18W節(jié)能筒燈，15W的能替代2×18W，30W的能替代2×26W以上，節(jié)能率高于50%。從圖1的照度計(jì)算對(duì)比可以看到，在10m×10m的室內(nèi)安裝20套2×26W的PL-C光源的筒燈，其工作面的平均照度為181lx，總功率為1.12kW。如安裝20套30W的LED筒燈，其工作面的平均照度為346lx，而總功率僅為0.6kW。

4） 代替格柵燈的LED格柵燈

通過(guò)照度計(jì)算，在10m×10m的室內(nèi)安裝6套3×18W的T5光源的格柵燈，其工作面的平均照度與6套飛利浦45W的LED燈盤RC460B 34S 840 PSD所達(dá)到的照度相當(dāng)。格柵燈的功率為60W（含鎮(zhèn)流器），而LED燈盤系統(tǒng)功率僅為45W，可以看出LED格柵燈有25%的節(jié)能效果。相對(duì)LED燈杯、LED燈管和LED筒燈的節(jié)能效果，LED格柵燈是最低的。但筆者相信LED芯片的光效在未來(lái)幾年仍會(huì)不斷提高，并通過(guò)改善燈具的設(shè)計(jì)工藝，LED格柵燈的節(jié)能效果將能達(dá)到50%左右，大規(guī)模替換傳統(tǒng)T5格柵燈的時(shí)代將會(huì)到來(lái)。

4 LED當(dāng)今發(fā)展的局限

LED光源和燈具發(fā)展到現(xiàn)在，還沒有很明確的行業(yè)及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，因而造成了目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品魚龍混雜。以光效為例，有些廠商為了突出自己產(chǎn)品的性能，將其光效與傳統(tǒng)燈具光源的光效混為一談，直接使用燈具：

飛利浦 FBS145 PL-C 2×PL-C/2×2P26W Standard標(biāo)識(shí)為L(zhǎng)ED芯片的實(shí)驗(yàn)室光效數(shù)據(jù)，高得嚇人；還有些廠商將其標(biāo)識(shí)為燈具光效，而不包含LED驅(qū)動(dòng)電源的損耗。正確的光效值應(yīng)該為燈具在其典型環(huán)境溫度下工作24h后的流明輸出除以燈具的系統(tǒng)功率，單位為lm/W。產(chǎn)品壽命的標(biāo)注也有同樣的問(wèn)題，有些是用LED芯片的理論壽命10萬(wàn)h來(lái)代替LED燈具壽命，有些即使標(biāo)明的是燈具壽命，但也沒有標(biāo)注流明維持率及檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度。標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)注方式如：70,000 hours L70 @ 25℃ ；37,000 hours L70 @ 50℃。表示在環(huán)境溫度為25℃時(shí)，工作7萬(wàn)h，燈具的流明輸出為初始的70%；而在環(huán)境溫度為50℃時(shí)，工作3.7萬(wàn)h，燈具的流明輸出為初始的70%。

空間高度：2.8m，安裝高度：2.8m維護(hù)系數(shù)：0.08單位為 ：lx，比例 ：1 ：129

使用燈具：飛利浦 BBS1821×DLED-4000 PSU WH 30W

空間高度：2.8m,安裝高度：2.8m，維護(hù)系統(tǒng)：0.80單位為lx, 比例1：129

在技術(shù)方面，LED產(chǎn)品也還有一些瓶頸需要突破，主要有光效、顯色性和眩光。

1）光效

白光LED產(chǎn)品的光效只有LED芯片實(shí)驗(yàn)室光效數(shù)據(jù)的40%～60%，損耗的40%～60%主要在以下幾大方面：

（1）LED芯片實(shí)驗(yàn)室所測(cè)數(shù)據(jù)，為其節(jié)溫在恒定25℃的情況下，而燈具在實(shí)際使用時(shí)，因燈具散熱設(shè)計(jì)及LED芯片熱阻等原因，LED芯片的節(jié)溫會(huì)比環(huán)境溫度高出5070℃。從圖2中可以看出在典型節(jié)溫區(qū)，白光LED芯片的光效較25℃時(shí)損失了10%～15%；

圖2 LED芯片光效與節(jié)溫關(guān)系圖

根據(jù)以上分析可以看出，如果某白光LED燈具采用如今量產(chǎn)光效最高的150lm/W LED芯片，其最終的整燈系統(tǒng)光效也僅能達(dá)到90lm/W，目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品其系統(tǒng)光效一般在4080lm/W之間。因此要大幅提高LED產(chǎn)品的光效，不僅僅在源頭上要提高LED芯片的光效，而且需要優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，減小光效的損耗。

2）色溫和顯色性

如前文所述，白光LED產(chǎn)品是從路燈和隧道燈開始替代傳統(tǒng)產(chǎn)品的，目前市場(chǎng)上LED路燈、隧道燈主流產(chǎn)品的系統(tǒng)光效能到達(dá)75～95lm/W，明顯高過(guò)室內(nèi)白光LED產(chǎn)品。其原因就是LED路燈、隧道燈的色溫一般在5000～7000K,顯色性Ra一般不大于60，且基本不做眩光控制，不考慮遮光角。而這些指標(biāo)在室內(nèi)基礎(chǔ)照明中是不適合的。首先，室內(nèi)辦公照明的色溫一般為3000～ 6500K，顯色性Ra要求80，而色溫的高低與顯色性及光效是反比關(guān)系，3000K色溫的白光LED芯片的顯色性最好，一般都在80以上，但其光效只有6500K色溫LED芯片的85%～90%，這也是為什么LED路燈和隧道燈的色溫基本上是5000K以上。而6500K及以上色溫的白光LED芯片的光效最好，但顯色性最差，很難做到80以上。因此LED筒燈和格柵燈盤一般是30005000K色溫，否則顯色性達(dá)不到辦公室照明規(guī)范的要求。由此可見，室內(nèi)白光LED產(chǎn)品在色溫及顯色性上與傳統(tǒng)燈具有一定差距，且選擇范圍也小。

3） 配光及眩光控制

LED芯片的發(fā)展是尺寸越來(lái)越小，功率越來(lái)越大，單顆芯片的流明輸出也越來(lái)越高，由此造成單位面積的光強(qiáng)越來(lái)越大，普通熒光燈約為7000nt，而單顆大功率LED芯片甚至能達(dá)到1×108nt以上。且室內(nèi)高度低，人的視野面積小。因此室內(nèi)白光LED產(chǎn)品的眩光控制非常重要，否則人在無(wú)意直視到LED芯片后，會(huì)造成失能眩光，強(qiáng)光影像在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生滯留，引起視覺的短暫失效。目前室內(nèi)白光LED燈具一般采用以下幾種方式減少眩光：

（1）采用小功率LED芯片，很多LED燈管、筒燈一般采用此方式，將小功率芯片均勻分布，以減少單位面積的光強(qiáng)，達(dá)到減少眩光的功能。但缺點(diǎn)是小功率LED芯片的光效比大功率芯片低；

（2）在燈具表面加柔光膜，這種方式會(huì)比沒有柔光膜的LED燈具減少10%～15%的光輸出；

（3）反射照明，通過(guò)發(fā)射器將LED光源的光導(dǎo)向地面，而人眼看不到光源，但光效也會(huì)有些損失。此方式在LED格柵燈運(yùn)用較多；

（4）增加截光角，此方式能夠很好地解決眩光問(wèn)題，UGR能降低到19以下，而以上三種方式的UGR一般在20甚至以上。唯一的問(wèn)題是對(duì)于嵌入式安裝的燈具，對(duì)天花上空的空間要求較高。

現(xiàn)在室內(nèi)白光LED產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率還很低，這不僅是技術(shù)性能問(wèn)題，投資回報(bào)率也是主要原因之一。目前很多酒店及商場(chǎng)在做節(jié)能改造時(shí)，最大量地用LED燈杯替換傳統(tǒng)的鹵素?zé)?。這是因?yàn)槿绻惶禳c(diǎn)燈時(shí)間為12h，不到兩年，節(jié)省的電費(fèi)就能收回初期投資。而LED燈杯的壽命一般在3萬(wàn)h以上，可以使用近7年，而以后的5年可以通過(guò)節(jié)約電費(fèi)獲得更大的收益。但LED燈管和LED筒燈的回收期要4～5年（一天點(diǎn)燈時(shí)間為12h）；LED格柵燈時(shí)間就更長(zhǎng)，需要7～8年。因此在提高產(chǎn)品性能，增加節(jié)能率的同時(shí)，還需要降低產(chǎn)品成本。如果一個(gè)LED產(chǎn)品的投資回報(bào)率能在3年以內(nèi)，它就能在市場(chǎng)上迅速替代此類傳統(tǒng)燈具。

5 室內(nèi)白光LED光源未來(lái)應(yīng)用前景的展望

在文章中，我們并沒有看到LED燈具與金鹵光源筒燈的對(duì)比，那是因?yàn)樵诠庑Ъ帮@色性上，LED還有一定的差距。尤其是在商業(yè)照明中，如替代陶瓷金鹵燈具，白光LED芯片的顯色性Ra必須達(dá)到90以上，而目前主流LED芯片只在80左右，好的能做到85，還有很大差距。但筆者相信，以現(xiàn)在LED芯片技術(shù)突飛猛進(jìn)的勁頭，未來(lái)10～15年，白光LED芯片的光效將達(dá)到250lm/W，且芯片成本將由目前的100lm/$降到1000lm/$。到那時(shí)，LED光源將替換全系列現(xiàn)有光源，LED燈具將可以運(yùn)用到所有領(lǐng)域，包括體育照明。白熾燈、節(jié)能燈、熒光燈甚至金鹵燈可能逐漸淡出人們的視野走進(jìn)博物館，成為展柜里的展品。

［1］周志敏 紀(jì)愛華. LED照明技術(shù)與工程應(yīng)用［M］. 北京：中國(guó)電力出版社 .2010.

［2］陳元燈. LED制造技術(shù)與應(yīng)用（2版）［M］. 北京：電子工業(yè)出版社.2009.

[3] 周廣郁. LED照明發(fā)展應(yīng)對(duì)的問(wèn)題探討［J］.城市照明,2009,13(12)：37-39.