LED家居室內(nèi)照明光色設計

王香娟 虞世鳴 楊潔翔

(1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072;2.上海半導體照明工程技術(shù)研究中心，上海 201203)

1 引言

LED照明已在室外照明中得到規(guī)?；瘧煤桶l(fā)展，并逐漸進入室內(nèi)照明領(lǐng)域。在傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈主導照明的年代，照明燈具的色溫與照度調(diào)控難度大，室內(nèi)居室照明單調(diào)，可變性弱。但是，進入LED照明燈具時代，依托LED照明所具有的優(yōu)勢，通過調(diào)光、調(diào)色、調(diào)溫和光流動等技術(shù)手段，根據(jù)人體生理和心理的不同需求，通過工業(yè)設計等現(xiàn)代設計方法和手段，可以獲得集照明、裝飾和藝術(shù)于一體的不同效果的環(huán)境情景模式照明。

大量的工程實踐證明，在室內(nèi)居家照明中，主要應用的還是白光LED燈具產(chǎn)品，可以充分發(fā)揮RGB白光LED具有豐富的色域優(yōu)勢，通過編程控制其色溫與光輸出。單純調(diào)光的話，也可用藍光加熒光粉合成的白光LED，控制較RGB白光LED簡單。白光LED工程實施便捷可調(diào)、體積小、隱蔽性好，便于實現(xiàn)室內(nèi)照明的可控性，為LED在室內(nèi)照明上的應用提供了雄厚的產(chǎn)品基礎(chǔ)。本文以家居臥室照明為例，研究如何在家居室內(nèi)照明中應用LED燈具進行光色設計。

家居室內(nèi)照明光色設計流程如圖1所示。

圖1 LED家居室內(nèi)照明光色設計流程

2 情景模式設計

2.1 光色需求分析

光色照明設計要求深入分析設計對象，綜合考慮設計要素，遵循設計標準，編制設計方案，進行照明計算與燈具布置，作出藝術(shù)處理，創(chuàng)造環(huán)境藝術(shù)，最后進行環(huán)境評價，從而保證人工光環(huán)境的質(zhì)量。

在進行光色設計時，應考慮下列內(nèi)容:

1.設計對象。

包括: (1)視覺工作性質(zhì)、規(guī)定的視覺功效、工作延續(xù)時間工作位置變化等; (2)使用人的組成、年齡以及其他特定的要求等; (3)照明裝置用途。

2.設計因素。

包括: (1)物理因素，包括光的波長和顏色、受照空間的大小和形狀、平均照度等;(2)生理因素，包括視覺工作、視覺功效等; (3)心理因素，包括靜態(tài)或動態(tài)、視覺滿意、視覺舒視等;(4)經(jīng)濟因素，包括照明系統(tǒng)的投資費、運行費、維護費、節(jié)能措施等。

表1 光色情景模擬

研究和計算表明人的一生有三分之一的時間是花在臥室里的，因此臥室照明，是所有房間中最需要精心設計的。

在臥室照明中，按照明的范圍劃分，主要分為兩種照明方式:即一般照明與局部照明。一般照明中光色的設置主要是暖色調(diào)、中間色調(diào)與冷色調(diào)之分，可根據(jù)環(huán)境需求來選擇光源色溫，要讓人們躺在床上的時候有真正在家的感覺，注重氣氛的烘托。局部照明主要是床頭燈光，其設置主要是暖色調(diào)光與冷色調(diào)光，暖色調(diào)光有利于人放松進入睡眠，冷色調(diào)光有利于早晨人頭腦清醒。部分人習慣躺在床上看書或看電視，這時床頭局部燈光的調(diào)節(jié)可以使人放松，緩解疲勞，床頭燈光的另一作用是起夜時的動態(tài)調(diào)光照明。

現(xiàn)行國家標準規(guī)定臥室一般照明的照度為75 lx，床頭照度為150 lx，色溫 ＜3300K，但是這樣的色溫與照度取值單一，不能滿足用戶的生理心理變化需要。本文對100個年齡介于20～50歲的中青年的調(diào)查發(fā)現(xiàn):在臥室一般照明中，對于燈具顯色性要求一般的情況下，一般低色溫，所需照度較低，讓人感覺溫馨，而高色溫，人們會偏向喜歡明亮一點。如下表1中模擬情景所示，在色溫為3000k時，200～400 lx的照度讓人倍感溫馨，800 lx以上有悶熱煩躁的感覺;色溫5000k時，比較偏好600 lx左右的照度;色溫7000k時，偏好600～800 lx，1000 lx以上過于明亮，而照度偏低則感覺陰暗。

由于在臥室內(nèi)并不會進行精細操作 (如長時間看書、勞作)，從節(jié)能角度出發(fā)，平均照度可根據(jù)實際情況在上述表1模擬照度情況下進行適當?shù)恼{(diào)整降低。

2.2 光色情景模式劃分

根據(jù)2.1分析，結(jié)合照明實際，可將臥室光色照明情景模式進行如表2劃分。

3 照明計算

照明計算是光色情景模式設計的基礎(chǔ)，它包括照度計算以及色度計算 (色溫計算、顯色指數(shù)計算)等照明功能上各種效果的計算。

圖2 照度分布計算

根據(jù)不同光色情景模式需要，所選的LED燈具具有調(diào)光調(diào)色的功能。通過DIALUX軟件，導入房間環(huán)境模型，輸入幾組參考的燈具參數(shù)，設定房間中的空間環(huán)境數(shù)據(jù)，計算不同燈具參數(shù)情況下房間中的照度與色度分布情況，如圖2所示是照度分布情況計算，從中計算得到特定光色情景模式下燈具的光色參數(shù)，作為照明控制中的燈具參數(shù)。

表2 臥室光色照明情景模式

4 光色控制實現(xiàn)

4.1 光色控制

光色控制環(huán)節(jié)結(jié)合編程與仿真，其界面設置流程如圖3所示，將各個室內(nèi)房間的光色控制系統(tǒng)接到控制器，在控制器電腦上安裝軟件，監(jiān)測運行狀態(tài)，實現(xiàn)全智能控制。光色控制通過適時調(diào)整情景模式，從而體驗溫馨、工作、休閑等不同燈光帶給人們身心的舒適。

4.2 光色穩(wěn)定控制

在利用RGB白光LED進行調(diào)光調(diào)色時，由于三種顏色的驅(qū)動電流各異，所以在RGB白光LED器件芯片中需要加入一個控制電流的芯片，以控制得到穩(wěn)定的光色輸出。控制電流的芯片一方面可控制加載到LED各個芯片的恒定電流，防止因LED工作電流變化引起光的主波長偏移而變色，繼而使白光的色溫也發(fā)生變化。另一方面，可以控制通過三個RGB LED芯片的電流大小，從而使三個芯片的發(fā)光強度相應發(fā)生變化，實現(xiàn)三基色光混合比例隨之發(fā)生變化，達到不同光色情景模式的色溫與照度需要。

圖3 光色控制實現(xiàn)界面設置流程

本文根據(jù)某實際施工項目中LED燈具的現(xiàn)場測試，監(jiān)測LED照明工程主要照明參數(shù)，包括現(xiàn)場照度、色溫、溫度。表3中為半年來該項目測試所得數(shù)據(jù)，測試時間定于晚上7:30～8:30，原則為外界光線不影響為佳。

表3 測試數(shù)據(jù)

根據(jù)測試，得到光色情景模式統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如圖4、圖5顯示，在不同模式的使用過程中，燈具的色溫與所產(chǎn)生的照度都產(chǎn)生了一定變化。另據(jù)現(xiàn)場體驗，這種變化是可為人眼所識別的，究其原因，主要是LED的紅色、綠色和藍色光的輸出，會有不同程度的減弱，隨著時間的推移，RGB LED系統(tǒng)的顏色平衡會變換，同時室溫、LED自身的散熱問題等對此也有影響。

圖4 色溫變化

圖5 照度變化

因此在進行LED照明光色控制實現(xiàn)時，必須加入光色穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)。

5 小結(jié)

本文遵循家居室內(nèi)LED照明光色設計流程，通過照明交互中，人與物的各要素分析，確定光色需求，設置光色情景模式。利用燈光模擬設計軟件，對色溫與照度進行模擬分布計算，并選取特定光色情景模式的燈具參數(shù)設置。對光色情景模式進行智能控制和穩(wěn)定控制，為使用者設計便捷易操作的流程，達到光色設計效果的完美實現(xiàn)。

［1］王香娟，虞世鳴.LED色溫與顯色性在室內(nèi)照明設計應用的探討 ［L］.中國科技論文在線，2010.

［2］王亞男.三基色白光LED光源照明質(zhì)量改善的應用研究 ［D］.重慶大學，2008.

［3］［日］照明學會.照明手冊，中國建筑工業(yè)出版社，1985.

［4］陳大華主編.綠色照明LED實用技術(shù).北京:化學工業(yè)出版社，2009.9，P23.