綜合醫(yī)院室內(nèi)公共區(qū)域LED照明應(yīng)用探討

高永良，王 恒，劉兆海，劉 煉，雷小明

(重慶大學(xué)附屬第一醫(yī)院，重慶 400016）

0 引言

醫(yī)療系統(tǒng)室內(nèi)公共區(qū)域主要包括候診大廳、各種走廊過(guò)道、護(hù)士站等區(qū)域，這些區(qū)域往往是醫(yī)院中人流量大，照明時(shí)間最長(zhǎng)的區(qū)域。選擇一種合理的照明方式，有助于提升醫(yī)院形象，安撫病人在候診期間的情緒，以及起到節(jié)能、減排，減少醫(yī)院維護(hù)工作的作用。

近年來(lái)，隨著 LED(Light Emitting Diode）技術(shù)的發(fā)展，LED已被越來(lái)越多地應(yīng)用于顯示屏、背光源、汽車車燈、景觀照明等領(lǐng)域，同時(shí)也開(kāi)始應(yīng)用在室內(nèi)照明領(lǐng)域。目前，LED憑借其高亮度、高可靠性、低使用成本、壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，作為一種新型照明方式，已經(jīng)成為當(dāng)前新技術(shù)應(yīng)用的熱門話題。因此對(duì)于大型綜合醫(yī)院探討采用LED照明的可行性，并進(jìn)行嘗試，顯然是一件非常有意義的工作。

本次應(yīng)用嘗試選擇了重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，該院是一所集醫(yī)療、教學(xué)、科研、預(yù)防、保健為一體的重點(diǎn)大型綜合性醫(yī)院，具備充分的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。本次試驗(yàn)將從三個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，一是試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)照明用電量，二是照度值，三是通過(guò)三個(gè)月的照度測(cè)試統(tǒng)計(jì)出光衰值。通過(guò)這三個(gè)方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，將分別得出采用LED照明相對(duì)傳統(tǒng)照明產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，以及光衰數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明在綜合醫(yī)院采用LED照明的優(yōu)勢(shì)。

1 LED發(fā)光原理

發(fā)光二極管是由P型和N半導(dǎo)體組成的二極管，見(jiàn)圖1。在LED的P－N結(jié)附近，N型材料中多數(shù)載流子是電子，P型材料中多數(shù)載流子是空穴。結(jié)上未加電壓時(shí)構(gòu)成一定的勢(shì)壘，當(dāng)加正向偏壓時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在P－N結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合，同時(shí)釋放出相對(duì)應(yīng)的能量hυ(h為普朗克常數(shù)，υ為光子頻率）而發(fā)光。該能量相當(dāng)于半導(dǎo)體材料的帶隙能量E g(E v），其與發(fā)光波長(zhǎng)λ(nm）的關(guān)系為λ=1239.6/E g。因此，只要有理想的半導(dǎo)體材料就可以制成各種光色的LED。自1993年白光LED發(fā)明以來(lái)，光效逐年提升，目前批量生產(chǎn)的白光LED已經(jīng)超過(guò)140 lm/W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前節(jié)能燈的80 lm/W。

圖1 LED發(fā)光原理示意圖

2 照明對(duì)比試驗(yàn)方案的確定

為了盡快得出LED照明與傳統(tǒng)照明之間的對(duì)比數(shù)據(jù)，兼顧數(shù)據(jù)科學(xué)翔實(shí)。本次試驗(yàn)選定兩個(gè)場(chǎng)地，一是醫(yī)院的1～4樓候診大廳，這4層樓建筑結(jié)構(gòu)完全相同，且大廳中的內(nèi)部布局完全一致，每層樓面積為736 m2。1～2樓采用LED筒燈照明，一對(duì)一替換原有節(jié)能筒燈，3～4樓采用全新節(jié)能燈，也一對(duì)一替換原有節(jié)能燈，并保證四層樓電氣回路完全相同。另選取外科大樓18～19樓過(guò)道及護(hù)士站，兩層樓之間也滿足環(huán)境相同，電氣回路一致的原則，每層樓面積為258 m2。測(cè)試中18樓采用LED日光燈照明，19樓采用傳統(tǒng)熒光燈照明。分別采用力創(chuàng)電工型號(hào)為L(zhǎng)CDG－DG 110－60的單相電子式電能表測(cè)試各層樓的用電量;英雷科電子型號(hào)為ELR－R－H的型數(shù)顯累時(shí)器測(cè)試各個(gè)回路的照明時(shí)間;泰仕型號(hào)為TES－1332A的照度計(jì)測(cè)試照度數(shù)據(jù)，并按照GB5700－2008規(guī)定的照明測(cè)試方式選擇照度測(cè)試點(diǎn)。在照明測(cè)試方案中，測(cè)試時(shí)間設(shè)定為3個(gè)月，每10～20天記錄一次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄方案如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)記錄方案

在測(cè)試之前，規(guī)定原則上每個(gè)回路均每天24 h照明，并且在每個(gè)回路均安裝了帶累時(shí)器的電表，每個(gè)回路控制一個(gè)開(kāi)關(guān)，只有當(dāng)該回路通電時(shí)，累時(shí)器才工作，這樣就很好地避免了因意外導(dǎo)致回路不通電，而記錄時(shí)間依然在累積增加的情況發(fā)生。

3 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)三個(gè)月(2375 h）共9次測(cè)試，共獲取數(shù)據(jù)3780個(gè)，其中有效數(shù)據(jù)3775個(gè)。將各個(gè)回路的用電量相加，可計(jì)算出門診大廳1，2樓共計(jì)耗電7059.4 kW/h;3，4樓共計(jì)耗電12789.5 kW/h。每次記錄數(shù)據(jù)曲線圖2所示。

從圖2可以看出經(jīng)過(guò)三個(gè)月的測(cè)試，LED用電量是節(jié)能燈用電量的55%。直接節(jié)能45%。

圖2 重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院門診大廳LED與節(jié)能燈用電量對(duì)比

門診大樓各個(gè)樓層均設(shè)置了80個(gè)測(cè)試點(diǎn)，經(jīng)過(guò)9次測(cè)試，將每次照度測(cè)試值進(jìn)行平均。各個(gè)樓層的照度測(cè)試值如圖3所示。其中一樓首次測(cè)試平均照度為114.6 lx，最后一次測(cè)試照度為113.06 lx，光衰為1.4%;二樓首次測(cè)試平均照度為119.15 lx，最后一次測(cè)試照度為114.31 lx，光衰為4.1%;三樓首次測(cè)試平均照度為102.14 lx，最后一次測(cè)試照度為 97.07 lx，光衰為5%;四樓首次照度測(cè)試平均照度為86.4 lx，最后一次測(cè)試平均照度為79.4，光衰為8.2%。

圖3 重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院門診大廳LED與節(jié)能燈照明照度測(cè)試對(duì)比

將各個(gè)回路的用電量相加，可計(jì)算出外科十八樓共計(jì)耗電3981.5 kW/h;十九樓共計(jì)耗電7624.7 kW/h。每次記錄數(shù)據(jù)曲線圖如圖4所示。

圖4 重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院外科樓LED與節(jié)能燈用電量對(duì)比

從圖4中可以看出經(jīng)過(guò)三個(gè)月的測(cè)試，LED用電量是熒光燈用電量的52%。直接節(jié)能48%。

18，19樓層均設(shè)置了80個(gè)測(cè)試點(diǎn)，經(jīng)過(guò)9次測(cè)試，將每次照度測(cè)試值進(jìn)行平均。各個(gè)樓層的照度測(cè)試值如圖5所示。其中18樓首次測(cè)試平均照度為147 lx，最后一次測(cè)試照度為139.4 lx，光衰為5.2%。19樓首次測(cè)試平均照度為79.5 lx，最后一次測(cè)試照度為 64.4 lx，光衰為 19%。

圖5 重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院外科樓LED與熒光燈照度測(cè)試對(duì)比

4 結(jié)果分析與討論

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可以看出LED的光衰明顯低于傳統(tǒng)照明，尤其是LED照明與傳統(tǒng)熒光燈比較，更是具有明顯優(yōu)勢(shì)。將照度結(jié)果歸一化處理，可以計(jì)算出LED相對(duì)于傳統(tǒng)照明在相同照度條件下，產(chǎn)生的節(jié)能效益。

表2 LED比傳統(tǒng)照明節(jié)能分析表

由表2可以看出，門診大廳LED照明對(duì)比傳統(tǒng)節(jié)能燈，節(jié)能率高達(dá)54.2%，LED照明對(duì)比傳統(tǒng)熒光燈，節(jié)能率高達(dá)73.7%。

傳統(tǒng)節(jié)能燈或熒光燈內(nèi)有兩個(gè)電極，在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生高壓，擊穿汞蒸氣。當(dāng)汞原子在電場(chǎng)作用下，不斷從原始狀態(tài)被激發(fā)成激發(fā)態(tài)，繼而發(fā)生躍遷到基態(tài)，并輻射出波長(zhǎng)253.7 nm和185 nm的紫外線(主波長(zhǎng)253.7 nm，約占全部輻射能的70% ～80%）。這些紫外線輻射到燈管壁上的的電子發(fā)射材料，即俗稱的熒光粉。熒光粉吸收紫外線的輻射能后發(fā)出可見(jiàn)光。

LED則是通過(guò)P－N結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合，同時(shí)釋放出相對(duì)應(yīng)的能量hυ(h為普朗克常數(shù)，υ為光子頻率）而發(fā)光。由于發(fā)光原理的區(qū)別，兩種光源的發(fā)光能力也不一樣。

熒光燈開(kāi)始走向市場(chǎng)并大規(guī)模應(yīng)用是在上世紀(jì)40年代，光效為40 lm/W。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前熒光燈光效可達(dá)80 lm/W。

1996年第一只白光LED光效為30 lm/W，隨著半導(dǎo)體材料的迅速發(fā)展，目前 LED光效已達(dá)140 lm/W。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，LED相對(duì)傳統(tǒng)燈具，有著明顯的優(yōu)勢(shì)和廣闊的發(fā)展空間。本次在綜合醫(yī)院公共室內(nèi)區(qū)域LED應(yīng)用的嘗試，印證了LED相對(duì)于傳統(tǒng)照明的節(jié)能效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，節(jié)能效果達(dá)到55%～70%，這的確是一個(gè)令人振奮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，傳統(tǒng)節(jié)能燈已經(jīng)變得不節(jié)能。在自然資源日益緊張的時(shí)代，挖掘新型節(jié)能產(chǎn)品并應(yīng)用在相應(yīng)領(lǐng)域，合乎時(shí)代發(fā)展的需要，這是一次有意義的嘗試。并且通過(guò)一段時(shí)間的觀察，發(fā)現(xiàn)采用LED制作的燈具，光衰明顯小于傳統(tǒng)燈具，這也從實(shí)踐證明了LED具有長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。

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