談LED在建筑電氣設(shè)計中的應用

李 寧 / 郭曉巖 / 唐 迪

(中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司， 遼寧 沈陽)

1 前言

照明是民用建筑必不可少的重要內(nèi)容。據(jù)統(tǒng)計，我國照明用電量約占全國總用電量的13%。作為建筑電氣能耗的主要部分，照明能耗又占整個建筑電氣能耗的近1/3，可見，高效的照明燈具對民用建筑的節(jié)能具有很大意義。2013年9月，工信部印發(fā)了產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南，明確提出將LED芯片、熒光粉等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)作為貫徹落實國務院創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略的產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)。LED產(chǎn)品由于其自身獨有的優(yōu)勢，不僅得到了國家相關(guān)部門的重視，還在消費市場中得到廣泛的好評。因此，LED照明產(chǎn)品在建筑行業(yè)特別是在綠色建筑中的應用潛力是十分巨大的。

近年來，隨著LED相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善及經(jīng)濟性指標的不斷提高，LED作為節(jié)能高效的照明光源就已經(jīng)逐漸被業(yè)界所認可，并被越來越多的人所熟知，故本文不再把LED發(fā)光原理、配光器件、電源驅(qū)動等燈具的基本特性作為討論的重點，而重點將筆者在多年從事建筑電氣設(shè)計工作中積累的一些與LED設(shè)計和實際應用相關(guān)的經(jīng)驗和體會與大家共同研討和分享。

2 LED在辦公場所應用的優(yōu)勢

發(fā)光效能高，是LED最為顯著的特點之一。

白熾燈、鹵鎢燈光效為12～24lm/W,熒光燈光效為50～70lm/W，鈉燈光效為90～140lm/W，大部分的耗電變成熱量損耗。LED經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展和改進，其發(fā)光效率有了很大的提升。LED的光效經(jīng)改良后將達到50～120lm/W，具有極大的發(fā)展?jié)摿?，有研究表明，未來的光效有可能超過200lm/W。各類光源性能比較見表1。

在建筑電氣設(shè)計中，LED的高光效對滿足國家相關(guān)標準及規(guī)范有重要的意義。2014年6月1日開始實施的新版《建筑照明設(shè)計標準》(GB 50034-2013)較舊版的照明功率密度限值有更加嚴格的要求。例如，在經(jīng)常遇到的辦公建筑電氣設(shè)計中，普通辦公室在照度標準值為300lx的前提下，LPD(W/m2)由原版的現(xiàn)行值11、目標值9，提升為新版的現(xiàn)行值9、目標值8，而且該規(guī)范條文為強制性條文。這對照明設(shè)計提出了更高的要求，選用高光效燈具勢在必行?！毒G色建筑評價標準》(GB/T 50378-2006)中，公共建筑評價標準的控制項和優(yōu)選項對于照明功率密度值(LPD)的要求，分別對應《建筑照明設(shè)計標準》中照明功率密度值的現(xiàn)行值和目標值。普通氣體放電燈，如熒光燈或節(jié)能燈在滿足一般項的LPD要求時通常比較容易，但在滿足優(yōu)選項時，可能會有一些難度。

表1 各類光源性能比較

筆者采用DIAlux計算軟件，設(shè)定在相同的室內(nèi)環(huán)境下(室內(nèi)長10.8m，寬7.5m，高2.65m，室內(nèi)面積81m2，工作面高度為0.75m，維護系數(shù)取0.8，計算照度為300lx)，對T8 3×18W熒光燈和LED 3×18W管燈進行了比較。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的熒光格柵燈(3×18W)需要15套(圖1)，LPD達到了10W/m2，僅僅滿足舊版的《建筑照明設(shè)計標準》LPD限值，在新標準頒布后，已經(jīng)力不從心。LED格柵燈僅需8套(圖2)，LPD為5.33W/m2，甚至大大低于新版規(guī)范的目標值。在設(shè)計中，如果項目建設(shè)單位有申報綠色建筑二星、三星的要求，使用LED燈具，滿足《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2006)第5.2.19條的優(yōu)選項是非常容易的，這樣對項目整體的申報有非常大的幫助。在國家提倡“節(jié)能減排”的大環(huán)境下，對新建建筑有綠色建筑評價的要求；對既有建筑的改造，更具有深遠意義。

圖1 熒光格柵燈(3×18W 單燈光通量3 750lm)

圖2 LED柵燈(3×18W 單燈光通量4 600lm)

圖3 白熾燈、緊湊型熒光燈及LED燈照度對比實驗

由此可見，LED的高光效對于傳統(tǒng)熒光燈有較大優(yōu)勢，而且，隨著技術(shù)的不斷進步，這種優(yōu)勢還會繼續(xù)擴大。筆者認為，在電氣設(shè)計時，用LED燈具取代傳統(tǒng)燈具的可操作性是很強的。特別是在既有建筑改造中，無論是滿足《建筑照明設(shè)計標準》(GB50034-2013)中的現(xiàn)行值要求，還是滿足《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2006)的優(yōu)選項(目標值)要求，LED光源與傳統(tǒng)光源的可直接替換性，都使之成為可能。

3 LED在居住建筑設(shè)計中應用的優(yōu)勢

LED的高光效特性同樣適用于居住建筑領(lǐng)域。

住宅建筑中的公共照明是在物業(yè)管理成本中占有較大的比例。電氣設(shè)計中，在滿足《建筑照明設(shè)計標準》中的照度要求的同時，應盡量降低燈具的功率，即選擇高光效的燈具。公共部位照明多采用自熄式燈具，如紅外感應式、聲光控制式，同時為適應燈具頻繁開啟的特點，光源多采用白熾燈，但白熾燈光效很低，因此以往常采用緊湊型熒光燈(即節(jié)能燈)來代替。近年來，LED燈在光效飛速提升的同時，采購成本也大大降低，同時，LED燈壽命長，還具有比節(jié)能燈更適合頻繁開啟關(guān)閉的特性。而且，很多LED燈也配置了E14、E27、E40等標準安裝燈頭，可以做到與傳統(tǒng)光源的直接替換，非常方便。另外，LED燈的長壽命，也大大降低了物業(yè)的維護成本。當年，緊湊型熒光燈的問世，替代高功率、低光通的白熾燈，使得人們賦予它“節(jié)能燈”的稱呼；現(xiàn)在LED燈替換緊湊型熒光燈也是大勢所趨，相信在不久的將來，LED燈將是“節(jié)能燈中的節(jié)能燈”。

為了獲得并分析各類典型光源的實際應用數(shù)據(jù)，筆者對白熾燈、緊湊型熒光燈、LED燈在相同的室內(nèi)環(huán)境條件下，做了實驗對比。

實驗選取了40W白熾燈、7W緊湊型熒光燈以及7WLED燈三種燈型。如圖可見，在完全相同的環(huán)境下，40W白熾燈的照度僅為47.4lx，基本等同于7W緊湊型熒光燈49lx的照度，而同樣是7W的LED燈，照度可達到244lx。由此可見，若要滿足同等照度要求，LED燈的功率則遠遠小于白熾燈及緊湊型熒光燈。

4 LED在低溫場所照明設(shè)計中應用的優(yōu)勢

低溫照明是指環(huán)境溫度在5℃以下場所運用人造光源來照明，例如冷藏柜、冷凍柜、冰箱、冷庫、室外照明等。LED即使在-40℃的低溫環(huán)境下，也能瞬間啟動，而且LED隨著溫度升高發(fā)光效率遞減，在低溫中發(fā)光效率良好(見圖4)。這一特點，使得LED非常適合在冷庫中應用。在筆者參與的某冷庫項目設(shè)計中，庫內(nèi)的照明燈大都采用了LED燈具，相比建設(shè)單位之前建設(shè)的冷庫內(nèi)使用的大功率白熾燈，不僅照明效果好、減少了大功率白熾燈熱量釋放對冷庫環(huán)境的影響，而且用電成本更低，所以業(yè)主反饋的使用情況非常好。談到這里，不得不提到LED在冷庫設(shè)計中另外兩個優(yōu)勢：首先，冷庫內(nèi)溫度低、層高較高，當庫內(nèi)存放貨物時，替換損壞的燈具較為困難。原先冷庫采用白熾燈時，幾乎每年都需要更換一次，不僅維修量大，而且影響冷庫正常使用。LED燈的壽命是白熾燈的幾十倍，可達數(shù)年，能大大降低燈具的維護費用，避免經(jīng)常換燈的煩惱。結(jié)合綠色建筑的理念，在建筑全壽命周期內(nèi)，LED的節(jié)能效果是非常顯著的。這一特點，使得LED非常適合冷庫內(nèi)的照明。那為什么不使用光效同樣很高、壽命也較長的熒光燈呢？這里引出LED的另一個優(yōu)勢，環(huán)保無毒。冷庫內(nèi)大多存儲的是肉類、水果、蔬菜等食物成品或食物原材料。隨著社會的不斷發(fā)展和進步，現(xiàn)在人們極為重視食品安全，國家更是為食品的生產(chǎn)、運輸、儲存等環(huán)節(jié)制定嚴格的法律法規(guī)。大家都知道，熒光燈內(nèi)含有汞和熒光粉，通常每只節(jié)能燈內(nèi)的汞含量大約為5mg。在庫內(nèi)貨物的搬運或者燈具更換時，只要熒光燈破損，就會造成汞揮發(fā)，熒光粉灑落至食品上，會嚴重影響食品安全。LED不包含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)，能更好地滿足食品儲存的需求。

圖4 LED溫度—發(fā)光效率曲線

由圖4可以看出，溫度越高，LED的光效越底，光衰越大，壽命越短。

5 LED在中小學教室等場所內(nèi)應用的優(yōu)勢

頻閃光是發(fā)光時出現(xiàn)一定頻率的亮暗交替變化。普通熒光燈的供電頻率為50Hz，表示發(fā)光時每秒亮暗100次，屬于低頻率的頻閃光，會使人眼的調(diào)解器官(如睫狀肌、瞳孔括約肌等)處于緊張的調(diào)節(jié)狀態(tài)，長時間處在這種環(huán)境下很容易導致視覺疲勞。在我國20世紀80年代以后，直管型(電感式)日光燈普遍應用于家庭、學校、圖書館等，成長中的中小學生受害很大，視力下降明顯，近視眼顯著增多。如果光源發(fā)光時為直流供電，人眼既不會有頻閃感覺，也不會造成視力傷害，這種光稱為無頻閃光。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金鹵燈等傳統(tǒng)光源均會發(fā)生頻閃效應，即使是通過驅(qū)動電器提高頻閃的頻率，也只是減小或降低頻閃對人身的傷害，只有由直流驅(qū)動的LED光源，才能算是真正的無頻閃光源。

傳統(tǒng)光源的發(fā)光角度是360°，而LED的發(fā)光角度為120°，所以LED光的指向性更強。在教室黑板等處的局部照明使用LED優(yōu)勢更加明顯，而且相比傳統(tǒng)光源，LED用于教室的大面積照明更不易產(chǎn)生眩光。

另外，從上文中熒光燈和LED的光效比較可知，LED在較大面積的照明場所，節(jié)能的效果是非常明顯的。由此可見，LED燈在今后勢必會更多地應用于學校教室照明。同時，LED驅(qū)動的輸入電壓為交流220V，輸出電壓為直流3V左右，驅(qū)動電流僅為十幾毫安，不會造成觸電事故。相比傳統(tǒng)光源，LED更適合應用在幼兒園、老年人公寓等對用電安全要求更高的場所。

6 LED在戶外照明中應用的使用優(yōu)勢

為了避免光的浪費與光污染，燈具應盡可能地將光線投向需要照明的空間方向，因此，除少數(shù)裝飾照明或全空間照明燈具外，大多數(shù)燈具都需要具有一定的指向性。在這個方面，LED相較其他光源更具有先天性的優(yōu)勢。熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈等傳統(tǒng)光源均為點狀或線狀光源，且多為全空間方向發(fā)光；LED體積小，接近點光源，其發(fā)光方向具有很強的指向性，發(fā)光角度為120°(見圖5)，特別適宜加裝各種透鏡達到不同的配光目的，實現(xiàn)很高的光利用率。LED路燈的燈具效率可以超過90%，而應用全空間方向發(fā)光的光源的路燈，其發(fā)光效率基本都在70%以下，部分路燈甚至還不到50%。同時，LED的高指向性也能減少眩光對車輛駕駛者的影響，可提高交通安全性。所以，近些年來，隨著技術(shù)的提升，國家的支持，高光效、高顯色性、低能耗的LED路燈在道路上已經(jīng)隨處可見。

LED燈具還在景觀園林設(shè)計中大放異彩。筆者參與設(shè)計的很多住宅項目，園區(qū)內(nèi)大多采用了LED景觀燈具。這些燈具體積小、壽命長，而且功率低，能降低物業(yè)運營成本。LED最特殊的是采用直流驅(qū)動，在太陽能應用上尤其重要。因為太陽能發(fā)出的電也是直流的，可以省去逆變器這一環(huán)節(jié)的成本和能量損耗。如果LED燈功率較小，甚至可以不需要結(jié)合市電，僅由太陽能供電即可滿足使用要求。以上諸多的優(yōu)點，都使得LED景觀燈特別受到建設(shè)單位的青睞。

圖5 LED發(fā)光角度

7 結(jié)束語

對LED照明近年來的迅猛發(fā)展筆者深有體會。現(xiàn)在，隨意走入一家燈具市場或者超市，各種功率、各種造型的LED占據(jù)了大部分的展示區(qū)，有的品牌還可以通過驅(qū)動電源直接調(diào)節(jié)LED筒燈的色溫，用一種燈具即可實現(xiàn)多種感覺的照明效果。相比之下，傳統(tǒng)光源的燈具就黯淡許多。大功率的白熾燈停止生產(chǎn)和銷售后，小功率的白熾燈也幾乎在市場上絕跡。筆者在做本文提到的對比實驗時，僅在一處比較偏遠的五金小賣店，才買到一只白熾燈。由于LED燈頭種類齊全，可與傳統(tǒng)光源直接替換，且LED燈的價格也較往年降低了不少，甚至單燈價格會低于節(jié)能燈，所以使得節(jié)能燈在市場上的比例大幅度減少。筆者也經(jīng)常與裝修設(shè)計單位的同行們進行交流，大家普遍認為，無論公裝還是家裝，LED的使用都越來越普遍。小巧的燈頭體積、豐富的燈具形狀、超低的電量能耗等諸多優(yōu)點，是設(shè)計者和消費者選擇它的主要原因。

照明是電氣設(shè)計師幾乎每天都能接觸到的內(nèi)容。設(shè)計師不僅應該關(guān)注照度、功耗、光效等技術(shù)指標，同時還應當關(guān)注照明燈具實際應用過程中的諸多要素，比如燈具的體積、安裝的重量、維護的頻率、外觀的美感，以及最重要的初期投資和后期運營成本等。近年來LED在民用建筑中的應用已經(jīng)表現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。隨著技術(shù)的不斷提升、市場規(guī)模的不斷擴大、生產(chǎn)成本的不斷降低， LED在照明設(shè)計中的應用前景將一片光明。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑照明設(shè)計標準(GB 50034-2013)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2] 中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.綠色建筑評價標準(GB/T 50378-2006)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.