民用建筑中LED照明的應用研究

代 丹 / 陳寅生

(中國航空規(guī)劃建設發(fā)展有限公司，北京 100120)

LED作為一種新型電光源，國家對LED照明的相關標準出臺相對滯后，且產品質量良莠不齊，造成選用后患。雖然國際乃至國內已經出臺了一些規(guī)范和標準，但關于LED光源的光電參數指標還有一些爭論尚未定論，從而導致照明設計人員對這一新型電光源不敢輕易采用。由于LED照明光源的發(fā)光機理、光譜特性等均與傳統的照明光源有很大的不同，為了將LED在民用建筑領域中應用好，本文在對LED光源的光電參數進行分析的基礎上，討論LED在民用建筑中的適用性。

國內LED光源用于道路照明、隧道照明的實際應用案例已有很多，報刊雜志均有許多報道，但是真正用于民用建筑領域照明的案例還很少，尤其是大功率LED光源用于民用建筑領域的室內照明。原因之一是關于藍光對人體健康的影響問題，部分民用建筑領域中，一些工作人員會長期工作在電光源照明的環(huán)境下，而不同于行人夜間在馬路上行走只是短期暴露在電光源環(huán)境下，這些光是否會影響人體健康、它的色彩還原如何都要認真考慮。所以民用建筑的LED照明對人體健康的影響與道路照明有很大的不同，需要進行深入分析。

1 LED照明技術指標分析

LED光源的物理特性和光學特性與LED照明產品質量的好壞息息相關。目前國內產品的實際情況如何以及與傳統光源的對比情況怎樣，本節(jié)對部分LED產品進行測試分析。

1.1 15W無極熒光燈與15W LED球泡燈對比測試

本文對福建某源光公司生產的15W無極熒光燈和貴州某公司生產的15W LED球泡燈進行了光譜特性、光通量、功率等參數的比對測試，測試儀器分別采用杭州遠方光電信息有限公司生產的遠方PMS-80_V1系統，軟件版本號為V2.00.125，功率因數、高次諧波含量采用杭州遠方光電信息有限公司生產的PF9811智能電量測量儀進行測試。光學參數測試結果如表1所示。

表1 15W無極熒光燈與15W LED球泡燈光學參數對比

從表1可以看出，在輸入功率基本相同的情況下，根據產生的光通量數據計算，該對比測試組無極熒光燈光通量和光電效率分別為LED燈的62.075%和60.475%，但由于該無極熒光燈的輸入功率略大于LED燈的輸入功率，因此該LED燈在與無極熒光燈同等照度情況下，比無極熒光燈節(jié)能約40%，根據光電效率指標和輻射通量指標，可以驗證節(jié)能效果。

圖1 15W無極熒光燈和LED燈3～11次諧波與限值

類別色溫(K)顯色指數(Ra)光通量(lm)輻射通量(W)光效(lm/W)功率(W)功率因數2 700K平均值2 742.669.9620.151.793 1886.4647.1720.943 343 000K平均值3 081.871.18652.0061.859 687.3767.462 20.946 043 500K平均值3 52873.1653.261.888 0291.4447.1460.940 684 000K平均值4 10775.72632.11.879 1486.4227.321 80.943 424 500K平均值4 57175.66657.8921.977 5890.5287.270 80.943 485 000K平均值5 066.875.24656.7121.993 2488.7747.3980.944 325 700K平均值5 65074.64662.2242.02292.9767.124 40.943 546 500K平均值6 410.878.9692.1182.210 1495.3827.263 40.924 34

所測15W無極熒光燈在測試期間的瞬間有功功率變化范圍為14.80W～15.51W，這一現象說明該燈的高次諧波對電光源功率本身的影響，功率波動約占5%，雖然不高，但也會影響發(fā)光強度，但人們的肉眼無法察覺到光強的變化。

如圖1所示，對照測試的15W LED燈各項指標優(yōu)于15W無極熒光燈，并滿足國家GB 17625.1標準，尤其在高次諧波含量和功率因數兩項指標上，占有很大優(yōu)勢，如果大量采用，既能保證局域電網的電能質量，又能滿足節(jié)能要求。

1.2 7.5W(L=0.6m)LED支架燈光學參數測試

對于民用建筑照明，18W(L=0.6m)熒光燈是比較常見的電光源，因此多數LED生產廠商都有對應長度的LED支架燈與其對應。考慮到未來大量取代更換問題，本文對該長度LED支架燈進行了測試。

測試燈的色溫涵蓋常用范圍分別為2 700K、3 000K、3 500K、4 000K、4 500K、5 000K、5 700K、6 500K共8種色溫，考慮到單只測試會具有偶然性，因此每種色溫選5支，對光學參數進行測試，各色溫5次測試的平均結果如表2所示。

從表2可以看到每組數據十分接近，尤其是功率因數，基本上在0.94左右。對于光學參數中的主要參數光通量來說，同色溫情況下的光通量變化幅度不超過4%。通過各組的平均值分析得到色溫(K)與光輻射通量(W)的關系(見圖2)，從這一曲線可以看到，所測7.5W LED支架燈的光輻射通量基本上在2W左右，占燈系統輸入功率的27%，但隨著色溫的不同，光的輸出能量也隨之略有變化，變化幅度約10%，在2 700K～6 500K的范圍內，光輸出效率為輸入功率的25%～30%，總體來說，高色溫的LED電光源轉換效率更高、更加節(jié)能。

圖2 色溫(K)與光輻射通量(W)的關系

2 LED在民用建筑中的適用性

2.1 檔案和博覽建筑照明

在《檔案保護學》中列出光對檔案制成材料的危害有：紅外光的熱效應、可見光的氧化反應和紫外光的褪色反應。這三種光對檔案都有不同的影響，對于檔案來說，365nm的紫外光影響較大，褪色反應速度較快，無論采用熒光燈照明還是其他傳統光源照明，都會有這部分光的存在，只是量的大小而已。熒光燈的這部分光雖然較小(見圖3)，但也不能消除這部分能量。因此在《檔案館建筑設計規(guī)范》(JGJ 25-2010)中明確要求防日光直射和紫外線照射，其5.5.2節(jié)規(guī)定當紫外線含量超過75μW/lm時，應采取防紫外線的措施。

圖3 某品牌5 000K直管熒光燈光譜

博物館的展品保護也同樣存在這部分光危害問題，紫外輻射是引起展品變褪色的主要原因。同時紅外輻射還可能使展品的溫度上升，從而使展品產生干化、變形、裂紋等損壞現象。為了保護文物，國家標準《博物館照明設計規(guī)范》(GB/T 23863-2009)提出了更加嚴格的要求，第7.1節(jié)指出：應減少燈光和天然光中的紫外輻射，使光源的紫外線相對含量小于20μW/lm。

藍光激發(fā)YAG熒光粉的LED照明光源的出現，有效地解決了電光源的紫外線輻射和紅外線輻射問題，從圖4的白光LED典型光譜中可以看到，采用藍光激發(fā)YAG熒光粉的LED照明光源，光譜中不含紫外光和很少量的紅外光，這對于檔案和文物的保護起到了很好的作用。

圖4 白光LED典型光譜

以美國某公司2010年產品ESAADR414CWDSGCFF12035K筒燈為例：整燈功率25.73W，光通量1 280lm，在360nm波長的光功率為0.06mW，每流明僅含0.05μW能量，800nm～850nm波段的紅外光含量從0.36mW逐步降低至0.10mW。同樣為該公司2010年產品ESAADR842CWDSGCFF12035K工礦燈：整燈功率79.1W，光通量12 350lm，在360nm波長的光功率為0.12mW，每流明僅含0.01μW能量，800nm～850nm波段的紅外光含量從1.11mW逐步降低至0.32mW。

從上述2例可以看出，采用藍光激發(fā)YAG熒光粉的LED照明不但紫外光含量很低，而且紅外光的含量也很低，取代熒光燈用于檔案保存，閱覽、展示等場合，使電光源對檔案、文物的不利影響減到最低水平，目前使用的其他任何光源都不可能達到LED的水平。

2.2 醫(yī)院照明

隨著醫(yī)療儀器設備技術水平的不斷提高，智能化的醫(yī)療儀器越來越普遍，這些設備對供電質量的要求也在不斷提高，局域電網的高次諧波和其他用電設備產生的電磁騷擾電壓，可能會對這些醫(yī)療儀器的正常運行產生不利影響，因此對于醫(yī)院用電設備所產生的高次諧波指標和電磁騷擾電壓指標要求應高于一般場合。對于醫(yī)院來說，除去醫(yī)療設備外，很大一部分用電是照明設備，雖然照明設備的每盞照明燈系統功率不大，所產生的高次諧波含量也不會很高，但由于使用數量較多，部分高次諧波產生疊加，反映到局部電網的高次諧波總含量往往比較高，因此這項指標是不容忽視的。

通過LED照明技術指標分析可以得出，LED照明燈系統的高次諧波含量約比熒光燈的高次諧波含量少一個數量級，從這一技術指標看，LED燈用于醫(yī)院照明可以有效降低高次諧波的含量，更有利于保證醫(yī)療儀器設備的正常運行。

如果在醫(yī)院大量使用LED照明，則不能忽略LED發(fā)光指向性強和眩光問題。在病房的普通照明應用中，首先應考慮病人的健康、情緒、睡眠等問題，其次是節(jié)能。因此燈具和電光源色溫的選擇十分重要，應盡可能減少眩光，并減少燈光對人體褪黑激素的影響，所以建議采用平板型(見圖5)、低色溫LED照明燈系統。

圖5 平板型LED燈

圖5所示平板型LED燈，采用了PV材料作為光源面，發(fā)光均勻，有效克服了眩光問題，用于病房普通照明時，幾乎感覺不到眩光所帶來的不舒適感，若同時配以3 000K～4 000K色溫，則可使病人在視覺上產生一種舒適感。雖然這種燈是以犧牲部分光效來換取低眩光指數，但從以人為本的角度，對病人的康復有一定的好處。

2.3 機場、車站和碼頭照明

機場的候機樓和車站的候車室空間高度通常比辦公、商廈要高，采用傳統電光源照明勢必存在維護更換問題，而這類場合的人流幾乎24h不間斷，無論采取何種方式維護，都對旅客有影響，采用LED照明可以大大減少維護次數，同時節(jié)省大量照明用電。

LED照明更容易保證照度指標，由于這種場合人員流動性大，安全防范是重點，可以采用高色溫LED進行照明，可以提高候機、候車人員的興奮度，保持一定的警覺性。

對于站臺、碼頭等室外通風條件好的場合，更有利于LED的散熱，可有效保證使用壽命，減少維護次數。這種場合通常是夜晚照明，采用高色溫LED，在同樣的用電功率下，可以相對提高亮度，在節(jié)能問題上，可產生較大的效果。以停機坪的20m高桿燈照明為例，一般情況下，采用金鹵燈照明，每盞燈的功率為1kW，每個燈桿需要安裝6～10盞燈，若采用LED照明每盞燈的安裝功率為450W，可以減少50%以上的照明能耗。直接效益已是十分可觀，再加上由于安裝功率的減少，導線截面的變化，既可減少銅的消耗，又可減少一次性投資；加上電流的降低，使得線路損失和變壓器損耗下降，所得到的間接效益也大大提高。

從維護角度分析，采用傳統光源的高桿燈，大約10個月左右需要進行維護(更換光源)，若采用LED照明，將光源和電源驅動分開，可以做到10年不換光源，減少了大量高空作業(yè)，大大減少升降機的臺班作業(yè)。

2.4 體育場館照明

體育場館的照明分類較細，在《體育場館照明設計及檢測標準》(JGJ 153-2007)中對籃球、排球場地的照明標準規(guī)定如表3所示。

2.5 辦公和商業(yè)照明

寫字樓、辦公樓的用電能耗在不考慮空調和采暖的情況下，主要為計算機、復印機、打印機、電梯、飲水機等輔助設備和照明設備幾大用電種類，雖然辦公設備的能耗支出比例較大，但是根據飛利浦照明公司統計，辦公照明能耗仍然占到辦公用電能耗的35%。由于計算機、復印件、打印機等辦公設備的用電節(jié)能空間很小。能夠產生節(jié)能效果的用電設備集中在照明方面。

在同等照度情況下，用LED照明取代熒光燈，取代功率安裝系數按照0.4計算，僅辦公用電直接成本降低20%，若考慮功率因數的提高、線路損耗的減少和變壓器能耗的降低等間接因素，可節(jié)省20%以上的用電成本。

表3 籃球、排球場地的照度標準值

在辦公環(huán)境中，會議室、多功能廳是必不可少的，在這種場合采用LED照明更適合各種會議對光環(huán)境的要求，智能化控制的LED不但照度可調，而且可以調整色彩?？梢砸罁h內容的不同調整會議室或多功能廳的照明環(huán)境，嚴肅或活潑可以自由設定，LED智能化照明可以滿足不同會議主題對光環(huán)境的需求。

按照美國能源部統計，商業(yè)建筑照明占平均用電量的38%，在用電比例上占到首位，其次是供熱通風系統占30%，制冷占11%，辦公設備和計算機占6%，其他占15%排列第3位。由此可見商業(yè)建筑的照明是用電的主要耗能方面。

商業(yè)照明能耗比例高于辦公類照明用電的比例，長期用電設備除了電梯等樓宇輔助用電設備外，主要是照明用電，尤其是大型商場，除了普通照明外，用電量更大的是商品櫥窗照明、商品渲染照明等大量的局部照明。

這些局部照明在我國商業(yè)領域近些年發(fā)展迅猛，用電量在不斷增加，在LED照明問世之前，這部分照明光源主要以白熾燈、金鹵燈等光源為主，由于這些光源含有較強的紅外光，所以對商品本身有一定的傷害，同時光源的全方位發(fā)光，要強調商品特性則全部要靠燈具進行配光，因此不可避免會產生一些光損失。而LED照明在強調商品特征方面具有獨特的優(yōu)越性，除了具有較好的節(jié)能效果，還大幅度降低了紅外線的熱輻射，減少了熱輻射對陳列商品的損傷，同時可以利用LED光源光束指向性強的特點，對燈具的二次配光更加簡便，減少了二次配光產生的光損失。

LED光源在局部照明、重點照明和區(qū)域照明方面的優(yōu)勢，能營造出其他傳統照明電光源所無法比擬的高品質光環(huán)境，非常適合商業(yè)照明領域對商品的渲染、強調突出，更容易引起消費者的消費欲望，如圖6所示。

圖6 商品渲染照明

旅館、酒店、賓館的照明運用LED產品，給顧客帶來一種不一樣的感受，除了節(jié)約能源之外，還能盡顯豪華和溫馨，對業(yè)主而言，LED營造的個性化的光環(huán)境可以充分彰顯企業(yè)的實力。

在酒吧、咖啡廳等休閑場所的氣氛照明方面，LED光源體積小，固態(tài)發(fā)光，給了燈飾制造商無限的發(fā)揮空間，可以專業(yè)制作各式不同風格的LED燈飾，而LED全光譜的任意色彩和動靜態(tài)的照明效果讓它的裝飾性和制造情調的功能在這一類場所表現得淋漓盡致。

3 結束語

通過分析研究LED電光源的特點及其在民用建筑中使用的優(yōu)劣勢，為民用建筑中合理使用LED照明提供指導，避免或減少民用建筑中應用LED照明項目的失敗，推動LED電光源在民用建筑照明中的健康有序發(fā)展。另一方面，通過系統研究LED電光源的各類性能指標參數及其在各類民用建筑照明中的使用情況，可以為LED燈具的設計和生產工藝改進提供參考依據，促進國內LED照明標準的完善，規(guī)范LED照明產品市場，推動和促進LED領域整體技術水平的進步。

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