Promoting the Use of LED Lighting from the Design Stage

Ma Ning

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Promoting the Use of LED Lighting from the Design Stage

Ma Ning

AbstractBy explaining the reasons for the use of LED lighting in the design stage, several key problems should be noted in the design. And in accordance with the new version of “architectural lighting design standards” which is have higher requirements for energy saving，the use of LED lamps and typical place of traditional light source lamp illumination calculation results were analyzed. Designers should summarize the actual situation objectively to promote LED lighting application.

Keywordslight emitting diode lamp， luminous efficacy of a light source， luminaire efficacy， illuminance， lighting power density

1從設計階段推進使用LED照明器具的原因

1.1GB 50034-2013《建筑照明設計標準》(以下簡稱“新規(guī)范”)

新規(guī)范較GB 50034-2004《建筑照明設計標準》(以下簡稱“舊規(guī)范”)對功率密度值的要求更加嚴格。在照度標準值不變的情況下，新規(guī)范已將舊規(guī)范中大量場所的功率密度目標值調(diào)整為新規(guī)范的現(xiàn)行值，并在新規(guī)范中進一步降低功率密度目標值。如辦公室照度標準300lx，舊規(guī)范要求“現(xiàn)行值11W/m2，目標值9W/m2”，新規(guī)范要求“現(xiàn)行值9W/m2，目標值8W/m2”，其中現(xiàn)行值降低了約18%，目標值降低了約11%。同時，新規(guī)范新增了部分場所對于照度、功率密度的強制性要求，如走廊、衛(wèi)生間等。

1.2LED照明器技術(shù)的發(fā)展推動了照明革命

就現(xiàn)階段LED技術(shù)發(fā)展狀況而言，其產(chǎn)品批次、顏色的一致性、色溫漂移、藍光對生物安全造成的影響等問題在業(yè)界還存在爭議，雖然LED還不能夠完全取代傳統(tǒng)光源燈具，但這并不阻礙LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

LED燈具系統(tǒng)光效已逐步超過了傳統(tǒng)燈具，價格也較傳統(tǒng)燈具有較強的競爭力。并具有某些傳統(tǒng)光源和燈具所不具備的優(yōu)勢(如壽命長、即點即亮、無限制地連續(xù)開關、可以在低溫及振動的惡劣環(huán)境下使用、沒有紅外和紫外線輸出、不含汞、對環(huán)境無害等)。

LED光源及燈具還將帶來照明數(shù)字化革命。如某公司的HUE球泡可以運用無線網(wǎng)控制開關、調(diào)光和變色，或只需一根網(wǎng)線即可實現(xiàn)POE供電及燈盤的控制?？梢灶A見，在不久的將來，LED燈具不僅會在照明領域大量使用，而且每套燈具都可能具有一個IP地址，成為網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，可以在網(wǎng)絡終端監(jiān)控所有燈具。

1.3LED光源與傳統(tǒng)節(jié)能光源燈具參數(shù)對比

不同類型LED光源與傳統(tǒng)光源燈具的參數(shù)對比結(jié)果見表1～4。

表1～4所列數(shù)據(jù)是設計中常用的燈具和配用光源，由數(shù)據(jù)可知，LED燈具的系統(tǒng)光效通常為75～100 lm/W，而傳統(tǒng)光源燈具通常為30～55 lm/W?？梢奓ED燈具的系統(tǒng)光效要高于傳統(tǒng)燈具1倍左右，即在同等照度下，采用LED燈具約比傳統(tǒng)燈具節(jié)能50%。

其實，傳統(tǒng)光源的光源光效是非常高的，但在計算燈具系統(tǒng)光效時，首先要考慮鎮(zhèn)流器的損耗，其次是由燈具反射器等光學元件造成的損失(例如配有高反射鋁及優(yōu)秀配光設計的格柵燈盤，效率約70%)，所以，即使采用高光效光源的高效率格柵燈盤的系統(tǒng)，光效也只能達到約72.5lm/W，仍然比目前主流LED燈盤系統(tǒng)光效低25%以上(LED燈盤光效100lm/W)。

2LED照明設計應該注意的幾個問題

2.1LED照明器的適用場所

由于LED技術(shù)還存在諸多瓶頸，現(xiàn)階段LED并不能完全取代傳統(tǒng)光源，所以應首先選擇在規(guī)范中推薦使用LED的場所和部位設置LED燈具。

依據(jù)新規(guī)范的相關規(guī)定和條文解釋可知，宜采用LED燈的場所為：旅館客房、居住建筑、公共建筑的走廊、樓梯間、廁所、地下車庫行車道及停車位；長時間無人停留，只做短時檢查、巡視和短時操作的場所(如庫房；電氣、暖通、給排水專業(yè)的設備機房等)?？焖冱c亮的LED光源也可以用于應急照明，而辦公室等類似房間不推薦采用LED光源和燈具。因LED射燈的光束角可以設計得更窄，使中心光強更高，因此也可以作為商店的重點照明使用。

2.2電源驅(qū)動器及功率因數(shù)

LED電源驅(qū)動器的作用在于向LED芯片提供恒定的低壓直流電源，電壓等級一般為12VDC、24VDC、36VDC。電源驅(qū)動器分為恒壓型、恒流型和可調(diào)光型。通常LED光源或LED室內(nèi)燈具會配備電源驅(qū)動器，無需單獨配置。

電源驅(qū)動器的兩個主要參數(shù)是電源轉(zhuǎn)換效率和功率因數(shù)。轉(zhuǎn)換效率為驅(qū)動器輸出功率與輸入功率的比值。損耗的能量為產(chǎn)生的熱量，這會降低LED光源和一體化燈具的光效和壽命。另外，電源驅(qū)動器是否配置PFC補償電路對LED燈具的功率因數(shù)有至關重要的影響，不含PFC電路的LED燈具的功率因數(shù)約為0.6，若大面積使用此類燈具會造成無功功率和視在功率的大幅增加，反而不節(jié)能，因此，在設計文件中應要求LED燈具的功率因數(shù)≥0.9，并強調(diào)電源驅(qū)動器需要配置PFC補償電路才可滿足照明設計規(guī)范的要求。

2.3光源光效與系統(tǒng)光效的區(qū)別

由于LED照明市場現(xiàn)階段還不夠規(guī)范，標準的制定不夠統(tǒng)一，市場相對混亂，有些廠家用光源的光效代替系統(tǒng)光效進行產(chǎn)品宣傳，以此來強調(diào)其產(chǎn)品的高光效和節(jié)能優(yōu)勢。眾所周知，參與照明功率密度計算的參數(shù)是燈具系統(tǒng)光效而非光源光效，因此這里有必要重溫一下光源光效與系統(tǒng)光效的概念。

光源光效(即光源的發(fā)光效能)：光源發(fā)出的光通量除以光源功率所得之商。

系統(tǒng)光效(即燈具效能)：在規(guī)定的使用條件下，燈具發(fā)出的總光通量與其輸入功率(主要包括光源本身耗能和電源驅(qū)動器或鎮(zhèn)流器耗能，此為系統(tǒng)功率)之比。

由上述定義可知，燈具的系統(tǒng)光效不僅取決于光源光效，與其燈具效率、鎮(zhèn)流器損耗或LED電源驅(qū)動器都有很大關系。LED燈具所對應的光源光效一般指LED芯片的光效(在實驗室25℃恒溫下測得)，而燈具在實際使用中芯片節(jié)溫會超過90℃，其光效會大幅降低，又考慮到光學損失和驅(qū)動器能耗等，一般優(yōu)良的LED燈具系統(tǒng)光效只有LED芯片光效的70%，如果燈具的散熱不好、光學損失大且驅(qū)動器效率低，系統(tǒng)光效甚至會低于芯片光效的50%。

因此，不能將光源光效和系統(tǒng)光效混為一談，設計人員在采用LED做照明設計時應謹慎選擇。

表1　傳統(tǒng)光源筒燈與LED筒燈的技術(shù)參數(shù)對比

表2　傳統(tǒng)直管格柵熒光燈與LED燈盤、LED支架燈的技術(shù)參數(shù)對比

表3　金屬鹵化物天棚燈與LED天棚燈的技術(shù)參數(shù)對比

表4　圓形吸頂燈與LED圓形吸頂燈的技術(shù)參數(shù)對比

注：1.表1～4中所列數(shù)據(jù)為經(jīng)過比較選取的技術(shù)指標較好的品牌和產(chǎn)品。

2.表1～4傳統(tǒng)光源中“系統(tǒng)功率”一列數(shù)據(jù)為光源功率與電子鎮(zhèn)流器(或節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器)功耗總和，電子鎮(zhèn)流器功耗按光源功率的0.1倍計，節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器功耗按光源功率的0.2倍計。

3.表1～4中所列光通量為樣本中給出的光源光通量標稱值，對于LED光源已考慮了芯片節(jié)溫對光源光效的影響。

4.表1～4中傳統(tǒng)燈具的燈具效率為此類燈具效率的平均值。

3典型場所采用LED燈具及傳統(tǒng)光源燈具的照度計算結(jié)果分析

本文僅選取規(guī)范建議使用LED照明的三個場所進行照度計算并加以分析。

利用系數(shù)法平均照度計算公式：

(1)

式中：N為光源數(shù)量；Φ為光源光通量，lm；U為該款燈具對應的利用系數(shù)；K為燈具維護系數(shù)；A為房間面積，m2。

3.1案例一

某走廊，長31m，寬2.5m，層高4.5m，吊頂高度2.8m，吊頂反射率50%，墻面反射率50%，地面反射率10%，燈具維護系數(shù)0.8，室形指數(shù)0.83。要求按一般走廊照度標準值50lx進行照明設計。

(1)采用LED計算

擬在走廊設置9套LED筒燈，單行布置，嵌入式安裝。選用的LED系統(tǒng)功率為8W，光通量820lm，利用系數(shù)0.69。

平均照度：

Eav=9×820×0.8×0.69/(31×2.5)=53lx

LPD=9×8 /(31×2.5)=0.93W/m2<2.5W/m2

均勻度U0=0.73

(2)采用傳統(tǒng)光源計算

設置10套4針橫插管筒燈，其系統(tǒng)功率為18×1.1=19.8W，光通量1 200lm，利用系數(shù)0.387。平均照度：

Eav=10×1 200×0.8×0.387 /(31×2.5)=48lx

LPD=10×19.8/(31×2.5)=2.55W/m2>2.5W/m2

均勻度U0=0.73

(3)功率密度超過現(xiàn)行值要求，更改照明方案

現(xiàn)設置5套4針橫插管筒燈，其系統(tǒng)功率26×1.1=28.6W，光通量1 800lm，利用系數(shù)0.53。

平均照度：

Eav=5×1800×0.8×0.53/(31×2.5)=49lx

LPD=5×28.6/(31×2.5)

=1.85W/m2<2.5W/m2

均勻度U0=0.37

從計算數(shù)據(jù)可以看出，采用LED光源時，走廊的照度值滿足照度值偏差10%的規(guī)定，且功率密度值滿足規(guī)范要求；當采用傳統(tǒng)光源燈具時，雖然存在滿足規(guī)范對于照度、功率密度要求的燈具，但均勻度稍差，未滿足普通走廊均勻度需達到0.4的要求。LED較傳統(tǒng)光源燈具節(jié)電約50%，節(jié)能優(yōu)勢明顯，并且平均照度更高。綜合考慮后，普通走廊采用LED燈具的照明方案更優(yōu)。

3.2案例二

走廊室形參數(shù)與案例中參數(shù)相同，但吊頂反射率70%，墻面反射率50%，地面反射率20%，燈具維護系數(shù)0.8。設計照度值按100lx進行照明計算。

(1)采用LED

擬設置20套筒燈，兩行布置，每行10套，采用的燈具參數(shù)不變，利用系數(shù)0.64。

平均照度：

Eav=20×820×0.8×0.64 /(31×2.5)=108lx

LPD=20×8 /(31×2.5)

=2.06W/m2<4W/m2

均勻度U0=0.74

(2)采用傳統(tǒng)光源燈具

擬設置24套系統(tǒng)功率為13×1.1=14.3W的四針橫插管筒燈，光通量900lm，兩行布置，利用系數(shù)0.44。

平均照度：

Eav=24×900×0.80.44/(31×2.5)=98lx

LPD=24×14.3/(31×2.5)

=4.43W/m2>4W/m2

均勻度U0=0.74

(3)功率密度超過現(xiàn)行值要求，更改照明方案。

現(xiàn)設置20套系統(tǒng)功率為18×1.1=19.8W的四針橫插管筒燈，光通量1 200lm，兩行布置，利用系數(shù)0.38。

平均照度：

Eav=20×1 200×0.8×0.38 /(31×2.5)=94lx

LPD=20×19.8/(31×2.5)

=5.1W/m2>4W/m2

均勻度U0=0.76

(4)更換燈具、光源后，功率密度仍然超過現(xiàn)行值要求，需再次更改照明方案。

現(xiàn)設置10套系統(tǒng)功率為26×1.1=28.6W的四針橫插管筒燈，光通量1 800lm，單行布置，利用系數(shù)0.54。

平均照度：

Eav=10×1800×0.8×0.54 /(31×2.5)=100lx

LPD=10×28.6×1.1/(31×2.5)

=3.69W/m2<4W/m2

均勻度U0=0.73

采用LED燈具時，走廊的照度值滿足照度值偏差在10%內(nèi)的規(guī)定，功率密度值也滿足要求。但采用傳統(tǒng)13W及18W筒燈光源時，功率密度超過限制，主要原因是系統(tǒng)光效以及燈具利用系數(shù)較低，已不能滿足新規(guī)范更加嚴格的節(jié)能要求，因此更換為系統(tǒng)光效和燈具利用系數(shù)相對較高的26W節(jié)能筒燈。盡管如此，LED照明方案較26W傳統(tǒng)光源筒燈方案節(jié)電約50%，并且可以獲得更高的平均照度。所以，LED筒燈是替代走廊傳統(tǒng)光源筒燈的良好選擇，可以避免功率密度超標。

3.3案例三

某地下車庫局部區(qū)域面積25.2m×8.4m，層高4.5m，頂板反射率30%，墻面反射率50%，地面反射率10%，燈具維護系數(shù)0.7。要求按照度標準值50lx進行照明設計。

(1)采用LED計算

擬設置12套LED支架燈，每套功率1×20=20W，光通量1 900lm，管吊安裝高度4m，利用系數(shù)0.65。

平均照度：

Eav=12×1 900×0.7×0.65/(25.2×8.4)=49lx

LPD=12×20/(25.2×8.4)

=1.13W/m2<2.5W/m2

均勻度U0=0.6

(2)采用傳統(tǒng)光源計算

擬設置12套開啟式T5直管熒光燈，每套功率1×21=21W，光通量1 925lm，管吊安裝高度4m，利用系數(shù)0.68。

平均照度：

Eav=12×1 925×0.7×0.68/(25.2×8.4)=52lx

LPD=12×21×1.1/(25.2×8.4)

=1.3W/m2<2.5W/m2

均勻度U0=0.58

兩種照明方案的照度、功率密度均滿足規(guī)范要求，但傳統(tǒng)光源燈具的均勻度稍低。LED照明方案較傳統(tǒng)光源方案節(jié)電約13%，節(jié)能效果不及案例一、二明顯，主要原因是T5高效直管熒光燈配反射器的照明燈具效率較高，而LED支架燈未配有反射器，從某種程度減少了光源光通量，使有效光通量降低。如果單從節(jié)能方面考慮，LED照明方案仍然是不二的選擇。此外在地下車庫照明系統(tǒng)中，忙、閑時段分明，需要進行感應控制時，長期開關熒光燈將影響其使用壽命，此時采用LED支架燈的照明方案較優(yōu)。

4結(jié)束語

現(xiàn)階段各類工程對于設計是否采用LED燈具不能一概而論，應客觀地加以分析再逐步推廣。LED照明在節(jié)能方面的優(yōu)勢不容置疑，但由于LED照明產(chǎn)品本身還存在問題，以及進口LED產(chǎn)品價格比較昂貴，國產(chǎn)品牌產(chǎn)品還存在實際使用效果不佳、色衰相對嚴重、實際使用壽命偏短問題等。因此，如果傳統(tǒng)節(jié)能光源燈具的照度計算滿足GB 50034-2013《建筑照明設計標準》中關于功率密度和照度的要求時，仍然是現(xiàn)階段最適用的光源。但對于某些場所，尤其規(guī)范中明確提及使用LED的場所(如走廊，采用LED照明方案具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢)及一些有感應、調(diào)光要求的照明場所，也建議設計人員積極采用LED燈具。

LED作為新興照明產(chǎn)品，應該從設計階段逐步嘗試、客觀推廣，才能在應用階段不斷發(fā)現(xiàn)問題、總結(jié)經(jīng)驗，從而推動LED照明產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻

[1]北京照明學會照明設計專業(yè)委員會. 照明設計手冊(第二版)[M]. 北京：中國電力出版社，2006.

[2](日)LED照明推進協(xié)會. LED照明設計與應用[M]. 北京：科學出版社，2009.

[3]周太明, 皇甫炳炎,等. 電氣照明設計[M]. 上海：復旦大學出版社，2001.

[4]標準編寫組. 建筑照明設計標準實施指南[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[5]GB 50034-2013 建筑照明設計標準[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[6]胥正祥. 照度(Eav)、照明功率密度(LPD)簡易計算法[J]. 智能建筑電氣技術(shù)，2013，(8)：10-15.

從設計階段推進LED照明器的使用

馬寧

(中旭建筑設計有限責任公司，北京 100044)

摘要通過說明在設計階段推進LED照明器使用的原因，闡明在設計中應該注意的幾個關鍵問題。并依照節(jié)能要求更加嚴格的新版GB 50034-2013《建筑照明設計標準》相關條款對典型場所使用LED燈具和傳統(tǒng)光源燈具的照度計算結(jié)果進行對比分析，總結(jié)出設計人員應從實際情況出發(fā)，客觀地推進LED照明器的發(fā)展。

關鍵詞LED光源光效系統(tǒng)光效照度照明功率密度