綠色建筑照明設(shè)計中LED光源的應用

朱為東

(湖南省建筑設(shè)計院有限公司，長沙 410012)

0 引言

隨著我國建筑行業(yè)快速發(fā)展，對建筑照明設(shè)計的要求越來越高。科學合理的照明設(shè)計對實施綠色照明起著關(guān)鍵性的作用。1991年綠色照明的概念由美國環(huán)保局(EPA)率先提出，1993年11月我國啟動了中國綠色照明工程，1996年制定了《中國綠色照明工程實施計劃》，并在北京、上海、廣東等地區(qū)試點實施。在國家相關(guān)政策的引導下，綠色照明工作得到了大力推行，在產(chǎn)品研發(fā)、工程設(shè)計、運行維護等方面不斷完善，形成了主要包括高效節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適4項指標的系統(tǒng)工程。

1 LED光源的特點及存在問題

作為我國“十一五”十大重點節(jié)能工程之一，綠色照明工程在提高全社會節(jié)能減排意識、有效削減電力峰荷、節(jié)省電力建設(shè)投資，減少發(fā)電用煤、減排CO2等方面，均取得了顯著成效?；贚ED具有的環(huán)保節(jié)能、長壽命、高光效、低輻射、可控性強等特點，LED光源的應用已是一項重要的綠色照明措施。

1.1 高效性

LED燈具是由發(fā)光二極管組成的發(fā)光半導體陣列，結(jié)構(gòu)簡單，可以通過調(diào)節(jié)電流的強弱完成光控制，封裝技術(shù)的發(fā)展也使得LED具備更優(yōu)的發(fā)光效率和散熱環(huán)境。與傳統(tǒng)燈具相比，LED燈具工作電壓較低，工作電流較小，具有較好的抗沖擊和抗震性，可靠性高、壽命長。

1.2 LED燈具與傳統(tǒng)燈具對比

近幾年，LED光源在顏色、種類、亮度和功率上都發(fā)生了巨大的變化，其在建筑照明中與常規(guī)燈具光源相比，具有長壽、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢。民用建筑領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保的逐漸重視，以及LED光源技術(shù)的不斷發(fā)展，與傳統(tǒng)燈具相比，LED燈具結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可塑性強、應用中便于隱藏等特點，使其更好地融入了現(xiàn)代建筑與城市建筑一體化中。表1為LED燈具與傳統(tǒng)熒光燈性能比較。

LED燈具與傳統(tǒng)熒光燈性能比較 表1

從表1可知，LED燈具有節(jié)能、保護眼睛、響應速度快、功耗低、照度亮、使用壽命長、無污染、年更換率低等突出優(yōu)勢，最終折算支出成本低。雖然LED燈具的前期投資略大于熒光燈，但是在很短的時間內(nèi)就可以收入前期投資的成本。同時隨著LED燈具自身技術(shù)的不斷發(fā)展其價位也在不斷下降，這將為LED燈具的普及提供更為有利的條件。

1.3 存在的問題

1.3.1 燈具不一致的問題

理論上LED都是能發(fā)光的二極管，但實際上所有LED的電性能都是有差異的，每個廠家甚至同一廠家在不同時間的工藝都有所不同，不同廠家使用的半導體原材料的純度、封裝工藝和封裝材料等更是不同，導致LED的發(fā)光強度與驅(qū)動電流、整體的散熱能力參差不齊，且短期內(nèi)這種差異無法消除，這也是制約其發(fā)展的因素之一。

1.3.2 光健康問題

LED燈具產(chǎn)生的光健康問題(LED燈具藍光溢出)一直在行業(yè)內(nèi)備受爭議，照明界與醫(yī)療衛(wèi)生部門的觀點存在差異。當前市場上大多數(shù)LED燈具是通過芯片發(fā)出藍光，激發(fā)黃色的熒光粉，來調(diào)和成白光。因此，LED的藍光問題尤其突出。目前國際方面關(guān)于此類問題還在研究過程中，LED光健康的問題短時間內(nèi)很難得出結(jié)論。為了避免因使用高色溫富藍光的LED照明產(chǎn)品對人體健康可能造成的不利影響，室內(nèi)LED照明產(chǎn)品的色溫不宜超過4 000K，一般顯色指數(shù)應達到80以上。

1.3.3 性價比

LED是2～3V的低電壓驅(qū)動，必須要設(shè)計復雜的變換電路，不同用途的LED燈要配備不同的電源。LED的正常工作電流為18～20mA，供電電流<15mA時，LED的發(fā)光強度不夠；供電電流>20mA時，發(fā)生光衰而導致LED老化，同時發(fā)熱增大、老化加快、壽命縮短；供電電流>50mA時，LED燈壽命會快速縮短。為了延長LED照明燈的使用壽命，常用集成電路電源、電子變壓器、分離元件電源等，大電流驅(qū)動時，要配大功率管或可控硅器件，另加保護電路，要恒流、恒壓電路供電，這樣電源電路復雜，故障率、元件成本、生產(chǎn)成本、服務成本都將升高。因此LED各個生產(chǎn)廠家除了提高產(chǎn)品性能外，還需要不斷地更新技術(shù)降低成本，進而降低售價，提升LED燈具的性價比。

2 照度計算

在照明設(shè)計中，勢必要對建筑空間進行照度計算，驗證設(shè)計是否符合規(guī)范要求。照明設(shè)計中平均照度的計算通常采用利用系數(shù)法。利用系數(shù)法考慮了由光源直接投射到工作面上的光通量和經(jīng)過室內(nèi)表面相互反射后再投射到工作面上的光通量。計算結(jié)果為工作平面上的平均照度。利用系數(shù)法適用于燈具均勻布置、墻和頂棚反射系數(shù)較高、空間無大型設(shè)備遮擋的室內(nèi)一般照明和燈具均勻布置的室外照明。該計算方法簡便，比較準確。

(1)利用系數(shù)是指投射到工作面上的光通量與自光源發(fā)射出的光通量之比。用U表示，詳見式(1)。

(1)

式中，φ為光源的光通量，lm；φ1為自光源發(fā)射，最后投射到工作面上的光通量，lm。

利用系數(shù)是燈具光強分布、燈具效率、房間形狀、室內(nèi)表面反射比的函數(shù)，計算比較復雜。為此，在各類設(shè)計手冊中常按一定條件編制燈具利用系數(shù)表供設(shè)計查詢使用。

(2)利用系數(shù)法計算平均照度的基本公式見式(2)、(3)。

(2)

(3)

式中，Eav為工作面上的平均照度，lx；φ為光源的光

通量，lm；N為光源數(shù)量；U為利用系數(shù)；A為工作面積，m2。K為燈具的維護系數(shù)，其值可查詢相關(guān)表格，室內(nèi)K一般取0.7。

根據(jù)公式(2)、(3)即可計算出，建筑空間內(nèi)的照度值。

下面以建筑尺寸為5.2m×6.2m的標準辦公室，計算分別使用LED燈具與節(jié)能型熒光燈后，照度計算結(jié)果，詳見表2。

LED燈具與節(jié)能型熒光燈照度對比 表2

依據(jù)規(guī)范，辦公場所要求照度標準值300lx，功率密度值目標值為8W/m2。從計算結(jié)果來看，選用LED燈具，耗電量少，照度值符合規(guī)范要求，更加經(jīng)濟、節(jié)能。

3 結(jié)束語