LED燈在民用建筑中的應(yīng)用探討

林 瓊 蔣盼盼 張振峰

(南華大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)燈飛速發(fā)展，LED燈節(jié)能效果好得到了很多人的認可。現(xiàn)在建筑市場，都在積極推廣并應(yīng)用LED燈具，那么究竟如何正確選用LED燈，這個問題值得大家探討。

對于照明，分為幾個階段：第一階段在我國困難時期，對于照明主要是滿足人們基本的視覺需求，滿足能看清楚。第二階段，為了滿足照明系統(tǒng)的高效、節(jié)能和環(huán)保問題，從而提倡“綠色照明”?，F(xiàn)在是第三階段，是一個以人的身心健康為主的時代，除考慮視覺要求和能效管理以外，更需要關(guān)注人的身心健康，因此提出了“健康照明”的新概念。不合適的LED燈具，短波藍光比重過高，從而導(dǎo)致使用者出現(xiàn)視覺疲勞，從而導(dǎo)致人的視力慢慢下降；更嚴重的是，短波藍光會直接穿透晶狀體并且直接到達視網(wǎng)膜，導(dǎo)致眼睛發(fā)生一些病變，比如黃斑病變以及白內(nèi)障等等，并且對于青少年兒童的影響更為突出。

所以對LED燈提出更多的質(zhì)量訴求，如燈光的色表、顯色性、眩光限制,以及過度藍光的影響、電磁輻射、頻閃效應(yīng)等諸多問題需要考慮和解決。

1 LED燈的發(fā)展及現(xiàn)狀

LED的出現(xiàn)已有半個世紀多的歷史，早在1960年就出現(xiàn)紅光LED，隨后又出現(xiàn)黃光、綠光LED，主要用于儀表、顯示屏的背景光，直到1994年東京大學(xué)赤畸勇和中村修二等研制出藍光LED后，很快就于1996年合成出白光LED，從而使之進入照明領(lǐng)域，成為繼熱輻射電光源、氣體放電光源之后的新型光源。

LED燈有亮度大、耗能低、壽命長等特點，更為突出的是啟動快捷、可靠、調(diào)光性能特優(yōu)，尤以調(diào)色溫和變換顏色的功能，是以往任何光源所不具備的，所以逐步霸占當(dāng)今燈具市場。目前應(yīng)用在景觀照明、藝術(shù)照明、裝飾照明，以至舞臺、播演、文旅等領(lǐng)域，能營造各種美輪美奐的場景，極具光的神奇和魅力。

目前用于照明的LED燈還存在一些問題：市面上的大多數(shù)LED光源產(chǎn)品，有些只是一味追求“照明”的那種美輪美奐的效果，所以重點大多數(shù)放在了提高光效，降低成本上。部分產(chǎn)品色溫過高，顯色性不佳，光譜分布不理想，眩光大，還有諧波含量大；其次還有市場不健全，低價競爭導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不高。

2 建筑照明對LED燈的技術(shù)要求

不同使用環(huán)境對于照明的要求不同，目前新制定的LED燈標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定與照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定非常一致或接近。GB 50034—2013建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 31831—2015 LED室內(nèi)照明應(yīng)用技術(shù)要求，對于長時間工作或停留的場所，選用LED燈的技術(shù)要求如下：

1)一般顯色指數(shù)(Ra)不應(yīng)低于80(對所有光源的要求)；對道路照明，Ra不宜小于60[1]。

2)特殊顯色指數(shù)R9應(yīng)大于0[2]。R9為飽和紅色，由于當(dāng)前白光LED燈絕大多數(shù)是藍光LED涂黃色熒光粉呈現(xiàn)的白光，其光譜缺乏長波段的紅色。在美國提出R9為1～25可用，25～50為好，50～75則很好。日本把LED燈增加紅光成分，稱為“美艷色”。提高Rq對改善LED燈顏色質(zhì)量意義很大。

3)燈的相關(guān)色溫不宜高于4 000 K[1]。過高的色溫使人感到不舒適，而且色溫越高，則藍光成分越大。

4)同類光源的色容差不應(yīng)大于5 SDCM，室內(nèi)洗墻照明應(yīng)用時不宜大于3 SDCM；人員不長時停留場所不應(yīng)大于7 SDCM[6]。

5)壽命期內(nèi)LED燈的色品坐標(biāo)和初始值的偏差在GB/T 7921—2008規(guī)定的CIE1976均勻色度標(biāo)尺圖中，不應(yīng)超過0.007，GB/T 31831—2015也規(guī)定在燈點燃3 000 h后，不應(yīng)超過0.007[1]。

6)LED燈在不同方向的色品坐標(biāo)與其加權(quán)平均值偏差在GB/T 7921—2008規(guī)定的CIE1976均勻色度標(biāo)尺圖中，不應(yīng)超過0.004。

7)由于LED燈為定向投光，表面亮度高，限制直接眩光更為重要。為此，燈具宜有漫射罩，否則，應(yīng)有不小于30°的遮光角(當(dāng)表面亮度大于500 kcd/m2時)。

8)LED燈的使用壽命不應(yīng)小于25 000 h。當(dāng)標(biāo)稱壽命為25 000 h時，工作3 000 h后的光通維持率不應(yīng)小于96%，6 000 h的光通維持率不應(yīng)小于92%[1]。

LED燈的色品性能(色調(diào)分級和代碼)見表1。

表1 LED燈的色品性能(色調(diào)分級和代碼)

3 LED照明系統(tǒng)的諧波和功率因數(shù)解析

3.1 諧波的危害

過大的諧波對電網(wǎng)和設(shè)備的危害甚多，主要有：

1)增加變壓器和旋轉(zhuǎn)電機的附加損耗；

2)增加配電線路的電能損耗；

3)3次諧波(包括9次、15次等)在三相四線制配電線路的中性導(dǎo)體(N)中呈3倍疊加，使N導(dǎo)體電流大增,可能導(dǎo)致過熱而損壞,甚至引起電氣火災(zāi)；

4)過大的諧波將導(dǎo)致功率因數(shù)(λ)降低；

5)對通信系統(tǒng)、電視機、導(dǎo)航系統(tǒng)、計算機等造成干擾；

6)對計量儀表導(dǎo)致計量誤差，對繼電保護造成誤動或拒動。

3.2 LED燈系統(tǒng)的功率因數(shù)

按GB/T 31831—2015規(guī)定，LED高天棚燈、平面燈、線形燈以及功率大于5 W的筒燈，功率因數(shù)(λ)不應(yīng)小于0.9,功率不大于5 W的筒燈，λ不應(yīng)小于0.5[2]。

3.3 照明設(shè)備諧波限值標(biāo)準(zhǔn)

LED燈的驅(qū)動電源是電子產(chǎn)品，勢必產(chǎn)生一定程度的波形畸變。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17625.1—2012電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16 A)，該標(biāo)準(zhǔn)的C類設(shè)備為照明設(shè)備，其諧波限值列于表2(適用有功輸入功率P>25 W的燈)[4]。

表2 C類設(shè)備(有功輸入功率P>25 W)諧波限值

LED燈的諧波應(yīng)符合國標(biāo)GB 17625.1—2012，C類設(shè)備(照明)之輸入功率P≤25 W的燈，應(yīng)符合下列兩項要求之一：

1)諧波電流不超過表3中按燈功率確定的限值；

2)用基波電流百分數(shù)表示的3次諧波電流不應(yīng)超過86%，5次諧波不超過61%(其他要求略)。

表3 每瓦允許最大諧波電流

3.4 3次諧波對三相四線制配電線路之N導(dǎo)體影響和解決辦法

1)三相平衡時，3次諧波電流在N導(dǎo)體中呈3倍疊加，可按式(1)計算:

(1)

2)如果一座建筑全部或大部分裝設(shè)燈功率P≤25 W的LED燈，和配電子鎮(zhèn)流器的熒光燈，符合GB 17625.1—2012規(guī)定的P<25 W燈的3次諧波最大允許值達86%，將此值代入式(1)可得[7]:

(2)

(3)

如不采取措施，仍按IC=100 A設(shè)計,必將導(dǎo)致N導(dǎo)體嚴重過熱而損壞(也將引起相導(dǎo)體過熱),甚至導(dǎo)致電氣火災(zāi)。

3)這種情況下,如何選擇導(dǎo)體截面,按GB 50054—2011的3.2.9條規(guī)定：N導(dǎo)體電流大于相導(dǎo)體電流時，應(yīng)按N導(dǎo)體電流選擇相導(dǎo)體及N導(dǎo)體截面[5](注：適用于電纜線路和穿管線路，N導(dǎo)體和相導(dǎo)體同處一電纜內(nèi)或管內(nèi)，成為一個共同發(fā)熱體)。

為什么，第一，如此大的諧波電流存在，導(dǎo)致的危害很大，第二導(dǎo)致了功率因數(shù)大大降低，第三是線路截面成幾倍增加，顯然并非經(jīng)濟、合理之策[7]。

4)解決方案：從根本改善的辦法是，應(yīng)從降低諧波含量入手，如果把3次諧波降下來了，其他問題都解決了。因此，大量選用P≤25 W的LED燈應(yīng)予特別訂貨，即在設(shè)計時，明確提出選用低諧波產(chǎn)品，即選擇了3次諧波或總諧波(THD)小于30%(甚至20%)的燈，雖然價格貴些，但整體成本更低。

3.5 諧波對功率因數(shù)的影響和對策

功率因數(shù)應(yīng)由兩個因素所致[7]：

1)移相因素，感應(yīng)電動機、電感鎮(zhèn)流器等需要供給一定的無功功率QL(電感性)，而產(chǎn)生φ角，使cosφ降低；

2)畸變因素，因電子器件、整流器、電子鎮(zhèn)流器等導(dǎo)致波形畸變，產(chǎn)生多次諧波，也將使功率因數(shù)降低，由于沒有φ角，不能用cosφ表述。

綜合兩個因素的功率因數(shù)，稱之為λ(或P.F)，其表達如式(4)所示：

(4)

而：

(5)

其中，THDI為電流總諧波畸變率，%；HRIh為第h次諧波電流含有率，%。

對于LED燈，可認為cosφ=1，其λ值取決于諧波含量，按GB 17625.1—2012及表1的限值，按式(4)，式(5)計算結(jié)果如下：

P>25 W的LED燈，λ≈0.947；

P≤25 W的LED燈，λ≈0.5～0.6。

可見，只要把諧波電流降下來，λ必然提上去了。

4 LED燈的技術(shù)要求的作用

照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對選用LED燈的技術(shù)要求，而LED燈產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定對生產(chǎn)的產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量要求。這就要求我們要將LED燈健康有序地應(yīng)用[7]：

1)對于建筑市場要理性地推廣應(yīng)用，而不是盲目的“跟風(fēng)”行動；

2)對于生產(chǎn)企業(yè)要致力于提高產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，擴大出口，進軍國際市場；

3)工程設(shè)計和施工人員按不同使用場所，不同要求合理選用光源；

4)提高照明質(zhì)量，更好地適應(yīng)當(dāng)今“健康照明”的新要求，創(chuàng)建更良好的視覺環(huán)境，有利于人們的身心健康。

5 結(jié)語

20年來我國LED燈發(fā)展迅速，取得了巨大成果，生產(chǎn)企業(yè)和科研部門作出了很大貢獻，對照明領(lǐng)域的節(jié)能、環(huán)保發(fā)揮了重大作用。相信隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的共同努力，LED燈的各項性能會更加完美，LED燈具在建筑照明及其他領(lǐng)域?qū)⒌玫礁?、更廣泛的應(yīng)用。