典型場(chǎng)所LED照明設(shè)計(jì)要點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例

劉 明，侯建成

(天津市建筑設(shè)計(jì)院，天津 300074)

引言

照明作為民用建筑的重要組成部分，其用電量約占全國(guó)總用電量的13%以及整個(gè)建筑電氣能耗的33%[1]。因此，在電氣設(shè)計(jì)人員進(jìn)行照明設(shè)計(jì)時(shí)，選用高效的照明燈具對(duì)民用建筑具有節(jié)能降耗的重要意義。隨著LED相關(guān)技術(shù)的不斷成熟和完善，LED光源以其眾多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，得到了照明行業(yè)的廣泛認(rèn)同，已在民用建筑得到了廣泛的應(yīng)用[2，3]。然而，作為新型點(diǎn)光源，LED光源在照明設(shè)計(jì)時(shí)與傳統(tǒng)線光源和面光源多有不同，遵循傳統(tǒng)設(shè)計(jì)原則難以物盡其用，同時(shí)LED光源在不同類型建筑進(jìn)行照明設(shè)計(jì)時(shí)亦有不同。通過分析近幾年LED照明設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了LED照明設(shè)計(jì)時(shí)的相關(guān)設(shè)計(jì)原則，并以工廠車間和網(wǎng)球訓(xùn)練場(chǎng)地的照明設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析加以驗(yàn)證。

1 LED照明設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

1.1 LED光源的優(yōu)點(diǎn)

LED光源作為新型固體綠色光源，可直接把電能轉(zhuǎn)化為光能，是現(xiàn)階段光效發(fā)展更新最快的光源，與其他傳統(tǒng)發(fā)光器件相比，LED光源的優(yōu)點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn)[4，5]：

1)節(jié)能、環(huán)保、無污染。

2)響應(yīng)時(shí)間快，響應(yīng)時(shí)間可控制在納秒級(jí)，其他傳統(tǒng)光源難以企及。

3)體小量輕、結(jié)構(gòu)牢固，使LED光源在照明設(shè)計(jì)時(shí)的靈活性增加，同時(shí)打破了傳統(tǒng)燈具設(shè)計(jì)時(shí)的各種局限性。

4)高效壽命長(zhǎng)，大大降低運(yùn)行維護(hù)成本，尤其在特殊場(chǎng)合及高大空間。

5)易于控制，可通過改變電流的大小來控制發(fā)光亮度及色溫改變，也可通過采用相應(yīng)類別的LED光源產(chǎn)生豐富的色彩變化，以滿足相應(yīng)場(chǎng)所與用戶感官的不同需求。

6)光源的方向性好，通過合理的二次配光設(shè)計(jì)，可達(dá)到定向照明，其投射到參考平面上的光通量相對(duì)較多，故利用系數(shù)一般較高，在0.8～0.9之間，在一定條件下其利用系數(shù)甚至可超過1.0[6]。但此特性也是其產(chǎn)生眩光的原因，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意燈具的擺位和二次配光設(shè)計(jì)，盡量減少眩光影響。

1.2 LED光源的缺點(diǎn)

盡管LED光源有著明顯優(yōu)于傳統(tǒng)光源的眾多特性，但其并不是完璧無瑕的，在使用和照明設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以注意，主要有[4，5]：

1)初始投資費(fèi)用高、光衰問題以及散熱問題。

2)產(chǎn)品的一致性問題，產(chǎn)品性能良莠不齊，更新?lián)Q代迅速，易造成產(chǎn)品的兼容性存在問題。

3)視覺差異性和藍(lán)光效應(yīng)，LED光源多數(shù)采用藍(lán)色LED芯片激發(fā)黃色熒光粉實(shí)現(xiàn)白光，這就造成很多LED燈具的成品R9(紅色還原性)小于0，同時(shí)藍(lán)光、綠光、黃光范圍在LED的光譜中比例較大，而紅光范圍卻比較狹窄，容易造成視覺的不舒適，因此LED光源在中小學(xué)教室、醫(yī)院病房等場(chǎng)所的應(yīng)用存在爭(zhēng)議，解決此問題需增加相應(yīng)的成本。

4)配光問題，多個(gè)LED光源器件組合而成的LED燈具發(fā)光面是多個(gè)發(fā)光中心的集合，導(dǎo)致其發(fā)光特性不如白熾燈和熒光燈的光色均勻性好，另外由于定向輸出的特性造成LED燈具的表面亮度高，因此排除顯色指數(shù)和色溫的影響，LED燈具的眩光限制要求更高。

通過LED光源的優(yōu)缺點(diǎn)，可總結(jié)其在各種照明設(shè)計(jì)常見場(chǎng)所的適用性如表1所示。

1.3 照度計(jì)算

在進(jìn)行LED照明設(shè)計(jì)時(shí)，亦可采用利用系數(shù)法計(jì)算得出平均照度，如式(1)、式(2)所示[7]。

表1 LED光源在各種設(shè)計(jì)常見場(chǎng)所的適用性

Eav=NΦUK/A

(1)

式(1)為一般燈具的平均照度計(jì)算公式，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為工作面面積，m2；K為燈具的維護(hù)系數(shù)。

Eav=NΦ1UηK/A

(2)

式(2)為投光燈燈具的平均照度計(jì)算公式，式中，Eav為被照面上的平均照度，lx；Φ1為投光燈中光源的光通量，lm；N為投光燈數(shù)量；U為利用系數(shù)；η為燈具效率；A為被照面面積，m2；K為燈具的維護(hù)系數(shù)。

LED燈具因其光學(xué)類型的不同，利用系數(shù)差別較大，照明設(shè)計(jì)中需結(jié)合選型向燈具生產(chǎn)商求取利用系數(shù)值，做到計(jì)算精確。當(dāng)需獲取更高的計(jì)算精確度時(shí)，LED照明計(jì)算可采用逐點(diǎn)計(jì)算的方法，對(duì)于照明質(zhì)量要求高同時(shí)功能復(fù)雜的場(chǎng)所建議通過計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法進(jìn)行LED照明計(jì)算。

2 LED照明設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 辦公場(chǎng)所的LED照明設(shè)計(jì)要點(diǎn)

辦公室LED的照明設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合辦公行為以均勻性、舒適性為總體設(shè)計(jì)原則，考慮工程的初始投資，并應(yīng)滿足以下要求[8,9]：

1)選擇合適的光源色溫及顯色指數(shù)，在辦公場(chǎng)所中一般選擇色溫≤4 000 K，顯色指數(shù)選擇Ra≥80，紅色還原性R9>0。

2)照度均勻度和照度水平：合理布置燈具，通常采用統(tǒng)一間距的布置燈具方法，使照度均勻以及辦公室最大、最小照度與平均照度之差小于平均照度的1/3；辦公場(chǎng)所的照度應(yīng)滿足使用要求，一般為300～500 lx。

3)舒適度和眩光控制：防止眩光的措施主要是限制光源亮度，合理布置光源，辦公室的一般照明宜設(shè)計(jì)在工作區(qū)的兩側(cè)，不宜將燈具布置在工作位置的正前方。采用LED格柵燈或者LED面板燈，可使工作空間光線均勻，并減少眩光，當(dāng)采用LED日光燈時(shí)宜使燈具縱軸與水平視線平行。如使光源在視線45°范圍以上，應(yīng)形成遮光角或用不透明材料遮擋光源。

4)節(jié)能環(huán)保：應(yīng)選用高光效LED光源，高效率、長(zhǎng)壽命、配光合理的LED燈具，高性能、長(zhǎng)壽命附件等。配光一般選擇蝙蝠翼配光，使光強(qiáng)能均勻而分布較寬。

2.2 工業(yè)廠房的LED照明設(shè)計(jì)要點(diǎn)

工業(yè)LED照明設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足特定照度和顯色性的基礎(chǔ)上保證工人的舒適度和安全性，合理的照明設(shè)計(jì)使整個(gè)地面區(qū)域和工作面的照明等級(jí)達(dá)到均衡，并應(yīng)滿足以下基本要求[10,11]：

1)保證照度要求并考慮工作面和環(huán)境亮度的對(duì)比，以滿足提高效率和安全生產(chǎn)的需要。

2)在生產(chǎn)中的高速運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)、失誤概率高、沒有窗戶或自然光、夜間仍需工作以及年長(zhǎng)工人所在的地點(diǎn)或區(qū)域，建議提高照度以降低出錯(cuò)率并采用較好顯色性的LED光源。

3)選用高效節(jié)能、壽命長(zhǎng)、安全可靠、故障少、維護(hù)措施簡(jiǎn)單的LED光源，以減少耗電量、維護(hù)量，同時(shí)節(jié)約運(yùn)維投入。

4)根據(jù)需求確定LED燈具的防水防塵等級(jí)，在有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所應(yīng)選用防爆LED燈具。

2.3 體育場(chǎng)館的LED照明設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在國(guó)外，LED照明在體育場(chǎng)館中的應(yīng)用已有較多成功案例，如美國(guó)網(wǎng)球公開賽決賽場(chǎng)地、NRG體育場(chǎng)、馬德里競(jìng)技足球俱樂部新球場(chǎng)、尤文圖斯球場(chǎng)。在國(guó)內(nèi)，LED照明應(yīng)用于正式比賽的體育場(chǎng)館正逐漸增多，天津人民體育館是國(guó)內(nèi)體育場(chǎng)館LED照明應(yīng)用的一個(gè)成功范例；LED照明應(yīng)用于體育訓(xùn)練場(chǎng)館已經(jīng)相當(dāng)成熟，位于天津健康產(chǎn)業(yè)園的2017全運(yùn)會(huì)訓(xùn)練場(chǎng)館的場(chǎng)地已全部使用LED照明。

體育館往往具有綜合性的特點(diǎn)，這就要求其照明也應(yīng)滿足多功能的需求，其應(yīng)在滿足相應(yīng)體育賽事比賽和直播要求的同時(shí)，亦應(yīng)滿足現(xiàn)場(chǎng)觀眾等各類人員的視覺要求。另外，除了承辦相關(guān)體育賽事，體育場(chǎng)館往往還會(huì)承辦各種商業(yè)演出，應(yīng)保證足夠的照度水平。為保證實(shí)況轉(zhuǎn)播以及多功能的照明需求，體育館場(chǎng)館照明需進(jìn)行多方案比較。為最大限度滿足照度標(biāo)準(zhǔn)和照明質(zhì)量的要求，體育館LED照明設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求[12]：

1)照度及照度均勻度：合理的照度以及照度均勻度可以保證運(yùn)動(dòng)員的正常發(fā)揮以及裁判的精確判斷，同時(shí)還能確保觀看者的觀看舒適度。在進(jìn)行LED照明設(shè)計(jì)時(shí)，多功能的體育場(chǎng)館應(yīng)滿足多種不同的照度需求。當(dāng)水平照度和垂直照度相等時(shí)，體育場(chǎng)館視覺效果達(dá)到最佳，即使不能做到相等，垂直照度也不應(yīng)小于水平照度的二分之一。

2)眩光：眩光會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的發(fā)揮產(chǎn)生重大影響，特別是球類運(yùn)動(dòng)，由于眩光運(yùn)動(dòng)員無法準(zhǔn)確判斷球的走向和落點(diǎn)。LED光源由于定向輸出以及表面亮度高的特性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過合理的投光角度、布置高度以及配光設(shè)計(jì)盡量減少眩光。

3)光色和顯色性：體育場(chǎng)館內(nèi)的LED光源應(yīng)保證盡量好的顯色性和較強(qiáng)的色彩對(duì)比，讓運(yùn)動(dòng)員有更精準(zhǔn)的判斷。

4)為滿足體育場(chǎng)館的多功能照明需求，可以通過控制燈光回路方案來滿足相應(yīng)的照明需求，因此其需要完善的LED燈光回路方案，從而簡(jiǎn)化操作流程，降低運(yùn)行成本。

5)進(jìn)行LED燈光布置時(shí)，應(yīng)對(duì)場(chǎng)地平面圖進(jìn)行詳細(xì)的分析，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，確定合理的燈具排布和不同的開燈模式，以滿足訓(xùn)練、不同等級(jí)比賽以及商業(yè)活動(dòng)的照度要求。

2.4 車庫(kù)的LED照明設(shè)計(jì)要點(diǎn)

車庫(kù)LED的照明設(shè)計(jì)應(yīng)以考慮照明節(jié)能為主要因素，并應(yīng)滿足以下要求[13]：

1)光源：宜選用光效大于80 lm/W的LED光源，由于車庫(kù)層高一般較低，故燈具功率不易過大，配光角度不易過小，以提高照度均勻度，色溫選擇為4 000～4 500 K。

2)合理布置燈位：行車主道應(yīng)均勻布置燈具，每個(gè)車位上方宜布置一盞燈具，在車庫(kù)入口處，燈具的布置應(yīng)適當(dāng)縮小并對(duì)照度適當(dāng)提高，以便于視覺上形成一個(gè)明暗適應(yīng)的過程。車庫(kù)出入口露天的燈具宜采用墻面嵌入安裝并選用投光燈具，防護(hù)等級(jí)應(yīng)在IP55以上，燈具投射地面，應(yīng)盡量減少眩光。

3)考慮照明節(jié)能，LED燈具應(yīng)加智能控制方式，并設(shè)計(jì)合理的智能調(diào)光方案。

除上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)外，典型場(chǎng)所的LED照明設(shè)計(jì)還應(yīng)注意的事項(xiàng)如表2所示。

表2 典型場(chǎng)所的LED照明設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工廠車間

此實(shí)例為某電氣傳動(dòng)公司工廠車間的照明改造設(shè)計(jì)，該工廠車間主要生產(chǎn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品及發(fā)電機(jī)。工廠車間原安裝的照明設(shè)備是480 W(含鎮(zhèn)流器)金鹵燈，已經(jīng)出現(xiàn)了光衰嚴(yán)重、照度不夠、維護(hù)費(fèi)用逐年升高且運(yùn)行成本高昂等問題。針對(duì)這些問題，本次照明設(shè)計(jì)使用LED燈具進(jìn)行替換，采取一般照明方式，具體照明設(shè)計(jì)指標(biāo)為工作面平均照度500 lx，Ra>70，4 000 K色溫，工作面均勻度應(yīng)大于0.7，其中周邊均勻度可用地面均勻度取代，均勻度不應(yīng)小于0.5，并根據(jù)需求增加局部照明，局部照明的工作面照度為1 000～2 000 lx，工作面選取范圍為距墻3.75 m。

圖1 工廠車間的燈具布置方案Fig.1 Arrangement of the luminaires in factory workshop

本項(xiàng)目照明設(shè)計(jì)方案采用213 W的LED燈具一對(duì)一替換原有480 W金鹵燈，燈具安裝高度為12 m，縱向間距為7.5 m，橫向間距為5 m，至墻面距離分別為2.5 m和3.75 m，燈具總使用數(shù)量為220盞，為適應(yīng)復(fù)雜的工廠車間環(huán)境，選用防水防塵等級(jí)至少為IP65的燈具，具體布置方案如圖1所示。

LED燈具的選型為GL2 Compact5，其配光曲線、相關(guān)參數(shù)如圖2、表3所示。

圖2 工廠車間選用燈具的配光曲線Fig.2 Light distribution curve of the luminairesselectedin factory workshop

表3 工廠車間選用燈具的相關(guān)參數(shù)

通過DIALux照明仿真軟件進(jìn)行仿真，其仿真照度如圖3所示，照明仿真結(jié)果如表4所示。該結(jié)果滿足工廠車間照度均勻度、照度標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用需求并有所優(yōu)化。

表4 工廠車間的照明仿真結(jié)果

3.2 網(wǎng)球訓(xùn)練場(chǎng)地

此實(shí)例為某個(gè)體育訓(xùn)練館內(nèi)大小為36.5 m×19 m的網(wǎng)球訓(xùn)練場(chǎng)地，采取一般照明方式，場(chǎng)地內(nèi)平均照度>750 lx，Ra>65，5 700 K色溫，場(chǎng)地內(nèi)均勻度應(yīng)大于0.7，周邊均勻度不小于0.5，并參照《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2013)相關(guān)要求進(jìn)行照明設(shè)計(jì)。具體布置方案如圖4所示，采用48盞LED燈具，安裝高度為10 m，燈光回路分為專業(yè)比賽、業(yè)余比賽和專業(yè)訓(xùn)練、訓(xùn)練和娛樂活動(dòng)以及清掃模式四種方案，滿足其多功能的照明需求。

圖3 工廠車間仿真照度圖Fig.3 Simulated illuminance result in factory workshop

圖4 網(wǎng)球訓(xùn)練場(chǎng)地的燈具布置方案Fig.4 Arrangement of the luminaires in tennis training ground

燈具選型為BVP283 LED210NW，功率210 W、光通量21 000 lm、顯色指數(shù)75、色溫5 700 K，具體配光曲線如圖5所示。

圖5 網(wǎng)球訓(xùn)練場(chǎng)地選用燈具的配光曲線Fig.5 Light distribution curve of the luminaires selected in tennis training ground

通過DIALux照明仿真軟件進(jìn)行仿真，其仿真照度如圖6所示，照明仿真結(jié)果如表5所示。該結(jié)果滿足網(wǎng)球訓(xùn)練場(chǎng)地照度均勻度、照度標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用需求并有所優(yōu)化。

圖6 網(wǎng)球訓(xùn)練場(chǎng)地仿真照度圖Fig.6 Simulated illuminance result in tennis training ground

表5 網(wǎng)球訓(xùn)練場(chǎng)的照明仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)比分析了典型場(chǎng)所的LED照明設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并通過設(shè)計(jì)實(shí)例加以驗(yàn)證，得出結(jié)論如下：

1)LED照明設(shè)計(jì)應(yīng)滿足相關(guān)場(chǎng)所的照度、均勻度、光色以及顯色性要求，相關(guān)參數(shù)應(yīng)參照現(xiàn)行GB 50034《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2)由于LED光源的表面亮度高以及定向輸出的特性，應(yīng)通過合理的布置和配光設(shè)計(jì)盡量減少眩光。

3)在多功能、對(duì)燈光調(diào)節(jié)有要求的場(chǎng)所，應(yīng)預(yù)留完善的燈光控制回路，并宜采用智能控制方案。

4)LED照明計(jì)算一般可采用利用系數(shù)法計(jì)算平均照度，當(dāng)為了獲得較高的計(jì)算精確度時(shí)，可采用逐點(diǎn)計(jì)算的方法，對(duì)于照明質(zhì)量要求高同時(shí)功能復(fù)雜的場(chǎng)所建議通過計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法進(jìn)行LED照明計(jì)算。

5)LED燈具因其光學(xué)類型的不同以及燈具的差別，利用系數(shù)也不同，在實(shí)際照明設(shè)計(jì)中需向燈具生廠商求取利用系數(shù)值，做到計(jì)算精確。