代 丹 / 陳寅生

(中國航空規(guī)劃建設發(fā)展有限公司，北京 100120)

中國工程院重大咨詢項目研究指出，我國2010年照明用電量為3 000多億千瓦時，約占全國電力消耗總量的11%，已成為我國電力終端消費的一個重要組成部分。2012年國務院連續(xù)印發(fā)有關節(jié)能減排文件：《“十二五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》等。從環(huán)境保護角度出發(fā)，工業(yè)信息化產(chǎn)業(yè)部為貫徹落實國務院《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》和《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，降低熒光燈產(chǎn)品含汞量，提升行業(yè)清潔生產(chǎn)水平，以新的節(jié)能環(huán)保型光源逐步取代對環(huán)境污染大的含汞光源。

另外，在聯(lián)合國框架下，140多個國家經(jīng)過4年多時間的談判，達成《水俁汞防治公約》，這將在全球范圍內(nèi)監(jiān)控和限制含汞產(chǎn)品的生產(chǎn)和貿(mào)易，以減少汞污染對環(huán)境的破壞和對人類健康的影響。簽署國各方同意，在2020年之前，逐漸減少含汞產(chǎn)品的生產(chǎn)和貿(mào)易，含汞節(jié)能燈的禁產(chǎn)以及國家發(fā)改委發(fā)布的普通照明白熾燈的淘汰政策，都為LED照明的發(fā)展提供了有利條件。在這種大前提下，為減少熒光燈的總用汞量，應該逐步尋求LED燈作為替代性光源，但LED作為一種新型電光源，還沒有被大眾所認識，同時很多專業(yè)人員對其特性和指標不夠了解，因此需要對LED有全面的了解，才能夠?qū)⑦@種新型節(jié)能產(chǎn)品應用好。

1 LED光源與傳統(tǒng)電光源的主要區(qū)別

LED光源在外形尺寸方面遠小于傳統(tǒng)光源的外形尺寸，作為小功率單燈出現(xiàn)時，由于它的發(fā)光表面積很小，可以看作一個點光源；大功率LED單燈是由數(shù)十甚至上百個LED所組成，所以又可以將其看作一個面光源；傳統(tǒng)電光源所發(fā)出的光，基本上是立體360°全方位輻射方式發(fā)光，而LED光源則不同，它的發(fā)光呈立體圓錐角形式向外輻射光能量，它有很強的指向性，減少了許多二次配光所產(chǎn)生的光反射和折射所帶來的光損失。LED與傳統(tǒng)照明相比，無論是在光學特性還是電氣特性等方面均有很大的不同，要用好LED照明，首先需要了解它的各種特性，本文對日光、白熾燈、三基色熒光類光源和LED光源進行初步對比。

1.1 光譜能量的區(qū)別

1)日光光譜

眾所周知，太陽所發(fā)出的光是全光譜系列的光，不但有可見光，也含有大量的不可見光，可見光光譜如圖1所示。從圖1可以看到，日光在可見光部分的光譜能量基本處于均衡狀態(tài)，雖然有些波長(730nm左右)相對光譜能量偏低，但與最高光譜能量(460nm左右的藍光)相比，相對能量比例相差不到40%，因此日光對應的各種顏色還原性很高。

圖1 日光在可見光部分的光譜特性

2)普通熒光燈光譜

自人類發(fā)現(xiàn)利用激發(fā)熒光粉的方式可以提高電光源的發(fā)光效率開始，普通熒光燈已有數(shù)十年的歷史，時至今日仍在沿用。從它所產(chǎn)生的光譜曲線(見圖2)可以得知，它的光效主要是利用熒光粉二次激發(fā)所產(chǎn)生的藍光能量提高發(fā)光效率，但沒有擺脫不可見光的產(chǎn)生，因此在波長380nm～780nm范圍之外有不被人眼所識別的紫外光和紅外光產(chǎn)生。

圖2 普通熒光燈光譜

圖2所示為采用傳統(tǒng)電感鎮(zhèn)流器的18W普通熒光燈的光譜曲線和光學參數(shù)，從測試數(shù)據(jù)和曲線可以看到，它所產(chǎn)生的光能量為3.186W，而實際消耗電功率為29W，因此其光電轉(zhuǎn)換率為11%，比白熾燈提高約5%。從光譜曲線可以看到在低于380nm和高于780nm的兩端，仍有不可見光的能量輸出，因此這也是普通熒光燈光效不高的原因之一。

3)LED光譜

目前采用白光LED照明的主流發(fā)光機理是用半導體技術(shù)，采用波長為450nm左右的藍光激發(fā)YAG熒光粉方式發(fā)出白光，它的典型光譜曲線如圖3所示。

圖3 白光LED典型光譜

從圖3可以看到白光LED的光譜特性基本上與白熾燈相反，其波長為450nm左右的藍光能量要大于其他波長的能量，然后出現(xiàn)一個波谷，圖3中顯示的兩個波峰分別出現(xiàn)在藍光區(qū)域和綠光區(qū)域，紅色部分的光譜能量較低，因此對于紅色的色彩還原較低，所以顯色指數(shù)不高，但其總體光譜曲線與白熾燈有些類似，而且在不可見光部分沒有能量輸出，這也是LED能耗低的主要原因之一。

由于白光LED的色溫與發(fā)光二極管本身、驅(qū)動電流大小和YAG熒光粉的配方等諸多因素相關，所以改變?nèi)我庖豁椫笜?，都會改變色溫值，對應不同色溫的白光LED顯色指數(shù)也不同，能效也有所差異，導致光電轉(zhuǎn)換效率也不同，詳細技術(shù)參數(shù)在后面的章節(jié)進行分析。

1.2 顯色指數(shù)

顯色指數(shù)是傳統(tǒng)照明光源中評價色彩還原的一個指標，色彩還原共有16項指標，這16個參數(shù)代碼為R1～R15(分別表示日光下的顏色)及常用的顯色指數(shù)Ra(Ra是前8種色彩還原指數(shù)的平均值)。雖然Ra不能像長度計量和質(zhì)量計量中的單位那樣精確反映長度或質(zhì)量的關系，但是作為光學衡量參數(shù)，仍是一個具有參考價值的指標。由于R9～R15并未計入Ra這項指標，所以傳統(tǒng)的顯色指數(shù)Ra并不能像物理中的其他參數(shù)那樣，十分精確地反映色彩還原程度。

白光LED的發(fā)光機理如前所述，是用藍光激發(fā)黃色YAG熒光粉，由藍黃互補產(chǎn)生白光，所以在波長為380nm～440nm的紫光部分和波長為700nm～780nm的紅光部分相對欠缺，由于藍黃互補，在光譜曲線中也必然會出現(xiàn)一個波谷，這個波谷所對應的光譜波長能量相對較低，基于以上原因，很難提高藍光激發(fā)YAG熒光粉的LED顯色指數(shù)Ra。雖然白光LED的光譜曲線看上去光滑連續(xù)，比三基色熒光類光譜曲線漂亮，但是正因為缺少了紫光和紅光部分的補充，這種LED顯色指數(shù)Ra一般為70～85。

雖然顯色指數(shù)不高，但由于人眼的視覺關系，并不會對顏色還原造成很大偏差。從CIE 1931色度圖觀察，6 500K的LED色溫更接近于日光色溫(見圖4)，但由于紅光對應區(qū)域的能量較低，與日光相比，紅色還原效果較差。

圖4 CIE 1931色度圖

1.3 光效

早期的LED照明光源光效較低，甚至低于熒光燈，但隨著技術(shù)的發(fā)展，LED照明光源的光效在不斷提高，光效達到80lm/W的LED商業(yè)化照明產(chǎn)品已屢見不鮮，好的產(chǎn)品光效可達100lm/W以上。如前所述，LED光效在光電轉(zhuǎn)換方式和光譜特性兩個方面減少了不必要的能耗，所以發(fā)光效率高于傳統(tǒng)光源。

用藍光激發(fā)YAG熒光粉的LED將電能轉(zhuǎn)換為光能，除去在PN結(jié)上產(chǎn)生的熱量外，其余能量都轉(zhuǎn)換為光能，不同于傳統(tǒng)熒光類照明光源，首先用燈絲產(chǎn)生的能量將汞激發(fā)，產(chǎn)生電子躍遷，然后二次激發(fā)熒光粉，產(chǎn)生光能。因此LED沒有二次能量轉(zhuǎn)換的損耗，同時也沒有不可見光的輸出問題，所以除了熱能損失和電源驅(qū)動損失外，其余電能全部轉(zhuǎn)換為可見光能，光效要超過現(xiàn)有傳統(tǒng)光源，理論上可以達到200lm/W。

從光譜曲線分析，白熾燈有不可見的紅外光，三基色熒光類照明燈存在不可見的紫外光，金鹵燈不但存在紅外光，同時還存在紫外光。而白光LED產(chǎn)生的光能，僅在可見光范圍內(nèi)，減少了不可見光的能量損失，因此發(fā)光效率高于白熾燈和熒光燈、目前商業(yè)化產(chǎn)品的光效與金鹵燈類似，部分產(chǎn)品的光效高于金鹵燈。

目前實驗室的發(fā)光效率已經(jīng)突破120lm/W，但由于尚有部分技術(shù)問題未解決，商業(yè)化產(chǎn)品水平大部分在80lm/W～100lm/W，約是白熾燈光效的9～11倍。一旦技術(shù)瓶頸得以克服，它的光效將超過金鹵燈。

1.4 壽命

傳統(tǒng)電光源發(fā)光原理是依靠燈絲在電流的作用下白熾化產(chǎn)生光能，無論是白熾燈、熒光燈、汞燈、鈉燈或是金鹵燈等，均為這種方式，所不同的是白熾燈僅僅利用白熾化所產(chǎn)生的光能量，而其他電光源利用白熾化的能量激發(fā)惰性氣體或利用汞的激發(fā)能量再次激發(fā)熒光粉產(chǎn)生光能。由于燈絲白熾化必然存在燈絲的壽命問題，通常情況下，傳統(tǒng)電光源的壽命為5 000h，白熾燈的壽命不到2 000h，壽命長的傳統(tǒng)光源一般也不超過1.2萬。而LED光源是采用半導體技術(shù)，沒有燈絲白熾化問題，所以光源本身在正常情況下的使用壽命很長，可以達到10萬以上。

雖然LED電光源本身的壽命很長，但是其驅(qū)動電路是由電子電路構(gòu)成，電路中不可避免要使用電解電容器，而電解電容器的壽命則決定了LED燈系統(tǒng)的整體壽命，所以LED照明的壽命并未達到某些廠商所說的10萬h。這個值是LED光源本身的壽命，而不是燈系統(tǒng)的壽命。因為電解電容器的壽命一般為5萬h，而它又是電源驅(qū)動電路中的重要元器件，所以LED燈系統(tǒng)的壽命是由電解電容器決定的，而不是LED光源本身。

從散熱角度分析，任何一種半導體材料都存在使用溫度的要求，當溫度超出所規(guī)定的范圍，它所產(chǎn)生的熱量無法及時導出，便會使內(nèi)部溫度過高，影響正常工作和使用壽命。LED照明是由半導體材料制造，因此也受到使用溫度的限制。一旦使用溫度或環(huán)境溫度超出規(guī)定范圍，PN結(jié)上產(chǎn)生的熱量無法正常導出，使得結(jié)溫超出允許范圍，必將影響使用壽命。

2 LED節(jié)能與效益

在民用建筑中，LED應用在景觀、商業(yè)櫥窗、辦公環(huán)境、隧道和工礦等照明領域。隨著技術(shù)的進步，LED照明的光效在不斷提高，發(fā)光效率從開始的40lm/W上升到80lm/W，而且還在不斷提高，理論上發(fā)光效率可達200lm/W。目前國內(nèi)加工生產(chǎn)LED照明的企業(yè)已達上千家，憑借著勞動力價格偏低的優(yōu)勢，打破了國外的價格壟斷。產(chǎn)品的價格從開始時的60元/W～70元/W，到2013年已經(jīng)降到15元/W以下，基本接近用戶可接受的心理價位狀態(tài)。

2.1 主要技術(shù)指標對比

依據(jù)各生產(chǎn)廠商提供的數(shù)據(jù)，LED、無極熒光燈和金鹵燈各種性能指標如表1所示。從表1中可以得出，LED燈較傳統(tǒng)光源在民用建筑照明應用中具有很強的優(yōu)勢。

表1 LED照明、無極熒光燈、金鹵燈應用指標對比

注：1.該項包括普通熒光燈、三基色熒光燈、環(huán)形熒光燈、緊湊型熒光燈；2.各企業(yè)產(chǎn)品有差異，緊湊型壽命較短，普通熒光燈次之，三基色熒光燈壽命最長；3.各企業(yè)產(chǎn)品有差異，金鹵燈壽命較短，鈉燈壽命較長；4.除部分企業(yè)的球泡燈外，大部分球泡燈達不到該指標；5.非正規(guī)企業(yè)無法達到該指標。

2.2 LED照明的節(jié)能

如前面所做測試對比與分析，LED照明比傳統(tǒng)光源節(jié)能，在一般辦公環(huán)境中，達到同等照度條件，采用LED照明，安裝功率約占傳統(tǒng)熒光燈的35%～40%，單燈同等高度情況下的照度對比測試如圖5所示。

如圖5所示，18W熒光燈的功率為普通熒光燈光源功率，未計入鎮(zhèn)流器所消耗功率，若計算整個燈系統(tǒng)功率約為21W，LED則為實測功率。僅從安裝功率計算，LED支架燈所消耗的電力僅為普通熒光燈的35%左右。從照度指標看，各色溫的LED照度均超過普通熒光燈。通過這一組測試結(jié)果可見，在滿足同等照度標準的情況下，LED比普通熒光燈節(jié)能。在不考慮其他因素的情況下，僅照明安裝功率一項可降低能耗約65%，這一節(jié)能效果可以通過美國科銳公司的應用參考表(如表2所示)得以驗證。

如果采用美國該公司的LED照明產(chǎn)品，從表2可以看到，當用110lm/W的產(chǎn)品，達到330lux的照度時，安裝功率為3.23W/m2；用100lm/W的產(chǎn)品，達到330lux的照度時，安裝功率為3.76W/m2；用90lm/W的產(chǎn)品，達到330Lux的照度時，安裝功率為3.98W/m2；分別為《建筑照明設計標準》(GB 50034-2004)功率安裝密度現(xiàn)行值的29.4%、34.2%、36.2%；平均節(jié)能效果可以達到65%以上，按照功率安裝密度目標值計算，分別為35.6%、41.8%和44.2%。因此在功率安裝密度目標值的基礎上，仍可達到平均節(jié)能約60%的效果。

假如采用貴州某光電公司的國產(chǎn)LED照明產(chǎn)品，光效實測值平均為85lm/W，在達到330lux照度的情況下，安裝功率密度為4.36W/m2；仍可在《建筑照明設計標準》(GB 50034-2004)功率安裝密度現(xiàn)行值11W的基礎上節(jié)能60%；功率安裝密度目標值9W的基礎上節(jié)能50%以上。

以上對LED照明的直接節(jié)能效果進行了分析，LED照明節(jié)能除了產(chǎn)生直接節(jié)能效果外，還會產(chǎn)生間接節(jié)能效果，例如：由于照明安裝功率的減少，使得線路和變壓器損耗下降；在夏季空調(diào)環(huán)境條件下，LED照明發(fā)熱量的減少，使得空調(diào)能耗下降而產(chǎn)生空調(diào)節(jié)能的效果。這兩項節(jié)能效果在寫字樓、辦公環(huán)境和商業(yè)建筑尤為明顯。

如果按照普通熒光燈計算，在滿足300Lux照度的情況下，安裝功率密度大約為7W/m2，發(fā)熱量約占85%，即5.95W/m2，而即使采用國產(chǎn)LED照明，安裝功率密度為4.36W/m2，發(fā)熱量占75%，即3.27W/m2，每平方米減少2.68W發(fā)熱量，1 000m2的面積減少2.68kW的發(fā)熱量，可以減少大約1.2kW的空調(diào)制冷量，夏季帶來的空調(diào)節(jié)能效果也是非?？捎^的。

LED一直被認為是新一代綠色節(jié)能型光源，其節(jié)能潛力一直是眾人關注的焦點,也是相關廠商宣傳的重點。白光照明級LED的光效近年來更是不斷地被突破, 如果說在2010年人們對于采用LED替代熒光燈的節(jié)能效率還有疑慮的話,現(xiàn)在的LED支架燈已大大超過了一般辦公空間常用的T8、T5 熒光燈的光效。另外，LED的定向發(fā)光特性決定其燈具效率(80%～90%)也大于普通直管熒光燈的燈具效率(一般為65%～70%)。因此，從節(jié)能角度出發(fā)，LED在辦公空間具有極大的應用前景。

2.3 LED的經(jīng)濟效益分析

LED燈對環(huán)境有許多值得期待的益處，被認為是綠色的照明產(chǎn)品，根據(jù)美國能源部計算，LED燈最終可以減少全球50%的照明用電和10%的總用電量，自2025年開始，使用LED燈預計全球每年可減少300Mt的碳排放量。

根據(jù)國際能源組織《CO2Emission From Fuel Combustion(2012 Edition)》統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國2010年發(fā)出每度電力所產(chǎn)生CO2的排放量為518g/kWh，按照一盞36W熒光燈每天工作10h計算，每年所產(chǎn)生的碳排放量約75kg(含鎮(zhèn)流器消耗電力)；若更換為18W LED燈，同樣以每天10h計算，每年所產(chǎn)生的碳排放量將降低50%，減少量為37.5kg，可大大減少對環(huán)境的污染，同時減少溫室效應的程度。

由于LED照明是新型產(chǎn)業(yè)，目前還有許多技術(shù)問題正在改進，因此目前的售價比傳統(tǒng)光源高，按照2013年下半年國內(nèi)LED生產(chǎn)企業(yè)的正常價格計算，球泡燈的價格大約為5元/W，支架燈的價格大約為8元/W，高棚燈(工礦燈)的價格大約為15元/W。

以此價格分析：用5W LED球泡燈替代11W緊湊型熒光燈，LED球泡燈的購入價格為25元，11W緊湊型熒光燈購入價格為10元，差價15元。若按照明時間10h/天計算，每天節(jié)省電力0.06W，每年節(jié)省電力21.9kW/h，按照目前電力收費1元/kWh計算，0.685年可以收回一次投入差價成本。其后每盞燈每年可節(jié)省電費21.9元。若按照實際照明時間計算，2 500h可以收回一次性投入差價，其后每實際照明167h可節(jié)省1元電費。在實際使用中，當緊湊型熒光燈工作2 500h后，已經(jīng)進入需更換狀態(tài)，因此在實際情況下，LED照明還節(jié)省了傳統(tǒng)光源的維護更換費用，這包括光源的更新成本和人力成本。

以支架燈為例，36W支架熒光燈每盞17元，電子鎮(zhèn)流器每個32元，一次投資49元，18W LED支架燈每盞144元，LED的一次性投資約為支架熒光燈的3倍，差價為95元；功率差值按18W計算(不算熒光燈鎮(zhèn)流器消耗)。

以每天10h照明為例，LED每天節(jié)電0.18kWh，電費仍以1元/kWh計算，需528天收回一次投入差價成本，周期1.45年，此后的每盞燈每天節(jié)電產(chǎn)生0.18元的節(jié)能效益，每盞燈每年產(chǎn)生節(jié)電的經(jīng)濟效益為65.7元。在通常情況下工作50 000h之內(nèi)的LED不需要更換，而支架熒光燈則需更換1～2次，由此產(chǎn)生的更換成本和人力成本并未計算在內(nèi)。

以上分析了單燈LED照明產(chǎn)生的節(jié)能直接經(jīng)濟效益，在大面積使用情況下，由于功率的降低和功率因數(shù)的提高，還有線路損耗降低、無功損耗降低等帶來的間接經(jīng)濟效益。因此，采用LED照明，雖然一次投入較大，但與采用傳統(tǒng)照明光源的差價在一般情況下可在兩年內(nèi)收回，其后的2年～3年所產(chǎn)生的節(jié)能效果會為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)束語

在當前這種能源格局下，國家和地方出臺了許多節(jié)能方面的優(yōu)惠政策，因此我國目前在LED照明光源的研發(fā)、生產(chǎn)和使用方面發(fā)展迅猛。針對民用建筑，本文通過分別對比日光、白熾燈、三基色熒光類光源和LED光源的光譜能量、顯色指數(shù)、光效和壽命，總結(jié)得出LED光源用于照明的優(yōu)勢。同時，測試了LED光源與熒光光源在相同垂直高度下的照度情況，結(jié)果顯示LED具有突出的節(jié)能效果。另外，本文還對民用建筑采用LED照明的經(jīng)濟效益進行了分析，給民用建筑中LED的使用提供了一定的參考。

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