代 丹 / 陳寅生

(中國(guó)航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100120)

LED作為一種新型電光源，國(guó)家對(duì)LED照明的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)相對(duì)滯后，且產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，造成選用后患。雖然國(guó)際乃至國(guó)內(nèi)已經(jīng)出臺(tái)了一些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，但關(guān)于LED光源的光電參數(shù)指標(biāo)還有一些爭(zhēng)論尚未定論，從而導(dǎo)致照明設(shè)計(jì)人員對(duì)這一新型電光源不敢輕易采用。由于LED照明光源的發(fā)光機(jī)理、光譜特性等均與傳統(tǒng)的照明光源有很大的不同，為了將LED在民用建筑領(lǐng)域中應(yīng)用好，本文在對(duì)LED光源的光電參數(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，討論LED在民用建筑中的適用性。

國(guó)內(nèi)LED光源用于道路照明、隧道照明的實(shí)際應(yīng)用案例已有很多，報(bào)刊雜志均有許多報(bào)道，但是真正用于民用建筑領(lǐng)域照明的案例還很少，尤其是大功率LED光源用于民用建筑領(lǐng)域的室內(nèi)照明。原因之一是關(guān)于藍(lán)光對(duì)人體健康的影響問(wèn)題，部分民用建筑領(lǐng)域中，一些工作人員會(huì)長(zhǎng)期工作在電光源照明的環(huán)境下，而不同于行人夜間在馬路上行走只是短期暴露在電光源環(huán)境下，這些光是否會(huì)影響人體健康、它的色彩還原如何都要認(rèn)真考慮。所以民用建筑的LED照明對(duì)人體健康的影響與道路照明有很大的不同，需要進(jìn)行深入分析。

1 LED照明技術(shù)指標(biāo)分析

LED光源的物理特性和光學(xué)特性與LED照明產(chǎn)品質(zhì)量的好壞息息相關(guān)。目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的實(shí)際情況如何以及與傳統(tǒng)光源的對(duì)比情況怎樣，本節(jié)對(duì)部分LED產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試分析。

1.1 15W無(wú)極熒光燈與15W LED球泡燈對(duì)比測(cè)試

本文對(duì)福建某源光公司生產(chǎn)的15W無(wú)極熒光燈和貴州某公司生產(chǎn)的15W LED球泡燈進(jìn)行了光譜特性、光通量、功率等參數(shù)的比對(duì)測(cè)試，測(cè)試儀器分別采用杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司生產(chǎn)的遠(yuǎn)方PMS-80_V1系統(tǒng)，軟件版本號(hào)為V2.00.125，功率因數(shù)、高次諧波含量采用杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司生產(chǎn)的PF9811智能電量測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試。光學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 15W無(wú)極熒光燈與15W LED球泡燈光學(xué)參數(shù)對(duì)比

從表1可以看出，在輸入功率基本相同的情況下，根據(jù)產(chǎn)生的光通量數(shù)據(jù)計(jì)算，該對(duì)比測(cè)試組無(wú)極熒光燈光通量和光電效率分別為L(zhǎng)ED燈的62.075%和60.475%，但由于該無(wú)極熒光燈的輸入功率略大于LED燈的輸入功率，因此該LED燈在與無(wú)極熒光燈同等照度情況下，比無(wú)極熒光燈節(jié)能約40%，根據(jù)光電效率指標(biāo)和輻射通量指標(biāo)，可以驗(yàn)證節(jié)能效果。

圖1 15W無(wú)極熒光燈和LED燈3～11次諧波與限值

類別色溫(K)顯色指數(shù)(Ra)光通量(lm)輻射通量(W)光效(lm/W)功率(W)功率因數(shù)2 700K平均值2 742.669.9620.151.793 1886.4647.1720.943 343 000K平均值3 081.871.18652.0061.859 687.3767.462 20.946 043 500K平均值3 52873.1653.261.888 0291.4447.1460.940 684 000K平均值4 10775.72632.11.879 1486.4227.321 80.943 424 500K平均值4 57175.66657.8921.977 5890.5287.270 80.943 485 000K平均值5 066.875.24656.7121.993 2488.7747.3980.944 325 700K平均值5 65074.64662.2242.02292.9767.124 40.943 546 500K平均值6 410.878.9692.1182.210 1495.3827.263 40.924 34

所測(cè)15W無(wú)極熒光燈在測(cè)試期間的瞬間有功功率變化范圍為14.80W～15.51W，這一現(xiàn)象說(shuō)明該燈的高次諧波對(duì)電光源功率本身的影響，功率波動(dòng)約占5%，雖然不高，但也會(huì)影響發(fā)光強(qiáng)度，但人們的肉眼無(wú)法察覺(jué)到光強(qiáng)的變化。

如圖1所示，對(duì)照測(cè)試的15W LED燈各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于15W無(wú)極熒光燈，并滿足國(guó)家GB 17625.1標(biāo)準(zhǔn)，尤其在高次諧波含量和功率因數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)上，占有很大優(yōu)勢(shì)，如果大量采用，既能保證局域電網(wǎng)的電能質(zhì)量，又能滿足節(jié)能要求。

1.2 7.5W(L=0.6m)LED支架燈光學(xué)參數(shù)測(cè)試

對(duì)于民用建筑照明，18W(L=0.6m)熒光燈是比較常見(jiàn)的電光源，因此多數(shù)LED生產(chǎn)廠商都有對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的LED支架燈與其對(duì)應(yīng)?？紤]到未來(lái)大量取代更換問(wèn)題，本文對(duì)該長(zhǎng)度LED支架燈進(jìn)行了測(cè)試。

測(cè)試燈的色溫涵蓋常用范圍分別為2 700K、3 000K、3 500K、4 000K、4 500K、5 000K、5 700K、6 500K共8種色溫，考慮到單只測(cè)試會(huì)具有偶然性，因此每種色溫選5支，對(duì)光學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，各色溫5次測(cè)試的平均結(jié)果如表2所示。

從表2可以看到每組數(shù)據(jù)十分接近，尤其是功率因數(shù)，基本上在0.94左右。對(duì)于光學(xué)參數(shù)中的主要參數(shù)光通量來(lái)說(shuō)，同色溫情況下的光通量變化幅度不超過(guò)4%。通過(guò)各組的平均值分析得到色溫(K)與光輻射通量(W)的關(guān)系(見(jiàn)圖2)，從這一曲線可以看到，所測(cè)7.5W LED支架燈的光輻射通量基本上在2W左右，占燈系統(tǒng)輸入功率的27%，但隨著色溫的不同，光的輸出能量也隨之略有變化，變化幅度約10%，在2 700K～6 500K的范圍內(nèi)，光輸出效率為輸入功率的25%～30%，總體來(lái)說(shuō)，高色溫的LED電光源轉(zhuǎn)換效率更高、更加節(jié)能。

圖2 色溫(K)與光輻射通量(W)的關(guān)系

2 LED在民用建筑中的適用性

2.1 檔案和博覽建筑照明

在《檔案保護(hù)學(xué)》中列出光對(duì)檔案制成材料的危害有：紅外光的熱效應(yīng)、可見(jiàn)光的氧化反應(yīng)和紫外光的褪色反應(yīng)。這三種光對(duì)檔案都有不同的影響，對(duì)于檔案來(lái)說(shuō)，365nm的紫外光影響較大，褪色反應(yīng)速度較快，無(wú)論采用熒光燈照明還是其他傳統(tǒng)光源照明，都會(huì)有這部分光的存在，只是量的大小而已。熒光燈的這部分光雖然較小(見(jiàn)圖3)，但也不能消除這部分能量。因此在《檔案館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 25-2010)中明確要求防日光直射和紫外線照射，其5.5.2節(jié)規(guī)定當(dāng)紫外線含量超過(guò)75μW/lm時(shí)，應(yīng)采取防紫外線的措施。

圖3 某品牌5 000K直管熒光燈光譜

博物館的展品保護(hù)也同樣存在這部分光危害問(wèn)題，紫外輻射是引起展品變褪色的主要原因。同時(shí)紅外輻射還可能使展品的溫度上升，從而使展品產(chǎn)生干化、變形、裂紋等損壞現(xiàn)象。為了保護(hù)文物，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《博物館照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 23863-2009)提出了更加嚴(yán)格的要求，第7.1節(jié)指出：應(yīng)減少燈光和天然光中的紫外輻射，使光源的紫外線相對(duì)含量小于20μW/lm。

藍(lán)光激發(fā)YAG熒光粉的LED照明光源的出現(xiàn)，有效地解決了電光源的紫外線輻射和紅外線輻射問(wèn)題，從圖4的白光LED典型光譜中可以看到，采用藍(lán)光激發(fā)YAG熒光粉的LED照明光源，光譜中不含紫外光和很少量的紅外光，這對(duì)于檔案和文物的保護(hù)起到了很好的作用。

圖4 白光LED典型光譜

以美國(guó)某公司2010年產(chǎn)品ESAADR414CWDSGCFF12035K筒燈為例：整燈功率25.73W，光通量1 280lm，在360nm波長(zhǎng)的光功率為0.06mW，每流明僅含0.05μW能量，800nm～850nm波段的紅外光含量從0.36mW逐步降低至0.10mW。同樣為該公司2010年產(chǎn)品ESAADR842CWDSGCFF12035K工礦燈：整燈功率79.1W，光通量12 350lm，在360nm波長(zhǎng)的光功率為0.12mW，每流明僅含0.01μW能量，800nm～850nm波段的紅外光含量從1.11mW逐步降低至0.32mW。

從上述2例可以看出，采用藍(lán)光激發(fā)YAG熒光粉的LED照明不但紫外光含量很低，而且紅外光的含量也很低，取代熒光燈用于檔案保存，閱覽、展示等場(chǎng)合，使電光源對(duì)檔案、文物的不利影響減到最低水平，目前使用的其他任何光源都不可能達(dá)到LED的水平。

2.2 醫(yī)院照明

隨著醫(yī)療儀器設(shè)備技術(shù)水平的不斷提高，智能化的醫(yī)療儀器越來(lái)越普遍，這些設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量的要求也在不斷提高，局域電網(wǎng)的高次諧波和其他用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾電壓，可能會(huì)對(duì)這些醫(yī)療儀器的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，因此對(duì)于醫(yī)院用電設(shè)備所產(chǎn)生的高次諧波指標(biāo)和電磁騷擾電壓指標(biāo)要求應(yīng)高于一般場(chǎng)合。對(duì)于醫(yī)院來(lái)說(shuō)，除去醫(yī)療設(shè)備外，很大一部分用電是照明設(shè)備，雖然照明設(shè)備的每盞照明燈系統(tǒng)功率不大，所產(chǎn)生的高次諧波含量也不會(huì)很高，但由于使用數(shù)量較多，部分高次諧波產(chǎn)生疊加，反映到局部電網(wǎng)的高次諧波總含量往往比較高，因此這項(xiàng)指標(biāo)是不容忽視的。

通過(guò)LED照明技術(shù)指標(biāo)分析可以得出，LED照明燈系統(tǒng)的高次諧波含量約比熒光燈的高次諧波含量少一個(gè)數(shù)量級(jí)，從這一技術(shù)指標(biāo)看，LED燈用于醫(yī)院照明可以有效降低高次諧波的含量，更有利于保證醫(yī)療儀器設(shè)備的正常運(yùn)行。

如果在醫(yī)院大量使用LED照明，則不能忽略LED發(fā)光指向性強(qiáng)和眩光問(wèn)題。在病房的普通照明應(yīng)用中，首先應(yīng)考慮病人的健康、情緒、睡眠等問(wèn)題，其次是節(jié)能。因此燈具和電光源色溫的選擇十分重要，應(yīng)盡可能減少眩光，并減少燈光對(duì)人體褪黑激素的影響，所以建議采用平板型(見(jiàn)圖5)、低色溫LED照明燈系統(tǒng)。

圖5 平板型LED燈

圖5所示平板型LED燈，采用了PV材料作為光源面，發(fā)光均勻，有效克服了眩光問(wèn)題，用于病房普通照明時(shí)，幾乎感覺(jué)不到眩光所帶來(lái)的不舒適感，若同時(shí)配以3 000K～4 000K色溫，則可使病人在視覺(jué)上產(chǎn)生一種舒適感。雖然這種燈是以犧牲部分光效來(lái)?yè)Q取低眩光指數(shù)，但從以人為本的角度，對(duì)病人的康復(fù)有一定的好處。

2.3 機(jī)場(chǎng)、車站和碼頭照明

機(jī)場(chǎng)的候機(jī)樓和車站的候車室空間高度通常比辦公、商廈要高，采用傳統(tǒng)電光源照明勢(shì)必存在維護(hù)更換問(wèn)題，而這類場(chǎng)合的人流幾乎24h不間斷，無(wú)論采取何種方式維護(hù)，都對(duì)旅客有影響，采用LED照明可以大大減少維護(hù)次數(shù)，同時(shí)節(jié)省大量照明用電。

LED照明更容易保證照度指標(biāo)，由于這種場(chǎng)合人員流動(dòng)性大，安全防范是重點(diǎn)，可以采用高色溫LED進(jìn)行照明，可以提高候機(jī)、候車人員的興奮度，保持一定的警覺(jué)性。

對(duì)于站臺(tái)、碼頭等室外通風(fēng)條件好的場(chǎng)合，更有利于LED的散熱，可有效保證使用壽命，減少維護(hù)次數(shù)。這種場(chǎng)合通常是夜晚照明，采用高色溫LED，在同樣的用電功率下，可以相對(duì)提高亮度，在節(jié)能問(wèn)題上，可產(chǎn)生較大的效果。以停機(jī)坪的20m高桿燈照明為例，一般情況下，采用金鹵燈照明，每盞燈的功率為1kW，每個(gè)燈桿需要安裝6～10盞燈，若采用LED照明每盞燈的安裝功率為450W，可以減少50%以上的照明能耗。直接效益已是十分可觀，再加上由于安裝功率的減少，導(dǎo)線截面的變化，既可減少銅的消耗，又可減少一次性投資；加上電流的降低，使得線路損失和變壓器損耗下降，所得到的間接效益也大大提高。

從維護(hù)角度分析，采用傳統(tǒng)光源的高桿燈，大約10個(gè)月左右需要進(jìn)行維護(hù)(更換光源)，若采用LED照明，將光源和電源驅(qū)動(dòng)分開(kāi)，可以做到10年不換光源，減少了大量高空作業(yè)，大大減少升降機(jī)的臺(tái)班作業(yè)。

2.4 體育場(chǎng)館照明

體育場(chǎng)館的照明分類較細(xì)，在《體育場(chǎng)館照明設(shè)計(jì)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 153-2007)中對(duì)籃球、排球場(chǎng)地的照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如表3所示。

2.5 辦公和商業(yè)照明

寫字樓、辦公樓的用電能耗在不考慮空調(diào)和采暖的情況下，主要為計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、電梯、飲水機(jī)等輔助設(shè)備和照明設(shè)備幾大用電種類，雖然辦公設(shè)備的能耗支出比例較大，但是根據(jù)飛利浦照明公司統(tǒng)計(jì)，辦公照明能耗仍然占到辦公用電能耗的35%。由于計(jì)算機(jī)、復(fù)印件、打印機(jī)等辦公設(shè)備的用電節(jié)能空間很小。能夠產(chǎn)生節(jié)能效果的用電設(shè)備集中在照明方面。

在同等照度情況下，用LED照明取代熒光燈，取代功率安裝系數(shù)按照0.4計(jì)算，僅辦公用電直接成本降低20%，若考慮功率因數(shù)的提高、線路損耗的減少和變壓器能耗的降低等間接因素，可節(jié)省20%以上的用電成本。

表3 籃球、排球場(chǎng)地的照度標(biāo)準(zhǔn)值

在辦公環(huán)境中，會(huì)議室、多功能廳是必不可少的，在這種場(chǎng)合采用LED照明更適合各種會(huì)議對(duì)光環(huán)境的要求，智能化控制的LED不但照度可調(diào)，而且可以調(diào)整色彩。可以依據(jù)會(huì)議內(nèi)容的不同調(diào)整會(huì)議室或多功能廳的照明環(huán)境，嚴(yán)肅或活潑可以自由設(shè)定，LED智能化照明可以滿足不同會(huì)議主題對(duì)光環(huán)境的需求。

按照美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)，商業(yè)建筑照明占平均用電量的38%，在用電比例上占到首位，其次是供熱通風(fēng)系統(tǒng)占30%，制冷占11%，辦公設(shè)備和計(jì)算機(jī)占6%，其他占15%排列第3位。由此可見(jiàn)商業(yè)建筑的照明是用電的主要耗能方面。

商業(yè)照明能耗比例高于辦公類照明用電的比例，長(zhǎng)期用電設(shè)備除了電梯等樓宇輔助用電設(shè)備外，主要是照明用電，尤其是大型商場(chǎng)，除了普通照明外，用電量更大的是商品櫥窗照明、商品渲染照明等大量的局部照明。

這些局部照明在我國(guó)商業(yè)領(lǐng)域近些年發(fā)展迅猛，用電量在不斷增加，在LED照明問(wèn)世之前，這部分照明光源主要以白熾燈、金鹵燈等光源為主，由于這些光源含有較強(qiáng)的紅外光，所以對(duì)商品本身有一定的傷害，同時(shí)光源的全方位發(fā)光，要強(qiáng)調(diào)商品特性則全部要靠燈具進(jìn)行配光，因此不可避免會(huì)產(chǎn)生一些光損失。而LED照明在強(qiáng)調(diào)商品特征方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性，除了具有較好的節(jié)能效果，還大幅度降低了紅外線的熱輻射，減少了熱輻射對(duì)陳列商品的損傷，同時(shí)可以利用LED光源光束指向性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)燈具的二次配光更加簡(jiǎn)便，減少了二次配光產(chǎn)生的光損失。

LED光源在局部照明、重點(diǎn)照明和區(qū)域照明方面的優(yōu)勢(shì)，能營(yíng)造出其他傳統(tǒng)照明電光源所無(wú)法比擬的高品質(zhì)光環(huán)境，非常適合商業(yè)照明領(lǐng)域?qū)ι唐返匿秩?、?qiáng)調(diào)突出，更容易引起消費(fèi)者的消費(fèi)欲望，如圖6所示。

圖6 商品渲染照明

旅館、酒店、賓館的照明運(yùn)用LED產(chǎn)品，給顧客帶來(lái)一種不一樣的感受，除了節(jié)約能源之外，還能盡顯豪華和溫馨，對(duì)業(yè)主而言，LED營(yíng)造的個(gè)性化的光環(huán)境可以充分彰顯企業(yè)的實(shí)力。

在酒吧、咖啡廳等休閑場(chǎng)所的氣氛照明方面，LED光源體積小，固態(tài)發(fā)光，給了燈飾制造商無(wú)限的發(fā)揮空間，可以專業(yè)制作各式不同風(fēng)格的LED燈飾，而LED全光譜的任意色彩和動(dòng)靜態(tài)的照明效果讓它的裝飾性和制造情調(diào)的功能在這一類場(chǎng)所表現(xiàn)得淋漓盡致。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析研究LED電光源的特點(diǎn)及其在民用建筑中使用的優(yōu)劣勢(shì)，為民用建筑中合理使用LED照明提供指導(dǎo)，避免或減少民用建筑中應(yīng)用LED照明項(xiàng)目的失敗，推動(dòng)LED電光源在民用建筑照明中的健康有序發(fā)展。另一方面，通過(guò)系統(tǒng)研究LED電光源的各類性能指標(biāo)參數(shù)及其在各類民用建筑照明中的使用情況，可以為L(zhǎng)ED燈具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供參考依據(jù)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)LED照明標(biāo)準(zhǔn)的完善，規(guī)范LED照明產(chǎn)品市場(chǎng)，推動(dòng)和促進(jìn)LED領(lǐng)域整體技術(shù)水平的進(jìn)步。

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