室内白光LED的节能优势及技术瓶颈

张琳琳（北京市工业设计研究院，北京 100055）

1 LED发展史

上个世纪60年代，科技工作者利用半导体PN结发光的原理，研制成了LED发光二极管。LED光源自发明以来，在这几十年的发展过程中，其封装技术从“草帽管”到“食人鱼”再到现今的薄膜倒装技术，单颗LED流明输出已从最初的0.001lm逐步发展到现在的1000lm，且已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。LED光源最初用作仪器仪表信号指示光源，后来各种光色的LED光源在交通信号灯、大面积显示屏、娱乐装饰、背光照明、室外景观及楼体照明中广泛应用。然而，对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功，这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。现如今，白光LED芯片的实验室光效也已经能达到160lm/W。发白光的LED光源的运用在国内基本是从LED隧道灯和LED路灯开始的，如今由于白光LED技术逐渐成熟，已经有越来越多的室内白光LED 灯具投入市场；虽然白光LED灯具要真正取代包括T5格栅灯、陶瓷金卤筒灯等高端传统灯具还有一个过程，但已大有替代所有传统灯具的趋势。

2 室内白光LED主流产品的技术指标

目前主流室内白光LED产品主要有：LED灯杯（替代MR16卤素灯杯）、LED灯泡（替换白炽灯球泡和蜡烛泡等）、LED灯管（替代T8和T5荧光灯管）、LED筒灯及LED格栅灯等。

从系统光效（灯具流明输出除以灯具整体功率）来说，LED筒灯和格栅灯最高，基本能达到70～80lm/W。LED灯管次之，好的产品能达到70lm/W。LED灯泡和灯杯的光效为40～60lm/W，但灯杯一般运用于重点照明，其中心光强，单位功率的光强能达到150175cd/W。室内白光LED产品的显色性Ra一般在80～85之间，色温一般在2700～5000K之间。为保证照明的舒适性，其眩光指数UGR须小于22，高端产品一般小于19。

3 室内白光LED产品与当今市场各类成熟产品相比的节能优势

室内白光LED产品在市场上推出的顺序是有一定规律可循的。某一LED产品的出现，说明其性能指标（尤其是系统光效）相对其所针对的传统产品已具有一定优势。最先推出的成熟LED白光产品直接替换了MR16卤素灯杯和T8荧光灯管的LED光源，其后才有了LED筒灯，如今市面上开始出现LED格栅灯。以下我们逐一分析这些产品相对于传统产品的节能优势。

1） 替代卤素灯杯的LED光源

以飞利浦的产品为例，一般4W的LED灯杯能替代25W卤素灯杯；7W替代35W；10W替代50W，卤素灯杯与LED灯杯主要性能对比见表1。

表1 卤素灯杯与LED灯杯主要性能对比

此表以7W的LED灯杯和35W卤素灯杯为例，因灯杯的功能主要是重点照明，中心光强是其主要指标。从表中可以看到两者的中心光强基本相同，而节能达到80%。如以每天12h的使用时间计算，不到两年就能通过节约的电费收回投资成本。这应该算是目前回收成本时间最短的LED产品了。当然还有替代白炽灯的LED球泡和替代PAR灯的LED-PAR灯系列，也都能在两年内收回投资，见表2。

表2 卤素PAR灯与LED-PAR灯主要性能对比

2） 代替T8荧光灯管的LED灯管

灯管类的产品与上述产品有很大区别，灯杯和PAR灯类光源因其自带发射器，出光效率与灯具无关，且变压器与LED光源可共用，因此在比较时，只需对比光源本身的性能即可。而灯管类的产品放在不同的灯具内，其产生的光效差别会很大（此时为灯具的系统光效），最差的为不带控光罩的荧光灯支架，最好的是配高效发射器的格栅灯，再加上镇流器的损耗（LED灯管不需要镇流器），荧光灯灯具的系统光效差不多为荧光灯光源光效的40% 75%，而且LED灯管的有效光通量与灯具的选择关系不大。性能对比见表3。

表3 荧光灯与LED灯管主要性能对比

3) 代替节能筒灯的LED筒灯

两针或四针节能灯管的光源光效约为65lm/W，而算上灯具出光效率及镇流器损耗，节能筒灯的系统光效约为35lm/W。目前飞利浦的LED中端筒灯的系统光效为70lm/W，为其两倍以上，且显色性Ra为80以上。因此，9W的LED筒灯能替代1×18W节能筒灯，15W的能替代2×18W，30W的能替代2×26W以上，节能率高于50%。从图1的照度计算对比可以看到，在10m×10m的室内安装20套2×26W的PL-C光源的筒灯，其工作面的平均照度为181lx，总功率为1.12kW。如安装20套30W的LED筒灯，其工作面的平均照度为346lx，而总功率仅为0.6kW。

4） 代替格栅灯的LED格栅灯

通过照度计算，在10m×10m的室内安装6套3×18W的T5光源的格栅灯，其工作面的平均照度与6套飞利浦45W的LED灯盘RC460B 34S 840 PSD所达到的照度相当。格栅灯的功率为60W（含镇流器），而LED灯盘系统功率仅为45W，可以看出LED格栅灯有25%的节能效果。相对LED灯杯、LED灯管和LED筒灯的节能效果，LED格栅灯是最低的。但笔者相信LED芯片的光效在未来几年仍会不断提高，并通过改善灯具的设计工艺，LED格栅灯的节能效果将能达到50%左右，大规模替换传统T5格栅灯的时代将会到来。

4 LED当今发展的局限

LED光源和灯具发展到现在，还没有很明确的行业及产品标准，因而造成了目前市场上的产品鱼龙混杂。以光效为例，有些厂商为了突出自己产品的性能，将其光效与传统灯具光源的光效混为一谈，直接使用灯具：

飞利浦 FBS145 PL-C 2×PL-C/2×2P26W Standard标识为LED芯片的实验室光效数据，高得吓人；还有些厂商将其标识为灯具光效，而不包含LED驱动电源的损耗。正确的光效值应该为灯具在其典型环境温度下工作24h后的流明输出除以灯具的系统功率，单位为lm/W。产品寿命的标注也有同样的问题，有些是用LED芯片的理论寿命10万h来代替LED灯具寿命，有些即使标明的是灯具寿命，但也没有标注流明维持率及检测时的环境温度。标准的标注方式如：70,000 hours L70 @ 25℃ ；37,000 hours L70 @ 50℃。表示在环境温度为25℃时，工作7万h，灯具的流明输出为初始的70%；而在环境温度为50℃时，工作3.7万h，灯具的流明输出为初始的70%。

空间高度：2.8m，安装高度：2.8m维护系数：0.08单位为 ：lx，比例 ：1 ：129

使用灯具：飞利浦 BBS1821×DLED-4000 PSU WH 30W

空间高度：2.8m,安装高度：2.8m，维护系统：0.80单位为lx, 比例1：129

在技术方面，LED产品也还有一些瓶颈需要突破，主要有光效、显色性和眩光。

1）光效

白光LED产品的光效只有LED芯片实验室光效数据的40%～60%，损耗的40%～60%主要在以下几大方面：

（1）LED芯片实验室所测数据，为其节温在恒定25℃的情况下，而灯具在实际使用时，因灯具散热设计及LED芯片热阻等原因，LED芯片的节温会比环境温度高出5070℃。从图2中可以看出在典型节温区，白光LED芯片的光效较25℃时损失了10%～15%；

图2 LED芯片光效与节温关系图

根据以上分析可以看出，如果某白光LED灯具采用如今量产光效最高的150lm/W LED芯片，其最终的整灯系统光效也仅能达到90lm/W，目前市场上的主流产品其系统光效一般在4080lm/W之间。因此要大幅提高LED产品的光效，不仅仅在源头上要提高LED芯片的光效，而且需要优化产品设计，减小光效的损耗。

2）色温和显色性

如前文所述，白光LED产品是从路灯和隧道灯开始替代传统产品的，目前市场上LED路灯、隧道灯主流产品的系统光效能到达75～95lm/W，明显高过室内白光LED产品。其原因就是LED路灯、隧道灯的色温一般在5000～7000K,显色性Ra一般不大于60，且基本不做眩光控制，不考虑遮光角。而这些指标在室内基础照明中是不适合的。首先，室内办公照明的色温一般为3000～ 6500K，显色性Ra要求80，而色温的高低与显色性及光效是反比关系，3000K色温的白光LED芯片的显色性最好，一般都在80以上，但其光效只有6500K色温LED芯片的85%～90%，这也是为什么LED路灯和隧道灯的色温基本上是5000K以上。而6500K及以上色温的白光LED芯片的光效最好，但显色性最差，很难做到80以上。因此LED筒灯和格栅灯盘一般是30005000K色温，否则显色性达不到办公室照明规范的要求。由此可见，室内白光LED产品在色温及显色性上与传统灯具有一定差距，且选择范围也小。

3） 配光及眩光控制

LED芯片的发展是尺寸越来越小，功率越来越大，单颗芯片的流明输出也越来越高，由此造成单位面积的光强越来越大，普通荧光灯约为7000nt，而单颗大功率LED芯片甚至能达到1×108nt以上。且室内高度低，人的视野面积小。因此室内白光LED产品的眩光控制非常重要，否则人在无意直视到LED芯片后，会造成失能眩光，强光影像在视网膜上产生滞留，引起视觉的短暂失效。目前室内白光LED灯具一般采用以下几种方式减少眩光：

（1）采用小功率LED芯片，很多LED灯管、筒灯一般采用此方式，将小功率芯片均匀分布，以减少单位面积的光强，达到减少眩光的功能。但缺点是小功率LED芯片的光效比大功率芯片低；

（2）在灯具表面加柔光膜，这种方式会比没有柔光膜的LED灯具减少10%～15%的光输出；

（3）反射照明，通过发射器将LED光源的光导向地面，而人眼看不到光源，但光效也会有些损失。此方式在LED格栅灯运用较多；

（4）增加截光角，此方式能够很好地解决眩光问题，UGR能降低到19以下，而以上三种方式的UGR一般在20甚至以上。唯一的问题是对于嵌入式安装的灯具，对天花上空的空间要求较高。

现在室内白光LED产品的市场占有率还很低，这不仅是技术性能问题，投资回报率也是主要原因之一。目前很多酒店及商场在做节能改造时，最大量地用LED灯杯替换传统的卤素灯。这是因为如果一天点灯时间为12h，不到两年，节省的电费就能收回初期投资。而LED灯杯的寿命一般在3万h以上，可以使用近7年，而以后的5年可以通过节约电费获得更大的收益。但LED灯管和LED筒灯的回收期要4～5年（一天点灯时间为12h）；LED格栅灯时间就更长，需要7～8年。因此在提高产品性能，增加节能率的同时，还需要降低产品成本。如果一个LED产品的投资回报率能在3年以内，它就能在市场上迅速替代此类传统灯具。

5 室内白光LED光源未来应用前景的展望

在文章中，我们并没有看到LED灯具与金卤光源筒灯的对比，那是因为在光效及显色性上，LED还有一定的差距。尤其是在商业照明中，如替代陶瓷金卤灯具，白光LED芯片的显色性Ra必须达到90以上，而目前主流LED芯片只在80左右，好的能做到85，还有很大差距。但笔者相信，以现在LED芯片技术突飞猛进的劲头，未来10～15年，白光LED芯片的光效将达到250lm/W，且芯片成本将由目前的100lm/$降到1000lm/$。到那时，LED光源将替换全系列现有光源，LED灯具将可以运用到所有领域，包括体育照明。白炽灯、节能灯、荧光灯甚至金卤灯可能逐渐淡出人们的视野走进博物馆，成为展柜里的展品。

［1］周志敏 纪爱华. LED照明技术与工程应用［M］. 北京：中国电力出版社 .2010.

［2］陈元灯. LED制造技术与应用（2版）［M］. 北京：电子工业出版社.2009.

[3] 周广郁. LED照明发展应对的问题探讨［J］.城市照明,2009,13(12)：37-39.