LED家居室内照明光色设计

王香娟 虞世鸣 杨洁翔

(1.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072;2.上海半导体照明工程技术研究中心，上海 201203)

1 引言

LED照明已在室外照明中得到规模化应用和发展，并逐渐进入室内照明领域。在传统白炽灯、荧光灯主导照明的年代，照明灯具的色温与照度调控难度大，室内居室照明单调，可变性弱。但是，进入LED照明灯具时代，依托LED照明所具有的优势，通过调光、调色、调温和光流动等技术手段，根据人体生理和心理的不同需求，通过工业设计等现代设计方法和手段，可以获得集照明、装饰和艺术于一体的不同效果的环境情景模式照明。

大量的工程实践证明，在室内居家照明中，主要应用的还是白光LED灯具产品，可以充分发挥RGB白光LED具有丰富的色域优势，通过编程控制其色温与光输出。单纯调光的话，也可用蓝光加荧光粉合成的白光LED，控制较RGB白光LED简单。白光LED工程实施便捷可调、体积小、隐蔽性好，便于实现室内照明的可控性，为LED在室内照明上的应用提供了雄厚的产品基础。本文以家居卧室照明为例，研究如何在家居室内照明中应用LED灯具进行光色设计。

家居室内照明光色设计流程如图1所示。

图1 LED家居室内照明光色设计流程

2 情景模式设计

2.1 光色需求分析

光色照明设计要求深入分析设计对象，综合考虑设计要素，遵循设计标准，编制设计方案，进行照明计算与灯具布置，作出艺术处理，创造环境艺术，最后进行环境评价，从而保证人工光环境的质量。

在进行光色设计时，应考虑下列内容:

1.设计对象。

包括: (1)视觉工作性质、规定的视觉功效、工作延续时间工作位置变化等; (2)使用人的组成、年龄以及其他特定的要求等; (3)照明装置用途。

2.设计因素。

包括: (1)物理因素，包括光的波长和颜色、受照空间的大小和形状、平均照度等;(2)生理因素，包括视觉工作、视觉功效等; (3)心理因素，包括静态或动态、视觉满意、视觉舒视等;(4)经济因素，包括照明系统的投资费、运行费、维护费、节能措施等。

表1 光色情景模拟

研究和计算表明人的一生有三分之一的时间是花在卧室里的，因此卧室照明，是所有房间中最需要精心设计的。

在卧室照明中，按照明的范围划分，主要分为两种照明方式:即一般照明与局部照明。一般照明中光色的设置主要是暖色调、中间色调与冷色调之分，可根据环境需求来选择光源色温，要让人们躺在床上的时候有真正在家的感觉，注重气氛的烘托。局部照明主要是床头灯光，其设置主要是暖色调光与冷色调光，暖色调光有利于人放松进入睡眠，冷色调光有利于早晨人头脑清醒。部分人习惯躺在床上看书或看电视，这时床头局部灯光的调节可以使人放松，缓解疲劳，床头灯光的另一作用是起夜时的动态调光照明。

现行国家标准规定卧室一般照明的照度为75 lx，床头照度为150 lx，色温 ＜3300K，但是这样的色温与照度取值单一，不能满足用户的生理心理变化需要。本文对100个年龄介于20～50岁的中青年的调查发现:在卧室一般照明中，对于灯具显色性要求一般的情况下，一般低色温，所需照度较低，让人感觉温馨，而高色温，人们会偏向喜欢明亮一点。如下表1中模拟情景所示，在色温为3000k时，200～400 lx的照度让人倍感温馨，800 lx以上有闷热烦躁的感觉;色温5000k时，比较偏好600 lx左右的照度;色温7000k时，偏好600～800 lx，1000 lx以上过于明亮，而照度偏低则感觉阴暗。

由于在卧室内并不会进行精细操作 (如长时间看书、劳作)，从节能角度出发，平均照度可根据实际情况在上述表1模拟照度情况下进行适当的调整降低。

2.2 光色情景模式划分

根据2.1分析，结合照明实际，可将卧室光色照明情景模式进行如表2划分。

3 照明计算

照明计算是光色情景模式设计的基础，它包括照度计算以及色度计算 (色温计算、显色指数计算)等照明功能上各种效果的计算。

图2 照度分布计算

根据不同光色情景模式需要，所选的LED灯具具有调光调色的功能。通过DIALUX软件，导入房间环境模型，输入几组参考的灯具参数，设定房间中的空间环境数据，计算不同灯具参数情况下房间中的照度与色度分布情况，如图2所示是照度分布情况计算，从中计算得到特定光色情景模式下灯具的光色参数，作为照明控制中的灯具参数。

表2 卧室光色照明情景模式

4 光色控制实现

4.1 光色控制

光色控制环节结合编程与仿真，其界面设置流程如图3所示，将各个室内房间的光色控制系统接到控制器，在控制器电脑上安装软件，监测运行状态，实现全智能控制。光色控制通过适时调整情景模式，从而体验温馨、工作、休闲等不同灯光带给人们身心的舒适。

4.2 光色稳定控制

在利用RGB白光LED进行调光调色时，由于三种颜色的驱动电流各异，所以在RGB白光LED器件芯片中需要加入一个控制电流的芯片，以控制得到稳定的光色输出。控制电流的芯片一方面可控制加载到LED各个芯片的恒定电流，防止因LED工作电流变化引起光的主波长偏移而变色，继而使白光的色温也发生变化。另一方面，可以控制通过三个RGB LED芯片的电流大小，从而使三个芯片的发光强度相应发生变化，实现三基色光混合比例随之发生变化，达到不同光色情景模式的色温与照度需要。

图3 光色控制实现界面设置流程

本文根据某实际施工项目中LED灯具的现场测试，监测LED照明工程主要照明参数，包括现场照度、色温、温度。表3中为半年来该项目测试所得数据，测试时间定于晚上7:30～8:30，原则为外界光线不影响为佳。

表3 测试数据

根据测试，得到光色情景模式统计数据，如图4、图5显示，在不同模式的使用过程中，灯具的色温与所产生的照度都产生了一定变化。另据现场体验，这种变化是可为人眼所识别的，究其原因，主要是LED的红色、绿色和蓝色光的输出，会有不同程度的减弱，随着时间的推移，RGB LED系统的颜色平衡会变换，同时室温、LED自身的散热问题等对此也有影响。

图4 色温变化

图5 照度变化

因此在进行LED照明光色控制实现时，必须加入光色稳定控制环节。

5 小结

本文遵循家居室内LED照明光色设计流程，通过照明交互中，人与物的各要素分析，确定光色需求，设置光色情景模式。利用灯光模拟设计软件，对色温与照度进行模拟分布计算，并选取特定光色情景模式的灯具参数设置。对光色情景模式进行智能控制和稳定控制，为使用者设计便捷易操作的流程，达到光色设计效果的完美实现。

［1］王香娟，虞世鸣.LED色温与显色性在室内照明设计应用的探讨 ［L］.中国科技论文在线，2010.

［2］王亚男.三基色白光LED光源照明质量改善的应用研究 ［D］.重庆大学，2008.

［3］［日］照明学会.照明手册，中国建筑工业出版社，1985.

［4］陈大华主编.绿色照明LED实用技术.北京:化学工业出版社，2009.9，P23.