民用建筑中LED照明的应用研究

代 丹 / 陈寅生

(中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120)

LED作为一种新型电光源，国家对LED照明的相关标准出台相对滞后，且产品质量良莠不齐，造成选用后患。虽然国际乃至国内已经出台了一些规范和标准，但关于LED光源的光电参数指标还有一些争论尚未定论，从而导致照明设计人员对这一新型电光源不敢轻易采用。由于LED照明光源的发光机理、光谱特性等均与传统的照明光源有很大的不同，为了将LED在民用建筑领域中应用好，本文在对LED光源的光电参数进行分析的基础上，讨论LED在民用建筑中的适用性。

国内LED光源用于道路照明、隧道照明的实际应用案例已有很多，报刊杂志均有许多报道，但是真正用于民用建筑领域照明的案例还很少，尤其是大功率LED光源用于民用建筑领域的室内照明。原因之一是关于蓝光对人体健康的影响问题，部分民用建筑领域中，一些工作人员会长期工作在电光源照明的环境下，而不同于行人夜间在马路上行走只是短期暴露在电光源环境下，这些光是否会影响人体健康、它的色彩还原如何都要认真考虑。所以民用建筑的LED照明对人体健康的影响与道路照明有很大的不同，需要进行深入分析。

1 LED照明技术指标分析

LED光源的物理特性和光学特性与LED照明产品质量的好坏息息相关。目前国内产品的实际情况如何以及与传统光源的对比情况怎样，本节对部分LED产品进行测试分析。

1.1 15W无极荧光灯与15W LED球泡灯对比测试

本文对福建某源光公司生产的15W无极荧光灯和贵州某公司生产的15W LED球泡灯进行了光谱特性、光通量、功率等参数的比对测试，测试仪器分别采用杭州远方光电信息有限公司生产的远方PMS-80_V1系统，软件版本号为V2.00.125，功率因数、高次谐波含量采用杭州远方光电信息有限公司生产的PF9811智能电量测量仪进行测试。光学参数测试结果如表1所示。

表1 15W无极荧光灯与15W LED球泡灯光学参数对比

从表1可以看出，在输入功率基本相同的情况下，根据产生的光通量数据计算，该对比测试组无极荧光灯光通量和光电效率分别为LED灯的62.075%和60.475%，但由于该无极荧光灯的输入功率略大于LED灯的输入功率，因此该LED灯在与无极荧光灯同等照度情况下，比无极荧光灯节能约40%，根据光电效率指标和辐射通量指标，可以验证节能效果。

图1 15W无极荧光灯和LED灯3～11次谐波与限值

类别色温(K)显色指数(Ra)光通量(lm)辐射通量(W)光效(lm/W)功率(W)功率因数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

所测15W无极荧光灯在测试期间的瞬间有功功率变化范围为14.80W～15.51W，这一现象说明该灯的高次谐波对电光源功率本身的影响，功率波动约占5%，虽然不高，但也会影响发光强度，但人们的肉眼无法察觉到光强的变化。

如图1所示，对照测试的15W LED灯各项指标优于15W无极荧光灯，并满足国家GB 17625.1标准，尤其在高次谐波含量和功率因数两项指标上，占有很大优势，如果大量采用，既能保证局域电网的电能质量，又能满足节能要求。

1.2 7.5W(L=0.6m)LED支架灯光学参数测试

对于民用建筑照明，18W(L=0.6m)荧光灯是比较常见的电光源，因此多数LED生产厂商都有对应长度的LED支架灯与其对应。考虑到未来大量取代更换问题，本文对该长度LED支架灯进行了测试。

测试灯的色温涵盖常用范围分别为2 700K、3 000K、3 500K、4 000K、4 500K、5 000K、5 700K、6 500K共8种色温，考虑到单只测试会具有偶然性，因此每种色温选5支，对光学参数进行测试，各色温5次测试的平均结果如表2所示。

从表2可以看到每组数据十分接近，尤其是功率因数，基本上在0.94左右。对于光学参数中的主要参数光通量来说，同色温情况下的光通量变化幅度不超过4%。通过各组的平均值分析得到色温(K)与光辐射通量(W)的关系(见图2)，从这一曲线可以看到，所测7.5W LED支架灯的光辐射通量基本上在2W左右，占灯系统输入功率的27%，但随着色温的不同，光的输出能量也随之略有变化，变化幅度约10%，在2 700K～6 500K的范围内，光输出效率为输入功率的25%～30%，总体来说，高色温的LED电光源转换效率更高、更加节能。

图2 色温(K)与光辐射通量(W)的关系

2 LED在民用建筑中的适用性

2.1 档案和博览建筑照明

在《档案保护学》中列出光对档案制成材料的危害有：红外光的热效应、可见光的氧化反应和紫外光的褪色反应。这三种光对档案都有不同的影响，对于档案来说，365nm的紫外光影响较大，褪色反应速度较快，无论采用荧光灯照明还是其他传统光源照明，都会有这部分光的存在，只是量的大小而已。荧光灯的这部分光虽然较小(见图3)，但也不能消除这部分能量。因此在《档案馆建筑设计规范》(JGJ 25-2010)中明确要求防日光直射和紫外线照射，其5.5.2节规定当紫外线含量超过75μW/lm时，应采取防紫外线的措施。

图3 某品牌5 000K直管荧光灯光谱

博物馆的展品保护也同样存在这部分光危害问题，紫外辐射是引起展品变褪色的主要原因。同时红外辐射还可能使展品的温度上升，从而使展品产生干化、变形、裂纹等损坏现象。为了保护文物，国家标准《博物馆照明设计规范》(GB/T 23863-2009)提出了更加严格的要求，第7.1节指出：应减少灯光和天然光中的紫外辐射，使光源的紫外线相对含量小于20μW/lm。

蓝光激发YAG荧光粉的LED照明光源的出现，有效地解决了电光源的紫外线辐射和红外线辐射问题，从图4的白光LED典型光谱中可以看到，采用蓝光激发YAG荧光粉的LED照明光源，光谱中不含紫外光和很少量的红外光，这对于档案和文物的保护起到了很好的作用。

图4 白光LED典型光谱

以美国某公司2010年产品ESAADR414CWDSGCFF12035K筒灯为例：整灯功率25.73W，光通量1 280lm，在360nm波长的光功率为0.06mW，每流明仅含0.05μW能量，800nm～850nm波段的红外光含量从0.36mW逐步降低至0.10mW。同样为该公司2010年产品ESAADR842CWDSGCFF12035K工矿灯：整灯功率79.1W，光通量12 350lm，在360nm波长的光功率为0.12mW，每流明仅含0.01μW能量，800nm～850nm波段的红外光含量从1.11mW逐步降低至0.32mW。

从上述2例可以看出，采用蓝光激发YAG荧光粉的LED照明不但紫外光含量很低，而且红外光的含量也很低，取代荧光灯用于档案保存，阅览、展示等场合，使电光源对档案、文物的不利影响减到最低水平，目前使用的其他任何光源都不可能达到LED的水平。

2.2 医院照明

随着医疗仪器设备技术水平的不断提高，智能化的医疗仪器越来越普遍，这些设备对供电质量的要求也在不断提高，局域电网的高次谐波和其他用电设备产生的电磁骚扰电压，可能会对这些医疗仪器的正常运行产生不利影响，因此对于医院用电设备所产生的高次谐波指标和电磁骚扰电压指标要求应高于一般场合。对于医院来说，除去医疗设备外，很大一部分用电是照明设备，虽然照明设备的每盏照明灯系统功率不大，所产生的高次谐波含量也不会很高，但由于使用数量较多，部分高次谐波产生叠加，反映到局部电网的高次谐波总含量往往比较高，因此这项指标是不容忽视的。

通过LED照明技术指标分析可以得出，LED照明灯系统的高次谐波含量约比荧光灯的高次谐波含量少一个数量级，从这一技术指标看，LED灯用于医院照明可以有效降低高次谐波的含量，更有利于保证医疗仪器设备的正常运行。

如果在医院大量使用LED照明，则不能忽略LED发光指向性强和眩光问题。在病房的普通照明应用中，首先应考虑病人的健康、情绪、睡眠等问题，其次是节能。因此灯具和电光源色温的选择十分重要，应尽可能减少眩光，并减少灯光对人体褪黑激素的影响，所以建议采用平板型(见图5)、低色温LED照明灯系统。

图5 平板型LED灯

图5所示平板型LED灯，采用了PV材料作为光源面，发光均匀，有效克服了眩光问题，用于病房普通照明时，几乎感觉不到眩光所带来的不舒适感，若同时配以3 000K～4 000K色温，则可使病人在视觉上产生一种舒适感。虽然这种灯是以牺牲部分光效来换取低眩光指数，但从以人为本的角度，对病人的康复有一定的好处。

2.3 机场、车站和码头照明

机场的候机楼和车站的候车室空间高度通常比办公、商厦要高，采用传统电光源照明势必存在维护更换问题，而这类场合的人流几乎24h不间断，无论采取何种方式维护，都对旅客有影响，采用LED照明可以大大减少维护次数，同时节省大量照明用电。

LED照明更容易保证照度指标，由于这种场合人员流动性大，安全防范是重点，可以采用高色温LED进行照明，可以提高候机、候车人员的兴奋度，保持一定的警觉性。

对于站台、码头等室外通风条件好的场合，更有利于LED的散热，可有效保证使用寿命，减少维护次数。这种场合通常是夜晚照明，采用高色温LED，在同样的用电功率下，可以相对提高亮度，在节能问题上，可产生较大的效果。以停机坪的20m高杆灯照明为例，一般情况下，采用金卤灯照明，每盏灯的功率为1kW，每个灯杆需要安装6～10盏灯，若采用LED照明每盏灯的安装功率为450W，可以减少50%以上的照明能耗。直接效益已是十分可观，再加上由于安装功率的减少，导线截面的变化，既可减少铜的消耗，又可减少一次性投资；加上电流的降低，使得线路损失和变压器损耗下降，所得到的间接效益也大大提高。

从维护角度分析，采用传统光源的高杆灯，大约10个月左右需要进行维护(更换光源)，若采用LED照明，将光源和电源驱动分开，可以做到10年不换光源，减少了大量高空作业，大大减少升降机的台班作业。

2.4 体育场馆照明

体育场馆的照明分类较细，在《体育场馆照明设计及检测标准》(JGJ 153-2007)中对篮球、排球场地的照明标准规定如表3所示。

2.5 办公和商业照明

写字楼、办公楼的用电能耗在不考虑空调和采暖的情况下，主要为计算机、复印机、打印机、电梯、饮水机等辅助设备和照明设备几大用电种类，虽然办公设备的能耗支出比例较大，但是根据飞利浦照明公司统计，办公照明能耗仍然占到办公用电能耗的35%。由于计算机、复印件、打印机等办公设备的用电节能空间很小。能够产生节能效果的用电设备集中在照明方面。

在同等照度情况下，用LED照明取代荧光灯，取代功率安装系数按照0.4计算，仅办公用电直接成本降低20%，若考虑功率因数的提高、线路损耗的减少和变压器能耗的降低等间接因素，可节省20%以上的用电成本。

表3 篮球、排球场地的照度标准值

在办公环境中，会议室、多功能厅是必不可少的，在这种场合采用LED照明更适合各种会议对光环境的要求，智能化控制的LED不但照度可调，而且可以调整色彩。可以依据会议内容的不同调整会议室或多功能厅的照明环境，严肃或活泼可以自由设定，LED智能化照明可以满足不同会议主题对光环境的需求。

按照美国能源部统计，商业建筑照明占平均用电量的38%，在用电比例上占到首位，其次是供热通风系统占30%，制冷占11%，办公设备和计算机占6%，其他占15%排列第3位。由此可见商业建筑的照明是用电的主要耗能方面。

商业照明能耗比例高于办公类照明用电的比例，长期用电设备除了电梯等楼宇辅助用电设备外，主要是照明用电，尤其是大型商场，除了普通照明外，用电量更大的是商品橱窗照明、商品渲染照明等大量的局部照明。

这些局部照明在我国商业领域近些年发展迅猛，用电量在不断增加，在LED照明问世之前，这部分照明光源主要以白炽灯、金卤灯等光源为主，由于这些光源含有较强的红外光，所以对商品本身有一定的伤害，同时光源的全方位发光，要强调商品特性则全部要靠灯具进行配光，因此不可避免会产生一些光损失。而LED照明在强调商品特征方面具有独特的优越性，除了具有较好的节能效果，还大幅度降低了红外线的热辐射，减少了热辐射对陈列商品的损伤，同时可以利用LED光源光束指向性强的特点，对灯具的二次配光更加简便，减少了二次配光产生的光损失。

LED光源在局部照明、重点照明和区域照明方面的优势，能营造出其他传统照明电光源所无法比拟的高品质光环境，非常适合商业照明领域对商品的渲染、强调突出，更容易引起消费者的消费欲望，如图6所示。

图6 商品渲染照明

旅馆、酒店、宾馆的照明运用LED产品，给顾客带来一种不一样的感受，除了节约能源之外，还能尽显豪华和温馨，对业主而言，LED营造的个性化的光环境可以充分彰显企业的实力。

在酒吧、咖啡厅等休闲场所的气氛照明方面，LED光源体积小，固态发光，给了灯饰制造商无限的发挥空间，可以专业制作各式不同风格的LED灯饰，而LED全光谱的任意色彩和动静态的照明效果让它的装饰性和制造情调的功能在这一类场所表现得淋漓尽致。

3 结束语

通过分析研究LED电光源的特点及其在民用建筑中使用的优劣势，为民用建筑中合理使用LED照明提供指导，避免或减少民用建筑中应用LED照明项目的失败，推动LED电光源在民用建筑照明中的健康有序发展。另一方面，通过系统研究LED电光源的各类性能指标参数及其在各类民用建筑照明中的使用情况，可以为LED灯具的设计和生产工艺改进提供参考依据，促进国内LED照明标准的完善，规范LED照明产品市场，推动和促进LED领域整体技术水平的进步。

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