LED灯在民用建筑中的应用探讨

林 琼 蒋盼盼 张振峰

(南华大学土木工程学院，湖南 衡阳 421001)

0 引言

半导体发光二极管(LED)灯飞速发展，LED灯节能效果好得到了很多人的认可。现在建筑市场，都在积极推广并应用LED灯具，那么究竟如何正确选用LED灯，这个问题值得大家探讨。

对于照明，分为几个阶段：第一阶段在我国困难时期，对于照明主要是满足人们基本的视觉需求，满足能看清楚。第二阶段，为了满足照明系统的高效、节能和环保问题，从而提倡“绿色照明”。现在是第三阶段，是一个以人的身心健康为主的时代，除考虑视觉要求和能效管理以外，更需要关注人的身心健康，因此提出了“健康照明”的新概念。不合适的LED灯具，短波蓝光比重过高，从而导致使用者出现视觉疲劳，从而导致人的视力慢慢下降；更严重的是，短波蓝光会直接穿透晶状体并且直接到达视网膜，导致眼睛发生一些病变，比如黄斑病变以及白内障等等，并且对于青少年儿童的影响更为突出。

所以对LED灯提出更多的质量诉求，如灯光的色表、显色性、眩光限制,以及过度蓝光的影响、电磁辐射、频闪效应等诸多问题需要考虑和解决。

1 LED灯的发展及现状

LED的出现已有半个世纪多的历史，早在1960年就出现红光LED，随后又出现黄光、绿光LED，主要用于仪表、显示屏的背景光，直到1994年东京大学赤畸勇和中村修二等研制出蓝光LED后，很快就于1996年合成出白光LED，从而使之进入照明领域，成为继热辐射电光源、气体放电光源之后的新型光源。

LED灯有亮度大、耗能低、寿命长等特点，更为突出的是启动快捷、可靠、调光性能特优，尤以调色温和变换颜色的功能，是以往任何光源所不具备的，所以逐步霸占当今灯具市场。目前应用在景观照明、艺术照明、装饰照明，以至舞台、播演、文旅等领域，能营造各种美轮美奂的场景，极具光的神奇和魅力。

目前用于照明的LED灯还存在一些问题：市面上的大多数LED光源产品，有些只是一味追求“照明”的那种美轮美奂的效果，所以重点大多数放在了提高光效，降低成本上。部分产品色温过高，显色性不佳，光谱分布不理想，眩光大，还有谐波含量大；其次还有市场不健全，低价竞争导致产品质量不高。

2 建筑照明对LED灯的技术要求

不同使用环境对于照明的要求不同，目前新制定的LED灯标准的规定与照明设计标准的规定非常一致或接近。GB 50034—2013建筑照明设计标准和GB/T 31831—2015 LED室内照明应用技术要求，对于长时间工作或停留的场所，选用LED灯的技术要求如下：

1)一般显色指数(Ra)不应低于80(对所有光源的要求)；对道路照明，Ra不宜小于60[1]。

2)特殊显色指数R9应大于0[2]。R9为饱和红色，由于当前白光LED灯绝大多数是蓝光LED涂黄色荧光粉呈现的白光，其光谱缺乏长波段的红色。在美国提出R9为1～25可用，25～50为好，50～75则很好。日本把LED灯增加红光成分，称为“美艳色”。提高Rq对改善LED灯颜色质量意义很大。

3)灯的相关色温不宜高于4 000 K[1]。过高的色温使人感到不舒适，而且色温越高，则蓝光成分越大。

4)同类光源的色容差不应大于5 SDCM，室内洗墙照明应用时不宜大于3 SDCM；人员不长时停留场所不应大于7 SDCM[6]。

5)寿命期内LED灯的色品坐标和初始值的偏差在GB/T 7921—2008规定的CIE1976均匀色度标尺图中，不应超过0.007，GB/T 31831—2015也规定在灯点燃3 000 h后，不应超过0.007[1]。

6)LED灯在不同方向的色品坐标与其加权平均值偏差在GB/T 7921—2008规定的CIE1976均匀色度标尺图中，不应超过0.004。

7)由于LED灯为定向投光，表面亮度高，限制直接眩光更为重要。为此，灯具宜有漫射罩，否则，应有不小于30°的遮光角(当表面亮度大于500 kcd/m2时)。

8)LED灯的使用寿命不应小于25 000 h。当标称寿命为25 000 h时，工作3 000 h后的光通维持率不应小于96%，6 000 h的光通维持率不应小于92%[1]。

LED灯的色品性能(色调分级和代码)见表1。

表1 LED灯的色品性能(色调分级和代码)

3 LED照明系统的谐波和功率因数解析

3.1 谐波的危害

过大的谐波对电网和设备的危害甚多，主要有：

1)增加变压器和旋转电机的附加损耗；

2)增加配电线路的电能损耗；

3)3次谐波(包括9次、15次等)在三相四线制配电线路的中性导体(N)中呈3倍叠加，使N导体电流大增,可能导致过热而损坏,甚至引起电气火灾；

4)过大的谐波将导致功率因数(λ)降低；

5)对通信系统、电视机、导航系统、计算机等造成干扰；

6)对计量仪表导致计量误差，对继电保护造成误动或拒动。

3.2 LED灯系统的功率因数

按GB/T 31831—2015规定，LED高天棚灯、平面灯、线形灯以及功率大于5 W的筒灯，功率因数(λ)不应小于0.9,功率不大于5 W的筒灯，λ不应小于0.5[2]。

3.3 照明设备谐波限值标准

LED灯的驱动电源是电子产品，势必产生一定程度的波形畸变。国家标准GB 17625.1—2012电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16 A)，该标准的C类设备为照明设备，其谐波限值列于表2(适用有功输入功率P>25 W的灯)[4]。

表2 C类设备(有功输入功率P>25 W)谐波限值

LED灯的谐波应符合国标GB 17625.1—2012，C类设备(照明)之输入功率P≤25 W的灯，应符合下列两项要求之一：

1)谐波电流不超过表3中按灯功率确定的限值；

2)用基波电流百分数表示的3次谐波电流不应超过86%，5次谐波不超过61%(其他要求略)。

表3 每瓦允许最大谐波电流

3.4 3次谐波对三相四线制配电线路之N导体影响和解决办法

1)三相平衡时，3次谐波电流在N导体中呈3倍叠加，可按式(1)计算:

(1)

2)如果一座建筑全部或大部分装设灯功率P≤25 W的LED灯，和配电子镇流器的荧光灯，符合GB 17625.1—2012规定的P<25 W灯的3次谐波最大允许值达86%，将此值代入式(1)可得[7]:

(2)

(3)

如不采取措施，仍按IC=100 A设计,必将导致N导体严重过热而损坏(也将引起相导体过热),甚至导致电气火灾。

3)这种情况下,如何选择导体截面,按GB 50054—2011的3.2.9条规定：N导体电流大于相导体电流时，应按N导体电流选择相导体及N导体截面[5](注：适用于电缆线路和穿管线路，N导体和相导体同处一电缆内或管内，成为一个共同发热体)。

为什么，第一，如此大的谐波电流存在，导致的危害很大，第二导致了功率因数大大降低，第三是线路截面成几倍增加，显然并非经济、合理之策[7]。

4)解决方案：从根本改善的办法是，应从降低谐波含量入手，如果把3次谐波降下来了，其他问题都解决了。因此，大量选用P≤25 W的LED灯应予特别订货，即在设计时，明确提出选用低谐波产品，即选择了3次谐波或总谐波(THD)小于30%(甚至20%)的灯，虽然价格贵些，但整体成本更低。

3.5 谐波对功率因数的影响和对策

功率因数应由两个因素所致[7]：

1)移相因素，感应电动机、电感镇流器等需要供给一定的无功功率QL(电感性)，而产生φ角，使cosφ降低；

2)畸变因素，因电子器件、整流器、电子镇流器等导致波形畸变，产生多次谐波，也将使功率因数降低，由于没有φ角，不能用cosφ表述。

综合两个因素的功率因数，称之为λ(或P.F)，其表达如式(4)所示：

(4)

而：

(5)

其中，THDI为电流总谐波畸变率，%；HRIh为第h次谐波电流含有率，%。

对于LED灯，可认为cosφ=1，其λ值取决于谐波含量，按GB 17625.1—2012及表1的限值，按式(4)，式(5)计算结果如下：

P>25 W的LED灯，λ≈0.947；

P≤25 W的LED灯，λ≈0.5～0.6。

可见，只要把谐波电流降下来，λ必然提上去了。

4 LED灯的技术要求的作用

照明设计标准规定了对选用LED灯的技术要求，而LED灯产品标准也规定对生产的产品的技术质量要求。这就要求我们要将LED灯健康有序地应用[7]：

1)对于建筑市场要理性地推广应用，而不是盲目的“跟风”行动；

2)对于生产企业要致力于提高产品质量标准，扩大出口，进军国际市场；

3)工程设计和施工人员按不同使用场所，不同要求合理选用光源；

4)提高照明质量，更好地适应当今“健康照明”的新要求，创建更良好的视觉环境，有利于人们的身心健康。

5 结语

20年来我国LED灯发展迅速，取得了巨大成果，生产企业和科研部门作出了很大贡献，对照明领域的节能、环保发挥了重大作用。相信随着LED技术的不断发展，各行各业的共同努力，LED灯的各项性能会更加完美，LED灯具在建筑照明及其他领域将得到更好、更广泛的应用。