典型场所LED照明设计要点及应用实例

刘 明，侯建成

(天津市建筑设计院，天津 300074)

引言

照明作为民用建筑的重要组成部分，其用电量约占全国总用电量的13%以及整个建筑电气能耗的33%[1]。因此，在电气设计人员进行照明设计时，选用高效的照明灯具对民用建筑具有节能降耗的重要意义。随着LED相关技术的不断成熟和完善，LED光源以其众多独特优势，得到了照明行业的广泛认同，已在民用建筑得到了广泛的应用[2，3]。然而，作为新型点光源，LED光源在照明设计时与传统线光源和面光源多有不同，遵循传统设计原则难以物尽其用，同时LED光源在不同类型建筑进行照明设计时亦有不同。通过分析近几年LED照明设计的相关文献，总结了LED照明设计时的相关设计原则，并以工厂车间和网球训练场地的照明设计进行仿真分析加以验证。

1 LED照明设计的注意事项

1.1 LED光源的优点

LED光源作为新型固体绿色光源，可直接把电能转化为光能，是现阶段光效发展更新最快的光源，与其他传统发光器件相比，LED光源的优点可归纳为以下几点[4，5]：

1)节能、环保、无污染。

2)响应时间快，响应时间可控制在纳秒级，其他传统光源难以企及。

3)体小量轻、结构牢固，使LED光源在照明设计时的灵活性增加，同时打破了传统灯具设计时的各种局限性。

4)高效寿命长，大大降低运行维护成本，尤其在特殊场合及高大空间。

5)易于控制，可通过改变电流的大小来控制发光亮度及色温改变，也可通过采用相应类别的LED光源产生丰富的色彩变化，以满足相应场所与用户感官的不同需求。

6)光源的方向性好，通过合理的二次配光设计，可达到定向照明，其投射到参考平面上的光通量相对较多，故利用系数一般较高，在0.8～0.9之间，在一定条件下其利用系数甚至可超过1.0[6]。但此特性也是其产生眩光的原因，因此在设计时需特别注意灯具的摆位和二次配光设计，尽量减少眩光影响。

1.2 LED光源的缺点

尽管LED光源有着明显优于传统光源的众多特性，但其并不是完璧无瑕的，在使用和照明设计时应加以注意，主要有[4，5]：

1)初始投资费用高、光衰问题以及散热问题。

2)产品的一致性问题，产品性能良莠不齐，更新换代迅速，易造成产品的兼容性存在问题。

3)视觉差异性和蓝光效应，LED光源多数采用蓝色LED芯片激发黄色荧光粉实现白光，这就造成很多LED灯具的成品R9(红色还原性)小于0，同时蓝光、绿光、黄光范围在LED的光谱中比例较大，而红光范围却比较狭窄，容易造成视觉的不舒适，因此LED光源在中小学教室、医院病房等场所的应用存在争议，解决此问题需增加相应的成本。

4)配光问题，多个LED光源器件组合而成的LED灯具发光面是多个发光中心的集合，导致其发光特性不如白炽灯和荧光灯的光色均匀性好，另外由于定向输出的特性造成LED灯具的表面亮度高，因此排除显色指数和色温的影响，LED灯具的眩光限制要求更高。

通过LED光源的优缺点，可总结其在各种照明设计常见场所的适用性如表1所示。

1.3 照度计算

在进行LED照明设计时，亦可采用利用系数法计算得出平均照度，如式(1)、式(2)所示[7]。

表1 LED光源在各种设计常见场所的适用性

Eav=NΦUK/A

(1)

式(1)为一般灯具的平均照度计算公式，式中Eav为工作面上的平均照度，lx；Φ为光源的光通量，lm；N为光源数量；U为利用系数；A为工作面面积，m2；K为灯具的维护系数。

Eav=NΦ1UηK/A

(2)

式(2)为投光灯灯具的平均照度计算公式，式中，Eav为被照面上的平均照度，lx；Φ1为投光灯中光源的光通量，lm；N为投光灯数量；U为利用系数；η为灯具效率；A为被照面面积，m2；K为灯具的维护系数。

LED灯具因其光学类型的不同，利用系数差别较大，照明设计中需结合选型向灯具生产商求取利用系数值，做到计算精确。当需获取更高的计算精确度时，LED照明计算可采用逐点计算的方法，对于照明质量要求高同时功能复杂的场所建议通过计算机模拟仿真的方法进行LED照明计算。

2 LED照明设计要点

2.1 办公场所的LED照明设计要点

办公室LED的照明设计应结合办公行为以均匀性、舒适性为总体设计原则，考虑工程的初始投资，并应满足以下要求[8,9]：

1)选择合适的光源色温及显色指数，在办公场所中一般选择色温≤4 000 K，显色指数选择Ra≥80，红色还原性R9>0。

2)照度均匀度和照度水平：合理布置灯具，通常采用统一间距的布置灯具方法，使照度均匀以及办公室最大、最小照度与平均照度之差小于平均照度的1/3；办公场所的照度应满足使用要求，一般为300～500 lx。

3)舒适度和眩光控制：防止眩光的措施主要是限制光源亮度，合理布置光源，办公室的一般照明宜设计在工作区的两侧，不宜将灯具布置在工作位置的正前方。采用LED格栅灯或者LED面板灯，可使工作空间光线均匀，并减少眩光，当采用LED日光灯时宜使灯具纵轴与水平视线平行。如使光源在视线45°范围以上，应形成遮光角或用不透明材料遮挡光源。

4)节能环保：应选用高光效LED光源，高效率、长寿命、配光合理的LED灯具，高性能、长寿命附件等。配光一般选择蝙蝠翼配光，使光强能均匀而分布较宽。

2.2 工业厂房的LED照明设计要点

工业LED照明设计应在满足特定照度和显色性的基础上保证工人的舒适度和安全性，合理的照明设计使整个地面区域和工作面的照明等级达到均衡，并应满足以下基本要求[10,11]：

1)保证照度要求并考虑工作面和环境亮度的对比，以满足提高效率和安全生产的需要。

2)在生产中的高速运转环节、失误概率高、没有窗户或自然光、夜间仍需工作以及年长工人所在的地点或区域，建议提高照度以降低出错率并采用较好显色性的LED光源。

3)选用高效节能、寿命长、安全可靠、故障少、维护措施简单的LED光源，以减少耗电量、维护量，同时节约运维投入。

4)根据需求确定LED灯具的防水防尘等级，在有爆炸危险的场所应选用防爆LED灯具。

2.3 体育场馆的LED照明设计要点

在国外，LED照明在体育场馆中的应用已有较多成功案例，如美国网球公开赛决赛场地、NRG体育场、马德里竞技足球俱乐部新球场、尤文图斯球场。在国内，LED照明应用于正式比赛的体育场馆正逐渐增多，天津人民体育馆是国内体育场馆LED照明应用的一个成功范例；LED照明应用于体育训练场馆已经相当成熟，位于天津健康产业园的2017全运会训练场馆的场地已全部使用LED照明。

体育馆往往具有综合性的特点，这就要求其照明也应满足多功能的需求，其应在满足相应体育赛事比赛和直播要求的同时，亦应满足现场观众等各类人员的视觉要求。另外，除了承办相关体育赛事，体育场馆往往还会承办各种商业演出，应保证足够的照度水平。为保证实况转播以及多功能的照明需求，体育馆场馆照明需进行多方案比较。为最大限度满足照度标准和照明质量的要求，体育馆LED照明设计应满足以下基本要求[12]：

1)照度及照度均匀度：合理的照度以及照度均匀度可以保证运动员的正常发挥以及裁判的精确判断，同时还能确保观看者的观看舒适度。在进行LED照明设计时，多功能的体育场馆应满足多种不同的照度需求。当水平照度和垂直照度相等时，体育场馆视觉效果达到最佳，即使不能做到相等，垂直照度也不应小于水平照度的二分之一。

2)眩光：眩光会对运动员的发挥产生重大影响，特别是球类运动，由于眩光运动员无法准确判断球的走向和落点。LED光源由于定向输出以及表面亮度高的特性，在设计时应通过合理的投光角度、布置高度以及配光设计尽量减少眩光。

3)光色和显色性：体育场馆内的LED光源应保证尽量好的显色性和较强的色彩对比，让运动员有更精准的判断。

4)为满足体育场馆的多功能照明需求，可以通过控制灯光回路方案来满足相应的照明需求，因此其需要完善的LED灯光回路方案，从而简化操作流程，降低运行成本。

5)进行LED灯光布置时，应对场地平面图进行详细的分析，并通过计算机进行仿真计算，确定合理的灯具排布和不同的开灯模式，以满足训练、不同等级比赛以及商业活动的照度要求。

2.4 车库的LED照明设计要点

车库LED的照明设计应以考虑照明节能为主要因素，并应满足以下要求[13]：

1)光源：宜选用光效大于80 lm/W的LED光源，由于车库层高一般较低，故灯具功率不易过大，配光角度不易过小，以提高照度均匀度，色温选择为4 000～4 500 K。

2)合理布置灯位：行车主道应均匀布置灯具，每个车位上方宜布置一盏灯具，在车库入口处，灯具的布置应适当缩小并对照度适当提高，以便于视觉上形成一个明暗适应的过程。车库出入口露天的灯具宜采用墙面嵌入安装并选用投光灯具，防护等级应在IP55以上，灯具投射地面，应尽量减少眩光。

3)考虑照明节能，LED灯具应加智能控制方式，并设计合理的智能调光方案。

除上述设计要点外，典型场所的LED照明设计还应注意的事项如表2所示。

表2 典型场所的LED照明设计注意事项

3 设计实例

3.1 工厂车间

此实例为某电气传动公司工厂车间的照明改造设计，该工厂车间主要生产电机、驱动产品及发电机。工厂车间原安装的照明设备是480 W(含镇流器)金卤灯，已经出现了光衰严重、照度不够、维护费用逐年升高且运行成本高昂等问题。针对这些问题，本次照明设计使用LED灯具进行替换，采取一般照明方式，具体照明设计指标为工作面平均照度500 lx，Ra>70，4 000 K色温，工作面均匀度应大于0.7，其中周边均匀度可用地面均匀度取代，均匀度不应小于0.5，并根据需求增加局部照明，局部照明的工作面照度为1 000～2 000 lx，工作面选取范围为距墙3.75 m。

图1 工厂车间的灯具布置方案Fig.1 Arrangement of the luminaires in factory workshop

本项目照明设计方案采用213 W的LED灯具一对一替换原有480 W金卤灯，灯具安装高度为12 m，纵向间距为7.5 m，横向间距为5 m，至墙面距离分别为2.5 m和3.75 m，灯具总使用数量为220盏，为适应复杂的工厂车间环境，选用防水防尘等级至少为IP65的灯具，具体布置方案如图1所示。

LED灯具的选型为GL2 Compact5，其配光曲线、相关参数如图2、表3所示。

图2 工厂车间选用灯具的配光曲线Fig.2 Light distribution curve of the luminairesselectedin factory workshop

表3 工厂车间选用灯具的相关参数

通过DIALux照明仿真软件进行仿真，其仿真照度如图3所示，照明仿真结果如表4所示。该结果满足工厂车间照度均匀度、照度标准的实际应用需求并有所优化。

表4 工厂车间的照明仿真结果

3.2 网球训练场地

此实例为某个体育训练馆内大小为36.5 m×19 m的网球训练场地，采取一般照明方式，场地内平均照度>750 lx，Ra>65，5 700 K色温，场地内均匀度应大于0.7，周边均匀度不小于0.5，并参照《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)相关要求进行照明设计。具体布置方案如图4所示，采用48盏LED灯具，安装高度为10 m，灯光回路分为专业比赛、业余比赛和专业训练、训练和娱乐活动以及清扫模式四种方案，满足其多功能的照明需求。

图3 工厂车间仿真照度图Fig.3 Simulated illuminance result in factory workshop

图4 网球训练场地的灯具布置方案Fig.4 Arrangement of the luminaires in tennis training ground

灯具选型为BVP283 LED210NW，功率210 W、光通量21 000 lm、显色指数75、色温5 700 K，具体配光曲线如图5所示。

图5 网球训练场地选用灯具的配光曲线Fig.5 Light distribution curve of the luminaires selected in tennis training ground

通过DIALux照明仿真软件进行仿真，其仿真照度如图6所示，照明仿真结果如表5所示。该结果满足网球训练场地照度均匀度、照度标准的实际应用需求并有所优化。

图6 网球训练场地仿真照度图Fig.6 Simulated illuminance result in tennis training ground

表5 网球训练场的照明仿真结果

4 结论

本文对比分析了典型场所的LED照明设计要点，并通过设计实例加以验证，得出结论如下：

1)LED照明设计应满足相关场所的照度、均匀度、光色以及显色性要求，相关参数应参照现行GB 50034《建筑照明设计标准》及相关标准执行。

2)由于LED光源的表面亮度高以及定向输出的特性，应通过合理的布置和配光设计尽量减少眩光。

3)在多功能、对灯光调节有要求的场所，应预留完善的灯光控制回路，并宜采用智能控制方案。

4)LED照明计算一般可采用利用系数法计算平均照度，当为了获得较高的计算精确度时，可采用逐点计算的方法，对于照明质量要求高同时功能复杂的场所建议通过计算机模拟仿真的方法进行LED照明计算。

5)LED灯具因其光学类型的不同以及灯具的差别，利用系数也不同，在实际照明设计中需向灯具生厂商求取利用系数值，做到计算精确。