室內白光LED的節能優勢及技術瓶頸

張琳琳（北京市工業設計研究院，北京 100055）

1 LED發展史

上個世紀60年代，科技工作者利用半導體PN結發光的原理，研制成了LED發光二極管。LED光源自發明以來，在這幾十年的發展過程中，其封裝技術從“草帽管”到“食人魚”再到現今的薄膜倒裝技術，單顆LED流明輸出已從最初的0.001lm逐步發展到現在的1000lm，且已能發出紅、橙、黃、綠、藍等多種色光。LED光源最初用作儀器儀表信號指示光源，后來各種光色的LED光源在交通信號燈、大面積顯示屏、娛樂裝飾、背光照明、室外景觀及樓體照明中廣泛應用。然而，對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發白光的LED開發成功，這種通過藍光LED得到白光的方法，構造簡單、成本低廉、技術成熟度高，因此運用最多。現如今，白光LED芯片的實驗室光效也已經能達到160lm/W。發白光的LED光源的運用在國內基本是從LED隧道燈和LED路燈開始的，如今由于白光LED技術逐漸成熟，已經有越來越多的室內白光LED 燈具投入市場；雖然白光LED燈具要真正取代包括T5格柵燈、陶瓷金鹵筒燈等高端傳統燈具還有一個過程，但已大有替代所有傳統燈具的趨勢。

2 室內白光LED主流產品的技術指標

目前主流室內白光LED產品主要有：LED燈杯（替代MR16鹵素燈杯）、LED燈泡（替換白熾燈球泡和蠟燭泡等）、LED燈管（替代T8和T5熒光燈管）、LED筒燈及LED格柵燈等。

從系統光效（燈具流明輸出除以燈具整體功率）來說，LED筒燈和格柵燈最高，基本能達到70～80lm/W。LED燈管次之，好的產品能達到70lm/W。LED燈泡和燈杯的光效為40～60lm/W，但燈杯一般運用于重點照明，其中心光強，單位功率的光強能達到150175cd/W。室內白光LED產品的顯色性Ra一般在80～85之間，色溫一般在2700～5000K之間。為保證照明的舒適性，其眩光指數UGR須小于22，高端產品一般小于19。

3 室內白光LED產品與當今市場各類成熟產品相比的節能優勢

室內白光LED產品在市場上推出的順序是有一定規律可循的。某一LED產品的出現，說明其性能指標（尤其是系統光效）相對其所針對的傳統產品已具有一定優勢。最先推出的成熟LED白光產品直接替換了MR16鹵素燈杯和T8熒光燈管的LED光源，其后才有了LED筒燈，如今市面上開始出現LED格柵燈。以下我們逐一分析這些產品相對于傳統產品的節能優勢。

1） 替代鹵素燈杯的LED光源

以飛利浦的產品為例，一般4W的LED燈杯能替代25W鹵素燈杯；7W替代35W；10W替代50W，鹵素燈杯與LED燈杯主要性能對比見表1。

表1 鹵素燈杯與LED燈杯主要性能對比

此表以7W的LED燈杯和35W鹵素燈杯為例，因燈杯的功能主要是重點照明，中心光強是其主要指標。從表中可以看到兩者的中心光強基本相同，而節能達到80%。如以每天12h的使用時間計算，不到兩年就能通過節約的電費收回投資成本。這應該算是目前回收成本時間最短的LED產品了。當然還有替代白熾燈的LED球泡和替代PAR燈的LED-PAR燈系列，也都能在兩年內收回投資，見表2。

表2 鹵素PAR燈與LED-PAR燈主要性能對比

2） 代替T8熒光燈管的LED燈管

燈管類的產品與上述產品有很大區別，燈杯和PAR燈類光源因其自帶發射器，出光效率與燈具無關，且變壓器與LED光源可共用，因此在比較時，只需對比光源本身的性能即可。而燈管類的產品放在不同的燈具內，其產生的光效差別會很大（此時為燈具的系統光效），最差的為不帶控光罩的熒光燈支架，最好的是配高效發射器的格柵燈，再加上鎮流器的損耗（LED燈管不需要鎮流器），熒光燈燈具的系統光效差不多為熒光燈光源光效的40% 75%，而且LED燈管的有效光通量與燈具的選擇關系不大。性能對比見表3。

表3 熒光燈與LED燈管主要性能對比

3) 代替節能筒燈的LED筒燈

兩針或四針節能燈管的光源光效約為65lm/W，而算上燈具出光效率及鎮流器損耗，節能筒燈的系統光效約為35lm/W。目前飛利浦的LED中端筒燈的系統光效為70lm/W，為其兩倍以上，且顯色性Ra為80以上。因此，9W的LED筒燈能替代1×18W節能筒燈，15W的能替代2×18W，30W的能替代2×26W以上，節能率高于50%。從圖1的照度計算對比可以看到，在10m×10m的室內安裝20套2×26W的PL-C光源的筒燈，其工作面的平均照度為181lx，總功率為1.12kW。如安裝20套30W的LED筒燈，其工作面的平均照度為346lx，而總功率僅為0.6kW。

4） 代替格柵燈的LED格柵燈

通過照度計算，在10m×10m的室內安裝6套3×18W的T5光源的格柵燈，其工作面的平均照度與6套飛利浦45W的LED燈盤RC460B 34S 840 PSD所達到的照度相當。格柵燈的功率為60W（含鎮流器），而LED燈盤系統功率僅為45W，可以看出LED格柵燈有25%的節能效果。相對LED燈杯、LED燈管和LED筒燈的節能效果，LED格柵燈是最低的。但筆者相信LED芯片的光效在未來幾年仍會不斷提高，并通過改善燈具的設計工藝，LED格柵燈的節能效果將能達到50%左右，大規模替換傳統T5格柵燈的時代將會到來。

4 LED當今發展的局限

LED光源和燈具發展到現在，還沒有很明確的行業及產品標準，因而造成了目前市場上的產品魚龍混雜。以光效為例，有些廠商為了突出自己產品的性能，將其光效與傳統燈具光源的光效混為一談，直接使用燈具：

飛利浦 FBS145 PL-C 2×PL-C/2×2P26W Standard標識為LED芯片的實驗室光效數據，高得嚇人；還有些廠商將其標識為燈具光效，而不包含LED驅動電源的損耗。正確的光效值應該為燈具在其典型環境溫度下工作24h后的流明輸出除以燈具的系統功率，單位為lm/W。產品壽命的標注也有同樣的問題，有些是用LED芯片的理論壽命10萬h來代替LED燈具壽命，有些即使標明的是燈具壽命，但也沒有標注流明維持率及檢測時的環境溫度。標準的標注方式如：70,000 hours L70 @ 25℃ ；37,000 hours L70 @ 50℃。表示在環境溫度為25℃時，工作7萬h，燈具的流明輸出為初始的70%；而在環境溫度為50℃時，工作3.7萬h，燈具的流明輸出為初始的70%。

空間高度：2.8m，安裝高度：2.8m維護系數：0.08單位為 ：lx，比例 ：1 ：129

使用燈具：飛利浦 BBS1821×DLED-4000 PSU WH 30W

空間高度：2.8m,安裝高度：2.8m，維護系統：0.80單位為lx, 比例1：129

在技術方面，LED產品也還有一些瓶頸需要突破，主要有光效、顯色性和眩光。

1）光效

白光LED產品的光效只有LED芯片實驗室光效數據的40%～60%，損耗的40%～60%主要在以下幾大方面：

（1）LED芯片實驗室所測數據，為其節溫在恒定25℃的情況下，而燈具在實際使用時，因燈具散熱設計及LED芯片熱阻等原因，LED芯片的節溫會比環境溫度高出5070℃。從圖2中可以看出在典型節溫區，白光LED芯片的光效較25℃時損失了10%～15%；

圖2 LED芯片光效與節溫關系圖

根據以上分析可以看出，如果某白光LED燈具采用如今量產光效最高的150lm/W LED芯片，其最終的整燈系統光效也僅能達到90lm/W，目前市場上的主流產品其系統光效一般在4080lm/W之間。因此要大幅提高LED產品的光效，不僅僅在源頭上要提高LED芯片的光效，而且需要優化產品設計，減小光效的損耗。

2）色溫和顯色性

如前文所述，白光LED產品是從路燈和隧道燈開始替代傳統產品的，目前市場上LED路燈、隧道燈主流產品的系統光效能到達75～95lm/W，明顯高過室內白光LED產品。其原因就是LED路燈、隧道燈的色溫一般在5000～7000K,顯色性Ra一般不大于60，且基本不做眩光控制，不考慮遮光角。而這些指標在室內基礎照明中是不適合的。首先，室內辦公照明的色溫一般為3000～ 6500K，顯色性Ra要求80，而色溫的高低與顯色性及光效是反比關系，3000K色溫的白光LED芯片的顯色性最好，一般都在80以上，但其光效只有6500K色溫LED芯片的85%～90%，這也是為什么LED路燈和隧道燈的色溫基本上是5000K以上。而6500K及以上色溫的白光LED芯片的光效最好，但顯色性最差，很難做到80以上。因此LED筒燈和格柵燈盤一般是30005000K色溫，否則顯色性達不到辦公室照明規范的要求。由此可見，室內白光LED產品在色溫及顯色性上與傳統燈具有一定差距，且選擇范圍也小。

3） 配光及眩光控制

LED芯片的發展是尺寸越來越小，功率越來越大，單顆芯片的流明輸出也越來越高，由此造成單位面積的光強越來越大，普通熒光燈約為7000nt，而單顆大功率LED芯片甚至能達到1×108nt以上。且室內高度低，人的視野面積小。因此室內白光LED產品的眩光控制非常重要，否則人在無意直視到LED芯片后，會造成失能眩光，強光影像在視網膜上產生滯留，引起視覺的短暫失效。目前室內白光LED燈具一般采用以下幾種方式減少眩光：

（1）采用小功率LED芯片，很多LED燈管、筒燈一般采用此方式，將小功率芯片均勻分布，以減少單位面積的光強，達到減少眩光的功能。但缺點是小功率LED芯片的光效比大功率芯片低；

（2）在燈具表面加柔光膜，這種方式會比沒有柔光膜的LED燈具減少10%～15%的光輸出；

（3）反射照明，通過發射器將LED光源的光導向地面，而人眼看不到光源，但光效也會有些損失。此方式在LED格柵燈運用較多；

（4）增加截光角，此方式能夠很好地解決眩光問題，UGR能降低到19以下，而以上三種方式的UGR一般在20甚至以上。唯一的問題是對于嵌入式安裝的燈具，對天花上空的空間要求較高。

現在室內白光LED產品的市場占有率還很低，這不僅是技術性能問題，投資回報率也是主要原因之一。目前很多酒店及商場在做節能改造時，最大量地用LED燈杯替換傳統的鹵素燈。這是因為如果一天點燈時間為12h，不到兩年，節省的電費就能收回初期投資。而LED燈杯的壽命一般在3萬h以上，可以使用近7年，而以后的5年可以通過節約電費獲得更大的收益。但LED燈管和LED筒燈的回收期要4～5年（一天點燈時間為12h）；LED格柵燈時間就更長，需要7～8年。因此在提高產品性能，增加節能率的同時，還需要降低產品成本。如果一個LED產品的投資回報率能在3年以內，它就能在市場上迅速替代此類傳統燈具。

5 室內白光LED光源未來應用前景的展望

在文章中，我們并沒有看到LED燈具與金鹵光源筒燈的對比，那是因為在光效及顯色性上，LED還有一定的差距。尤其是在商業照明中，如替代陶瓷金鹵燈具，白光LED芯片的顯色性Ra必須達到90以上，而目前主流LED芯片只在80左右，好的能做到85，還有很大差距。但筆者相信，以現在LED芯片技術突飛猛進的勁頭，未來10～15年，白光LED芯片的光效將達到250lm/W，且芯片成本將由目前的100lm/$降到1000lm/$。到那時，LED光源將替換全系列現有光源，LED燈具將可以運用到所有領域，包括體育照明。白熾燈、節能燈、熒光燈甚至金鹵燈可能逐漸淡出人們的視野走進博物館，成為展柜里的展品。

［1］周志敏 紀愛華. LED照明技術與工程應用［M］. 北京：中國電力出版社 .2010.

［2］陳元燈. LED制造技術與應用（2版）［M］. 北京：電子工業出版社.2009.

[3] 周廣郁. LED照明發展應對的問題探討［J］.城市照明,2009,13(12)：37-39.