談LED在建筑電氣設計中的應用

李 寧 / 郭曉巖 / 唐 迪

(中國建筑東北設計研究院有限公司， 遼寧 沈陽)

1 前言

照明是民用建筑必不可少的重要內容。據統計，我國照明用電量約占全國總用電量的13%。作為建筑電氣能耗的主要部分，照明能耗又占整個建筑電氣能耗的近1/3，可見，高效的照明燈具對民用建筑的節能具有很大意義。2013年9月，工信部印發了產業關鍵共性技術發展指南，明確提出將LED芯片、熒光粉等環節的關鍵技術作為貫徹落實國務院創新驅動戰略的產業關鍵共性技術。LED產品由于其自身獨有的優勢，不僅得到了國家相關部門的重視，還在消費市場中得到廣泛的好評。因此，LED照明產品在建筑行業特別是在綠色建筑中的應用潛力是十分巨大的。

近年來，隨著LED相關技術的不斷發展和完善及經濟性指標的不斷提高，LED作為節能高效的照明光源就已經逐漸被業界所認可，并被越來越多的人所熟知，故本文不再把LED發光原理、配光器件、電源驅動等燈具的基本特性作為討論的重點，而重點將筆者在多年從事建筑電氣設計工作中積累的一些與LED設計和實際應用相關的經驗和體會與大家共同研討和分享。

2 LED在辦公場所應用的優勢

發光效能高，是LED最為顯著的特點之一。

白熾燈、鹵鎢燈光效為12～24lm/W,熒光燈光效為50～70lm/W，鈉燈光效為90～140lm/W，大部分的耗電變成熱量損耗。LED經過幾十年的技術發展和改進，其發光效率有了很大的提升。LED的光效經改良后將達到50～120lm/W，具有極大的發展潛力，有研究表明，未來的光效有可能超過200lm/W。各類光源性能比較見表1。

在建筑電氣設計中，LED的高光效對滿足國家相關標準及規范有重要的意義。2014年6月1日開始實施的新版《建筑照明設計標準》(GB 50034-2013)較舊版的照明功率密度限值有更加嚴格的要求。例如，在經常遇到的辦公建筑電氣設計中，普通辦公室在照度標準值為300lx的前提下，LPD(W/m2)由原版的現行值11、目標值9，提升為新版的現行值9、目標值8，而且該規范條文為強制性條文。這對照明設計提出了更高的要求，選用高光效燈具勢在必行。《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2006)中，公共建筑評價標準的控制項和優選項對于照明功率密度值(LPD)的要求，分別對應《建筑照明設計標準》中照明功率密度值的現行值和目標值。普通氣體放電燈，如熒光燈或節能燈在滿足一般項的LPD要求時通常比較容易，但在滿足優選項時，可能會有一些難度。

表1 各類光源性能比較

筆者采用DIAlux計算軟件，設定在相同的室內環境下(室內長10.8m，寬7.5m，高2.65m，室內面積81m2，工作面高度為0.75m，維護系數取0.8，計算照度為300lx)，對T8 3×18W熒光燈和LED 3×18W管燈進行了比較。

通過比較可以發現，傳統的熒光格柵燈(3×18W)需要15套(圖1)，LPD達到了10W/m2，僅僅滿足舊版的《建筑照明設計標準》LPD限值，在新標準頒布后，已經力不從心。LED格柵燈僅需8套(圖2)，LPD為5.33W/m2，甚至大大低于新版規范的目標值。在設計中，如果項目建設單位有申報綠色建筑二星、三星的要求，使用LED燈具，滿足《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2006)第5.2.19條的優選項是非常容易的，這樣對項目整體的申報有非常大的幫助。在國家提倡“節能減排”的大環境下，對新建建筑有綠色建筑評價的要求；對既有建筑的改造，更具有深遠意義。

圖1 熒光格柵燈(3×18W 單燈光通量3 750lm)

圖2 LED柵燈(3×18W 單燈光通量4 600lm)

圖3 白熾燈、緊湊型熒光燈及LED燈照度對比實驗

由此可見，LED的高光效對于傳統熒光燈有較大優勢，而且，隨著技術的不斷進步，這種優勢還會繼續擴大。筆者認為，在電氣設計時，用LED燈具取代傳統燈具的可操作性是很強的。特別是在既有建筑改造中，無論是滿足《建筑照明設計標準》(GB50034-2013)中的現行值要求，還是滿足《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2006)的優選項(目標值)要求，LED光源與傳統光源的可直接替換性，都使之成為可能。

3 LED在居住建筑設計中應用的優勢

LED的高光效特性同樣適用于居住建筑領域。

住宅建筑中的公共照明是在物業管理成本中占有較大的比例。電氣設計中，在滿足《建筑照明設計標準》中的照度要求的同時，應盡量降低燈具的功率，即選擇高光效的燈具。公共部位照明多采用自熄式燈具，如紅外感應式、聲光控制式，同時為適應燈具頻繁開啟的特點，光源多采用白熾燈，但白熾燈光效很低，因此以往常采用緊湊型熒光燈(即節能燈)來代替。近年來，LED燈在光效飛速提升的同時，采購成本也大大降低，同時，LED燈壽命長，還具有比節能燈更適合頻繁開啟關閉的特性。而且，很多LED燈也配置了E14、E27、E40等標準安裝燈頭，可以做到與傳統光源的直接替換，非常方便。另外，LED燈的長壽命，也大大降低了物業的維護成本。當年，緊湊型熒光燈的問世，替代高功率、低光通的白熾燈，使得人們賦予它“節能燈”的稱呼；現在LED燈替換緊湊型熒光燈也是大勢所趨，相信在不久的將來，LED燈將是“節能燈中的節能燈”。

為了獲得并分析各類典型光源的實際應用數據，筆者對白熾燈、緊湊型熒光燈、LED燈在相同的室內環境條件下，做了實驗對比。

實驗選取了40W白熾燈、7W緊湊型熒光燈以及7WLED燈三種燈型。如圖可見，在完全相同的環境下，40W白熾燈的照度僅為47.4lx，基本等同于7W緊湊型熒光燈49lx的照度，而同樣是7W的LED燈，照度可達到244lx。由此可見，若要滿足同等照度要求，LED燈的功率則遠遠小于白熾燈及緊湊型熒光燈。

4 LED在低溫場所照明設計中應用的優勢

低溫照明是指環境溫度在5℃以下場所運用人造光源來照明，例如冷藏柜、冷凍柜、冰箱、冷庫、室外照明等。LED即使在-40℃的低溫環境下，也能瞬間啟動，而且LED隨著溫度升高發光效率遞減，在低溫中發光效率良好(見圖4)。這一特點，使得LED非常適合在冷庫中應用。在筆者參與的某冷庫項目設計中，庫內的照明燈大都采用了LED燈具，相比建設單位之前建設的冷庫內使用的大功率白熾燈，不僅照明效果好、減少了大功率白熾燈熱量釋放對冷庫環境的影響，而且用電成本更低，所以業主反饋的使用情況非常好。談到這里，不得不提到LED在冷庫設計中另外兩個優勢：首先，冷庫內溫度低、層高較高，當庫內存放貨物時，替換損壞的燈具較為困難。原先冷庫采用白熾燈時，幾乎每年都需要更換一次，不僅維修量大，而且影響冷庫正常使用。LED燈的壽命是白熾燈的幾十倍，可達數年，能大大降低燈具的維護費用，避免經常換燈的煩惱。結合綠色建筑的理念，在建筑全壽命周期內，LED的節能效果是非常顯著的。這一特點，使得LED非常適合冷庫內的照明。那為什么不使用光效同樣很高、壽命也較長的熒光燈呢？這里引出LED的另一個優勢，環保無毒。冷庫內大多存儲的是肉類、水果、蔬菜等食物成品或食物原材料。隨著社會的不斷發展和進步，現在人們極為重視食品安全，國家更是為食品的生產、運輸、儲存等環節制定嚴格的法律法規。大家都知道，熒光燈內含有汞和熒光粉，通常每只節能燈內的汞含量大約為5mg。在庫內貨物的搬運或者燈具更換時，只要熒光燈破損，就會造成汞揮發，熒光粉灑落至食品上，會嚴重影響食品安全。LED不包含汞、鈉元素等可能危害健康的物質，能更好地滿足食品儲存的需求。

圖4 LED溫度—發光效率曲線

由圖4可以看出，溫度越高，LED的光效越底，光衰越大，壽命越短。

5 LED在中小學教室等場所內應用的優勢

頻閃光是發光時出現一定頻率的亮暗交替變化。普通熒光燈的供電頻率為50Hz，表示發光時每秒亮暗100次，屬于低頻率的頻閃光，會使人眼的調解器官(如睫狀肌、瞳孔括約肌等)處于緊張的調節狀態，長時間處在這種環境下很容易導致視覺疲勞。在我國20世紀80年代以后，直管型(電感式)日光燈普遍應用于家庭、學校、圖書館等，成長中的中小學生受害很大，視力下降明顯，近視眼顯著增多。如果光源發光時為直流供電，人眼既不會有頻閃感覺，也不會造成視力傷害，這種光稱為無頻閃光。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金鹵燈等傳統光源均會發生頻閃效應，即使是通過驅動電器提高頻閃的頻率，也只是減小或降低頻閃對人身的傷害，只有由直流驅動的LED光源，才能算是真正的無頻閃光源。

傳統光源的發光角度是360°，而LED的發光角度為120°，所以LED光的指向性更強。在教室黑板等處的局部照明使用LED優勢更加明顯，而且相比傳統光源，LED用于教室的大面積照明更不易產生眩光。

另外，從上文中熒光燈和LED的光效比較可知，LED在較大面積的照明場所，節能的效果是非常明顯的。由此可見，LED燈在今后勢必會更多地應用于學校教室照明。同時，LED驅動的輸入電壓為交流220V，輸出電壓為直流3V左右，驅動電流僅為十幾毫安，不會造成觸電事故。相比傳統光源，LED更適合應用在幼兒園、老年人公寓等對用電安全要求更高的場所。

6 LED在戶外照明中應用的使用優勢

為了避免光的浪費與光污染，燈具應盡可能地將光線投向需要照明的空間方向，因此，除少數裝飾照明或全空間照明燈具外，大多數燈具都需要具有一定的指向性。在這個方面，LED相較其他光源更具有先天性的優勢。熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈等傳統光源均為點狀或線狀光源，且多為全空間方向發光；LED體積小，接近點光源，其發光方向具有很強的指向性，發光角度為120°(見圖5)，特別適宜加裝各種透鏡達到不同的配光目的，實現很高的光利用率。LED路燈的燈具效率可以超過90%，而應用全空間方向發光的光源的路燈，其發光效率基本都在70%以下，部分路燈甚至還不到50%。同時，LED的高指向性也能減少眩光對車輛駕駛者的影響，可提高交通安全性。所以，近些年來，隨著技術的提升，國家的支持，高光效、高顯色性、低能耗的LED路燈在道路上已經隨處可見。

LED燈具還在景觀園林設計中大放異彩。筆者參與設計的很多住宅項目，園區內大多采用了LED景觀燈具。這些燈具體積小、壽命長，而且功率低，能降低物業運營成本。LED最特殊的是采用直流驅動，在太陽能應用上尤其重要。因為太陽能發出的電也是直流的，可以省去逆變器這一環節的成本和能量損耗。如果LED燈功率較小，甚至可以不需要結合市電，僅由太陽能供電即可滿足使用要求。以上諸多的優點，都使得LED景觀燈特別受到建設單位的青睞。

圖5 LED發光角度

7 結束語

對LED照明近年來的迅猛發展筆者深有體會。現在，隨意走入一家燈具市場或者超市，各種功率、各種造型的LED占據了大部分的展示區，有的品牌還可以通過驅動電源直接調節LED筒燈的色溫，用一種燈具即可實現多種感覺的照明效果。相比之下，傳統光源的燈具就黯淡許多。大功率的白熾燈停止生產和銷售后，小功率的白熾燈也幾乎在市場上絕跡。筆者在做本文提到的對比實驗時，僅在一處比較偏遠的五金小賣店，才買到一只白熾燈。由于LED燈頭種類齊全，可與傳統光源直接替換，且LED燈的價格也較往年降低了不少，甚至單燈價格會低于節能燈，所以使得節能燈在市場上的比例大幅度減少。筆者也經常與裝修設計單位的同行們進行交流，大家普遍認為，無論公裝還是家裝，LED的使用都越來越普遍。小巧的燈頭體積、豐富的燈具形狀、超低的電量能耗等諸多優點，是設計者和消費者選擇它的主要原因。

照明是電氣設計師幾乎每天都能接觸到的內容。設計師不僅應該關注照度、功耗、光效等技術指標，同時還應當關注照明燈具實際應用過程中的諸多要素，比如燈具的體積、安裝的重量、維護的頻率、外觀的美感，以及最重要的初期投資和后期運營成本等。近年來LED在民用建筑中的應用已經表現出良好的發展勢頭。隨著技術的不斷提升、市場規模的不斷擴大、生產成本的不斷降低， LED在照明設計中的應用前景將一片光明。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑照明設計標準(GB 50034-2013)[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[2] 中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.綠色建筑評價標準(GB/T 50378-2006)[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.