典型場所LED照明設計要點及應用實例

2021-05-10 12:27:20侯建成

照明工程學報 2021年2期

劉明，侯建成

(天津市建筑設計院，天津 300074)

引言

照明作為民用建筑的重要組成部分，其用電量約占全國總用電量的13%以及整個建筑電氣能耗的33%[1]。因此，在電氣設計人員進行照明設計時，選用高效的照明燈具對民用建筑具有節能降耗的重要意義。隨著LED相關技術的不斷成熟和完善，LED光源以其眾多獨特優勢，得到了照明行業的廣泛認同，已在民用建筑得到了廣泛的應用[2，3]。然而，作為新型點光源，LED光源在照明設計時與傳統線光源和面光源多有不同，遵循傳統設計原則難以物盡其用，同時LED光源在不同類型建筑進行照明設計時亦有不同。通過分析近幾年LED照明設計的相關文獻，總結了LED照明設計時的相關設計原則，并以工廠車間和網球訓練場地的照明設計進行仿真分析加以驗證。

1 LED照明設計的注意事項

1.1 LED光源的優點

LED光源作為新型固體綠色光源，可直接把電能轉化為光能，是現階段光效發展更新最快的光源，與其他傳統發光器件相比，LED光源的優點可歸納為以下幾點[4，5]：

1)節能、環保、無污染。

2)響應時間快，響應時間可控制在納秒級，其他傳統光源難以企及。

3)體小量輕、結構牢固，使LED光源在照明設計時的靈活性增加，同時打破了傳統燈具設計時的各種局限性。

4)高效壽命長，大大降低運行維護成本，尤其在特殊場合及高大空間。

5)易于控制，可通過改變電流的大小來控制發光亮度及色溫改變，也可通過采用相應類別的LED光源產生豐富的色彩變化，以滿足相應場所與用戶感官的不同需求。

6)光源的方向性好，通過合理的二次配光設計，可達到定向照明，其投射到參考平面上的光通量相對較多，故利用系數一般較高，在0.8～0.9之間，在一定條件下其利用系數甚至可超過1.0[6]。但此特性也是其產生眩光的原因，因此在設計時需特別注意燈具的擺位和二次配光設計，盡量減少眩光影響。

1.2 LED光源的缺點

盡管LED光源有著明顯優于傳統光源的眾多特性，但其并不是完璧無瑕的，在使用和照明設計時應加以注意，主要有[4，5]：

1)初始投資費用高、光衰問題以及散熱問題。

2)產品的一致性問題，產品性能良莠不齊，更新換代迅速，易造成產品的兼容性存在問題。

3)視覺差異性和藍光效應，LED光源多數采用藍色LED芯片激發黃色熒光粉實現白光，這就造成很多LED燈具的成品R9(紅色還原性)小于0，同時藍光、綠光、黃光范圍在LED的光譜中比例較大，而紅光范圍卻比較狹窄，容易造成視覺的不舒適，因此LED光源在中小學教室、醫院病房等場所的應用存在爭議，解決此問題需增加相應的成本。

4)配光問題，多個LED光源器件組合而成的LED燈具發光面是多個發光中心的集合，導致其發光特性不如白熾燈和熒光燈的光色均勻性好，另外由于定向輸出的特性造成LED燈具的表面亮度高，因此排除顯色指數和色溫的影響，LED燈具的眩光限制要求更高。

通過LED光源的優缺點，可總結其在各種照明設計常見場所的適用性如表1所示。

1.3 照度計算

在進行LED照明設計時，亦可采用利用系數法計算得出平均照度，如式(1)、式(2)所示[7]。

表1 LED光源在各種設計常見場所的適用性

Eav=NΦUK/A

(1)

式(1)為一般燈具的平均照度計算公式，式中Eav為工作面上的平均照度，lx；Φ為光源的光通量，lm；N為光源數量；U為利用系數；A為工作面面積，m2；K為燈具的維護系數。

Eav=NΦ1UηK/A

(2)

式(2)為投光燈燈具的平均照度計算公式，式中，Eav為被照面上的平均照度，lx；Φ1為投光燈中光源的光通量，lm；N為投光燈數量；U為利用系數；η為燈具效率；A為被照面面積，m2；K為燈具的維護系數。

LED燈具因其光學類型的不同，利用系數差別較大，照明設計中需結合選型向燈具生產商求取利用系數值，做到計算精確。當需獲取更高的計算精確度時，LED照明計算可采用逐點計算的方法，對于照明質量要求高同時功能復雜的場所建議通過計算機模擬仿真的方法進行LED照明計算。

2 LED照明設計要點

2.1 辦公場所的LED照明設計要點

辦公室LED的照明設計應結合辦公行為以均勻性、舒適性為總體設計原則，考慮工程的初始投資，并應滿足以下要求[8,9]：

1)選擇合適的光源色溫及顯色指數，在辦公場所中一般選擇色溫≤4 000 K，顯色指數選擇Ra≥80，紅色還原性R9>0。

2)照度均勻度和照度水平：合理布置燈具，通常采用統一間距的布置燈具方法，使照度均勻以及辦公室最大、最小照度與平均照度之差小于平均照度的1/3；辦公場所的照度應滿足使用要求，一般為300～500 lx。

3)舒適度和眩光控制：防止眩光的措施主要是限制光源亮度，合理布置光源，辦公室的一般照明宜設計在工作區的兩側，不宜將燈具布置在工作位置的正前方。采用LED格柵燈或者LED面板燈，可使工作空間光線均勻，并減少眩光，當采用LED日光燈時宜使燈具縱軸與水平視線平行。如使光源在視線45°范圍以上，應形成遮光角或用不透明材料遮擋光源。

4)節能環保：應選用高光效LED光源，高效率、長壽命、配光合理的LED燈具，高性能、長壽命附件等。配光一般選擇蝙蝠翼配光，使光強能均勻而分布較寬。

2.2 工業廠房的LED照明設計要點

工業LED照明設計應在滿足特定照度和顯色性的基礎上保證工人的舒適度和安全性，合理的照明設計使整個地面區域和工作面的照明等級達到均衡，并應滿足以下基本要求[10,11]：

1)保證照度要求并考慮工作面和環境亮度的對比，以滿足提高效率和安全生產的需要。

2)在生產中的高速運轉環節、失誤概率高、沒有窗戶或自然光、夜間仍需工作以及年長工人所在的地點或區域，建議提高照度以降低出錯率并采用較好顯色性的LED光源。

3)選用高效節能、壽命長、安全可靠、故障少、維護措施簡單的LED光源，以減少耗電量、維護量，同時節約運維投入。

4)根據需求確定LED燈具的防水防塵等級，在有爆炸危險的場所應選用防爆LED燈具。

2.3 體育場館的LED照明設計要點

在國外，LED照明在體育場館中的應用已有較多成功案例，如美國網球公開賽決賽場地、NRG體育場、馬德里競技足球俱樂部新球場、尤文圖斯球場。在國內，LED照明應用于正式比賽的體育場館正逐漸增多，天津人民體育館是國內體育場館LED照明應用的一個成功范例；LED照明應用于體育訓練場館已經相當成熟，位于天津健康產業園的2017全運會訓練場館的場地已全部使用LED照明。

體育館往往具有綜合性的特點，這就要求其照明也應滿足多功能的需求，其應在滿足相應體育賽事比賽和直播要求的同時，亦應滿足現場觀眾等各類人員的視覺要求。另外，除了承辦相關體育賽事，體育場館往往還會承辦各種商業演出，應保證足夠的照度水平。為保證實況轉播以及多功能的照明需求，體育館場館照明需進行多方案比較。為最大限度滿足照度標準和照明質量的要求，體育館LED照明設計應滿足以下基本要求[12]：

1)照度及照度均勻度：合理的照度以及照度均勻度可以保證運動員的正常發揮以及裁判的精確判斷，同時還能確保觀看者的觀看舒適度。在進行LED照明設計時，多功能的體育場館應滿足多種不同的照度需求。當水平照度和垂直照度相等時，體育場館視覺效果達到最佳，即使不能做到相等，垂直照度也不應小于水平照度的二分之一。

2)眩光：眩光會對運動員的發揮產生重大影響，特別是球類運動，由于眩光運動員無法準確判斷球的走向和落點。LED光源由于定向輸出以及表面亮度高的特性，在設計時應通過合理的投光角度、布置高度以及配光設計盡量減少眩光。

3)光色和顯色性：體育場館內的LED光源應保證盡量好的顯色性和較強的色彩對比，讓運動員有更精準的判斷。

4)為滿足體育場館的多功能照明需求，可以通過控制燈光回路方案來滿足相應的照明需求，因此其需要完善的LED燈光回路方案，從而簡化操作流程，降低運行成本。

5)進行LED燈光布置時，應對場地平面圖進行詳細的分析，并通過計算機進行仿真計算，確定合理的燈具排布和不同的開燈模式，以滿足訓練、不同等級比賽以及商業活動的照度要求。

2.4 車庫的LED照明設計要點

車庫LED的照明設計應以考慮照明節能為主要因素，并應滿足以下要求[13]：

1)光源：宜選用光效大于80 lm/W的LED光源，由于車庫層高一般較低，故燈具功率不易過大，配光角度不易過小，以提高照度均勻度，色溫選擇為4 000～4 500 K。

2)合理布置燈位：行車主道應均勻布置燈具，每個車位上方宜布置一盞燈具，在車庫入口處，燈具的布置應適當縮小并對照度適當提高，以便于視覺上形成一個明暗適應的過程。車庫出入口露天的燈具宜采用墻面嵌入安裝并選用投光燈具，防護等級應在IP55以上，燈具投射地面，應盡量減少眩光。

3)考慮照明節能，LED燈具應加智能控制方式，并設計合理的智能調光方案。

除上述設計要點外，典型場所的LED照明設計還應注意的事項如表2所示。

表2 典型場所的LED照明設計注意事項

3 設計實例

3.1 工廠車間

此實例為某電氣傳動公司工廠車間的照明改造設計，該工廠車間主要生產電機、驅動產品及發電機。工廠車間原安裝的照明設備是480 W(含鎮流器)金鹵燈，已經出現了光衰嚴重、照度不夠、維護費用逐年升高且運行成本高昂等問題。針對這些問題，本次照明設計使用LED燈具進行替換，采取一般照明方式，具體照明設計指標為工作面平均照度500 lx，Ra>70，4 000 K色溫，工作面均勻度應大于0.7，其中周邊均勻度可用地面均勻度取代，均勻度不應小于0.5，并根據需求增加局部照明，局部照明的工作面照度為1 000～2 000 lx，工作面選取范圍為距墻3.75 m。

圖1 工廠車間的燈具布置方案Fig.1 Arrangement of the luminaires in factory workshop

本項目照明設計方案采用213 W的LED燈具一對一替換原有480 W金鹵燈，燈具安裝高度為12 m，縱向間距為7.5 m，橫向間距為5 m，至墻面距離分別為2.5 m和3.75 m，燈具總使用數量為220盞，為適應復雜的工廠車間環境，選用防水防塵等級至少為IP65的燈具，具體布置方案如圖1所示。

LED燈具的選型為GL2 Compact5，其配光曲線、相關參數如圖2、表3所示。

圖2 工廠車間選用燈具的配光曲線Fig.2 Light distribution curve of the luminairesselectedin factory workshop

表3 工廠車間選用燈具的相關參數

通過DIALux照明仿真軟件進行仿真，其仿真照度如圖3所示，照明仿真結果如表4所示。該結果滿足工廠車間照度均勻度、照度標準的實際應用需求并有所優化。

表4 工廠車間的照明仿真結果

3.2 網球訓練場地

此實例為某個體育訓練館內大小為36.5 m×19 m的網球訓練場地，采取一般照明方式，場地內平均照度>750 lx，Ra>65，5 700 K色溫，場地內均勻度應大于0.7，周邊均勻度不小于0.5，并參照《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)相關要求進行照明設計。具體布置方案如圖4所示，采用48盞LED燈具，安裝高度為10 m，燈光回路分為專業比賽、業余比賽和專業訓練、訓練和娛樂活動以及清掃模式四種方案，滿足其多功能的照明需求。