谈LED在建筑电气设计中的应用

李 宁 / 郭晓岩 / 唐 迪

(中国建筑东北设计研究院有限公司， 辽宁 沈阳)

1 前言

照明是民用建筑必不可少的重要内容。据统计，我国照明用电量约占全国总用电量的13%。作为建筑电气能耗的主要部分，照明能耗又占整个建筑电气能耗的近1/3，可见，高效的照明灯具对民用建筑的节能具有很大意义。2013年9月，工信部印发了产业关键共性技术发展指南，明确提出将LED芯片、荧光粉等环节的关键技术作为贯彻落实国务院创新驱动战略的产业关键共性技术。LED产品由于其自身独有的优势，不仅得到了国家相关部门的重视，还在消费市场中得到广泛的好评。因此，LED照明产品在建筑行业特别是在绿色建筑中的应用潜力是十分巨大的。

近年来，随着LED相关技术的不断发展和完善及经济性指标的不断提高，LED作为节能高效的照明光源就已经逐渐被业界所认可，并被越来越多的人所熟知，故本文不再把LED发光原理、配光器件、电源驱动等灯具的基本特性作为讨论的重点，而重点将笔者在多年从事建筑电气设计工作中积累的一些与LED设计和实际应用相关的经验和体会与大家共同研讨和分享。

2 LED在办公场所应用的优势

发光效能高，是LED最为显著的特点之一。

白炽灯、卤钨灯光效为12～24lm/W,荧光灯光效为50～70lm/W，钠灯光效为90～140lm/W，大部分的耗电变成热量损耗。LED经过几十年的技术发展和改进，其发光效率有了很大的提升。LED的光效经改良后将达到50～120lm/W，具有极大的发展潜力，有研究表明，未来的光效有可能超过200lm/W。各类光源性能比较见表1。

在建筑电气设计中，LED的高光效对满足国家相关标准及规范有重要的意义。2014年6月1日开始实施的新版《建筑照明设计标准》(GB 50034-2013)较旧版的照明功率密度限值有更加严格的要求。例如，在经常遇到的办公建筑电气设计中，普通办公室在照度标准值为300lx的前提下，LPD(W/m2)由原版的现行值11、目标值9，提升为新版的现行值9、目标值8，而且该规范条文为强制性条文。这对照明设计提出了更高的要求，选用高光效灯具势在必行。《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2006)中，公共建筑评价标准的控制项和优选项对于照明功率密度值(LPD)的要求，分别对应《建筑照明设计标准》中照明功率密度值的现行值和目标值。普通气体放电灯，如荧光灯或节能灯在满足一般项的LPD要求时通常比较容易，但在满足优选项时，可能会有一些难度。

表1 各类光源性能比较

笔者采用DIAlux计算软件，设定在相同的室内环境下(室内长10.8m，宽7.5m，高2.65m，室内面积81m2，工作面高度为0.75m，维护系数取0.8，计算照度为300lx)，对T8 3×18W荧光灯和LED 3×18W管灯进行了比较。

通过比较可以发现，传统的荧光格栅灯(3×18W)需要15套(图1)，LPD达到了10W/m2，仅仅满足旧版的《建筑照明设计标准》LPD限值，在新标准颁布后，已经力不从心。LED格栅灯仅需8套(图2)，LPD为5.33W/m2，甚至大大低于新版规范的目标值。在设计中，如果项目建设单位有申报绿色建筑二星、三星的要求，使用LED灯具，满足《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2006)第5.2.19条的优选项是非常容易的，这样对项目整体的申报有非常大的帮助。在国家提倡“节能减排”的大环境下，对新建建筑有绿色建筑评价的要求；对既有建筑的改造，更具有深远意义。

图1 荧光格栅灯(3×18W 单灯光通量3 750lm)

图2 LED栅灯(3×18W 单灯光通量4 600lm)

图3 白炽灯、紧凑型荧光灯及LED灯照度对比实验

由此可见，LED的高光效对于传统荧光灯有较大优势，而且，随着技术的不断进步，这种优势还会继续扩大。笔者认为，在电气设计时，用LED灯具取代传统灯具的可操作性是很强的。特别是在既有建筑改造中，无论是满足《建筑照明设计标准》(GB50034-2013)中的现行值要求，还是满足《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2006)的优选项(目标值)要求，LED光源与传统光源的可直接替换性，都使之成为可能。

3 LED在居住建筑设计中应用的优势

LED的高光效特性同样适用于居住建筑领域。

住宅建筑中的公共照明是在物业管理成本中占有较大的比例。电气设计中，在满足《建筑照明设计标准》中的照度要求的同时，应尽量降低灯具的功率，即选择高光效的灯具。公共部位照明多采用自熄式灯具，如红外感应式、声光控制式，同时为适应灯具频繁开启的特点，光源多采用白炽灯，但白炽灯光效很低，因此以往常采用紧凑型荧光灯(即节能灯)来代替。近年来，LED灯在光效飞速提升的同时，采购成本也大大降低，同时，LED灯寿命长，还具有比节能灯更适合频繁开启关闭的特性。而且，很多LED灯也配置了E14、E27、E40等标准安装灯头，可以做到与传统光源的直接替换，非常方便。另外，LED灯的长寿命，也大大降低了物业的维护成本。当年，紧凑型荧光灯的问世，替代高功率、低光通的白炽灯，使得人们赋予它“节能灯”的称呼；现在LED灯替换紧凑型荧光灯也是大势所趋，相信在不久的将来，LED灯将是“节能灯中的节能灯”。

为了获得并分析各类典型光源的实际应用数据，笔者对白炽灯、紧凑型荧光灯、LED灯在相同的室内环境条件下，做了实验对比。

实验选取了40W白炽灯、7W紧凑型荧光灯以及7WLED灯三种灯型。如图可见，在完全相同的环境下，40W白炽灯的照度仅为47.4lx，基本等同于7W紧凑型荧光灯49lx的照度，而同样是7W的LED灯，照度可达到244lx。由此可见，若要满足同等照度要求，LED灯的功率则远远小于白炽灯及紧凑型荧光灯。

4 LED在低温场所照明设计中应用的优势

低温照明是指环境温度在5℃以下场所运用人造光源来照明，例如冷藏柜、冷冻柜、冰箱、冷库、室外照明等。LED即使在-40℃的低温环境下，也能瞬间启动，而且LED随着温度升高发光效率递减，在低温中发光效率良好(见图4)。这一特点，使得LED非常适合在冷库中应用。在笔者参与的某冷库项目设计中，库内的照明灯大都采用了LED灯具，相比建设单位之前建设的冷库内使用的大功率白炽灯，不仅照明效果好、减少了大功率白炽灯热量释放对冷库环境的影响，而且用电成本更低，所以业主反馈的使用情况非常好。谈到这里，不得不提到LED在冷库设计中另外两个优势：首先，冷库内温度低、层高较高，当库内存放货物时，替换损坏的灯具较为困难。原先冷库采用白炽灯时，几乎每年都需要更换一次，不仅维修量大，而且影响冷库正常使用。LED灯的寿命是白炽灯的几十倍，可达数年，能大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯的烦恼。结合绿色建筑的理念，在建筑全寿命周期内，LED的节能效果是非常显著的。这一特点，使得LED非常适合冷库内的照明。那为什么不使用光效同样很高、寿命也较长的荧光灯呢？这里引出LED的另一个优势，环保无毒。冷库内大多存储的是肉类、水果、蔬菜等食物成品或食物原材料。随着社会的不断发展和进步，现在人们极为重视食品安全，国家更是为食品的生产、运输、储存等环节制定严格的法律法规。大家都知道，荧光灯内含有汞和荧光粉，通常每只节能灯内的汞含量大约为5mg。在库内货物的搬运或者灯具更换时，只要荧光灯破损，就会造成汞挥发，荧光粉洒落至食品上，会严重影响食品安全。LED不包含汞、钠元素等可能危害健康的物质，能更好地满足食品储存的需求。

图4 LED温度—发光效率曲线

由图4可以看出，温度越高，LED的光效越底，光衰越大，寿命越短。

5 LED在中小学教室等场所内应用的优势

频闪光是发光时出现一定频率的亮暗交替变化。普通荧光灯的供电频率为50Hz，表示发光时每秒亮暗100次，属于低频率的频闪光，会使人眼的调解器官(如睫状肌、瞳孔括约肌等)处于紧张的调节状态，长时间处在这种环境下很容易导致视觉疲劳。在我国20世纪80年代以后，直管型(电感式)日光灯普遍应用于家庭、学校、图书馆等，成长中的中小学生受害很大，视力下降明显，近视眼显著增多。如果光源发光时为直流供电，人眼既不会有频闪感觉，也不会造成视力伤害，这种光称为无频闪光。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、金卤灯等传统光源均会发生频闪效应，即使是通过驱动电器提高频闪的频率，也只是减小或降低频闪对人身的伤害，只有由直流驱动的LED光源，才能算是真正的无频闪光源。

传统光源的发光角度是360°，而LED的发光角度为120°，所以LED光的指向性更强。在教室黑板等处的局部照明使用LED优势更加明显，而且相比传统光源，LED用于教室的大面积照明更不易产生眩光。

另外，从上文中荧光灯和LED的光效比较可知，LED在较大面积的照明场所，节能的效果是非常明显的。由此可见，LED灯在今后势必会更多地应用于学校教室照明。同时，LED驱动的输入电压为交流220V，输出电压为直流3V左右，驱动电流仅为十几毫安，不会造成触电事故。相比传统光源，LED更适合应用在幼儿园、老年人公寓等对用电安全要求更高的场所。

6 LED在户外照明中应用的使用优势

为了避免光的浪费与光污染，灯具应尽可能地将光线投向需要照明的空间方向，因此，除少数装饰照明或全空间照明灯具外，大多数灯具都需要具有一定的指向性。在这个方面，LED相较其他光源更具有先天性的优势。荧光灯、高压钠灯、金卤灯等传统光源均为点状或线状光源，且多为全空间方向发光；LED体积小，接近点光源，其发光方向具有很强的指向性，发光角度为120°(见图5)，特别适宜加装各种透镜达到不同的配光目的，实现很高的光利用率。LED路灯的灯具效率可以超过90%，而应用全空间方向发光的光源的路灯，其发光效率基本都在70%以下，部分路灯甚至还不到50%。同时，LED的高指向性也能减少眩光对车辆驾驶者的影响，可提高交通安全性。所以，近些年来，随着技术的提升，国家的支持，高光效、高显色性、低能耗的LED路灯在道路上已经随处可见。

LED灯具还在景观园林设计中大放异彩。笔者参与设计的很多住宅项目，园区内大多采用了LED景观灯具。这些灯具体积小、寿命长，而且功率低，能降低物业运营成本。LED最特殊的是采用直流驱动，在太阳能应用上尤其重要。因为太阳能发出的电也是直流的，可以省去逆变器这一环节的成本和能量损耗。如果LED灯功率较小，甚至可以不需要结合市电，仅由太阳能供电即可满足使用要求。以上诸多的优点，都使得LED景观灯特别受到建设单位的青睐。

图5 LED发光角度

7 结束语

对LED照明近年来的迅猛发展笔者深有体会。现在，随意走入一家灯具市场或者超市，各种功率、各种造型的LED占据了大部分的展示区，有的品牌还可以通过驱动电源直接调节LED筒灯的色温，用一种灯具即可实现多种感觉的照明效果。相比之下，传统光源的灯具就黯淡许多。大功率的白炽灯停止生产和销售后，小功率的白炽灯也几乎在市场上绝迹。笔者在做本文提到的对比实验时，仅在一处比较偏远的五金小卖店，才买到一只白炽灯。由于LED灯头种类齐全，可与传统光源直接替换，且LED灯的价格也较往年降低了不少，甚至单灯价格会低于节能灯，所以使得节能灯在市场上的比例大幅度减少。笔者也经常与装修设计单位的同行们进行交流，大家普遍认为，无论公装还是家装，LED的使用都越来越普遍。小巧的灯头体积、丰富的灯具形状、超低的电量能耗等诸多优点，是设计者和消费者选择它的主要原因。

照明是电气设计师几乎每天都能接触到的内容。设计师不仅应该关注照度、功耗、光效等技术指标，同时还应当关注照明灯具实际应用过程中的诸多要素，比如灯具的体积、安装的重量、维护的频率、外观的美感，以及最重要的初期投资和后期运营成本等。近年来LED在民用建筑中的应用已经表现出良好的发展势头。随着技术的不断提升、市场规模的不断扩大、生产成本的不断降低， LED在照明设计中的应用前景将一片光明。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑照明设计标准(GB 50034-2013)[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2] 中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.绿色建筑评价标准(GB/T 50378-2006)[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.