LED照明在民用建筑中的节能研究

代 丹 / 陈寅生

(中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120)

中国工程院重大咨询项目研究指出，我国2010年照明用电量为3 000多亿千瓦时，约占全国电力消耗总量的11%，已成为我国电力终端消费的一个重要组成部分。2012年国务院连续印发有关节能减排文件：《“十二五”节能环保产业发展规划》、《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》、《节能减排“十二五”规划》等。从环境保护角度出发，工业信息化产业部为贯彻落实国务院《节能减排“十二五”规划》和《重金属污染综合防治“十二五”规划》，降低荧光灯产品含汞量，提升行业清洁生产水平，以新的节能环保型光源逐步取代对环境污染大的含汞光源。

另外，在联合国框架下，140多个国家经过4年多时间的谈判，达成《水俣汞防治公约》，这将在全球范围内监控和限制含汞产品的生产和贸易，以减少汞污染对环境的破坏和对人类健康的影响。签署国各方同意，在2020年之前，逐渐减少含汞产品的生产和贸易，含汞节能灯的禁产以及国家发改委发布的普通照明白炽灯的淘汰政策，都为LED照明的发展提供了有利条件。在这种大前提下，为减少荧光灯的总用汞量，应该逐步寻求LED灯作为替代性光源，但LED作为一种新型电光源，还没有被大众所认识，同时很多专业人员对其特性和指标不够了解，因此需要对LED有全面的了解，才能够将这种新型节能产品应用好。

1 LED光源与传统电光源的主要区别

LED光源在外形尺寸方面远小于传统光源的外形尺寸，作为小功率单灯出现时，由于它的发光表面积很小，可以看作一个点光源；大功率LED单灯是由数十甚至上百个LED所组成，所以又可以将其看作一个面光源；传统电光源所发出的光，基本上是立体360°全方位辐射方式发光，而LED光源则不同，它的发光呈立体圆锥角形式向外辐射光能量，它有很强的指向性，减少了许多二次配光所产生的光反射和折射所带来的光损失。LED与传统照明相比，无论是在光学特性还是电气特性等方面均有很大的不同，要用好LED照明，首先需要了解它的各种特性，本文对日光、白炽灯、三基色荧光类光源和LED光源进行初步对比。

1.1 光谱能量的区别

1)日光光谱

众所周知，太阳所发出的光是全光谱系列的光，不但有可见光，也含有大量的不可见光，可见光光谱如图1所示。从图1可以看到，日光在可见光部分的光谱能量基本处于均衡状态，虽然有些波长(730nm左右)相对光谱能量偏低，但与最高光谱能量(460nm左右的蓝光)相比，相对能量比例相差不到40%，因此日光对应的各种颜色还原性很高。

图1 日光在可见光部分的光谱特性

2)普通荧光灯光谱

自人类发现利用激发荧光粉的方式可以提高电光源的发光效率开始，普通荧光灯已有数十年的历史，时至今日仍在沿用。从它所产生的光谱曲线(见图2)可以得知，它的光效主要是利用荧光粉二次激发所产生的蓝光能量提高发光效率，但没有摆脱不可见光的产生，因此在波长380nm～780nm范围之外有不被人眼所识别的紫外光和红外光产生。

图2 普通荧光灯光谱

图2所示为采用传统电感镇流器的18W普通荧光灯的光谱曲线和光学参数，从测试数据和曲线可以看到，它所产生的光能量为3.186W，而实际消耗电功率为29W，因此其光电转换率为11%，比白炽灯提高约5%。从光谱曲线可以看到在低于380nm和高于780nm的两端，仍有不可见光的能量输出，因此这也是普通荧光灯光效不高的原因之一。

3)LED光谱

目前采用白光LED照明的主流发光机理是用半导体技术，采用波长为450nm左右的蓝光激发YAG荧光粉方式发出白光，它的典型光谱曲线如图3所示。

图3 白光LED典型光谱

从图3可以看到白光LED的光谱特性基本上与白炽灯相反，其波长为450nm左右的蓝光能量要大于其他波长的能量，然后出现一个波谷，图3中显示的两个波峰分别出现在蓝光区域和绿光区域，红色部分的光谱能量较低，因此对于红色的色彩还原较低，所以显色指数不高，但其总体光谱曲线与白炽灯有些类似，而且在不可见光部分没有能量输出，这也是LED能耗低的主要原因之一。

由于白光LED的色温与发光二极管本身、驱动电流大小和YAG荧光粉的配方等诸多因素相关，所以改变任意一项指标，都会改变色温值，对应不同色温的白光LED显色指数也不同，能效也有所差异，导致光电转换效率也不同，详细技术参数在后面的章节进行分析。

1.2 显色指数

显色指数是传统照明光源中评价色彩还原的一个指标，色彩还原共有16项指标，这16个参数代码为R1～R15(分别表示日光下的颜色)及常用的显色指数Ra(Ra是前8种色彩还原指数的平均值)。虽然Ra不能像长度计量和质量计量中的单位那样精确反映长度或质量的关系，但是作为光学衡量参数，仍是一个具有参考价值的指标。由于R9～R15并未计入Ra这项指标，所以传统的显色指数Ra并不能像物理中的其他参数那样，十分精确地反映色彩还原程度。

白光LED的发光机理如前所述，是用蓝光激发黄色YAG荧光粉，由蓝黄互补产生白光，所以在波长为380nm～440nm的紫光部分和波长为700nm～780nm的红光部分相对欠缺，由于蓝黄互补，在光谱曲线中也必然会出现一个波谷，这个波谷所对应的光谱波长能量相对较低，基于以上原因，很难提高蓝光激发YAG荧光粉的LED显色指数Ra。虽然白光LED的光谱曲线看上去光滑连续，比三基色荧光类光谱曲线漂亮，但是正因为缺少了紫光和红光部分的补充，这种LED显色指数Ra一般为70～85。

虽然显色指数不高，但由于人眼的视觉关系，并不会对颜色还原造成很大偏差。从CIE 1931色度图观察，6 500K的LED色温更接近于日光色温(见图4)，但由于红光对应区域的能量较低，与日光相比，红色还原效果较差。

图4 CIE 1931色度图

1.3 光效

早期的LED照明光源光效较低，甚至低于荧光灯，但随着技术的发展，LED照明光源的光效在不断提高，光效达到80lm/W的LED商业化照明产品已屡见不鲜，好的产品光效可达100lm/W以上。如前所述，LED光效在光电转换方式和光谱特性两个方面减少了不必要的能耗，所以发光效率高于传统光源。

用蓝光激发YAG荧光粉的LED将电能转换为光能，除去在PN结上产生的热量外，其余能量都转换为光能，不同于传统荧光类照明光源，首先用灯丝产生的能量将汞激发，产生电子跃迁，然后二次激发荧光粉，产生光能。因此LED没有二次能量转换的损耗，同时也没有不可见光的输出问题，所以除了热能损失和电源驱动损失外，其余电能全部转换为可见光能，光效要超过现有传统光源，理论上可以达到200lm/W。

从光谱曲线分析，白炽灯有不可见的红外光，三基色荧光类照明灯存在不可见的紫外光，金卤灯不但存在红外光，同时还存在紫外光。而白光LED产生的光能，仅在可见光范围内，减少了不可见光的能量损失，因此发光效率高于白炽灯和荧光灯、目前商业化产品的光效与金卤灯类似，部分产品的光效高于金卤灯。

目前实验室的发光效率已经突破120lm/W，但由于尚有部分技术问题未解决，商业化产品水平大部分在80lm/W～100lm/W，约是白炽灯光效的9～11倍。一旦技术瓶颈得以克服，它的光效将超过金卤灯。

1.4 寿命

传统电光源发光原理是依靠灯丝在电流的作用下白炽化产生光能，无论是白炽灯、荧光灯、汞灯、钠灯或是金卤灯等，均为这种方式，所不同的是白炽灯仅仅利用白炽化所产生的光能量，而其他电光源利用白炽化的能量激发惰性气体或利用汞的激发能量再次激发荧光粉产生光能。由于灯丝白炽化必然存在灯丝的寿命问题，通常情况下，传统电光源的寿命为5 000h，白炽灯的寿命不到2 000h，寿命长的传统光源一般也不超过1.2万。而LED光源是采用半导体技术，没有灯丝白炽化问题，所以光源本身在正常情况下的使用寿命很长，可以达到10万以上。

虽然LED电光源本身的寿命很长，但是其驱动电路是由电子电路构成，电路中不可避免要使用电解电容器，而电解电容器的寿命则决定了LED灯系统的整体寿命，所以LED照明的寿命并未达到某些厂商所说的10万h。这个值是LED光源本身的寿命，而不是灯系统的寿命。因为电解电容器的寿命一般为5万h，而它又是电源驱动电路中的重要元器件，所以LED灯系统的寿命是由电解电容器决定的，而不是LED光源本身。

从散热角度分析，任何一种半导体材料都存在使用温度的要求，当温度超出所规定的范围，它所产生的热量无法及时导出，便会使内部温度过高，影响正常工作和使用寿命。LED照明是由半导体材料制造，因此也受到使用温度的限制。一旦使用温度或环境温度超出规定范围，PN结上产生的热量无法正常导出，使得结温超出允许范围，必将影响使用寿命。

2 LED节能与效益

在民用建筑中，LED应用在景观、商业橱窗、办公环境、隧道和工矿等照明领域。随着技术的进步，LED照明的光效在不断提高，发光效率从开始的40lm/W上升到80lm/W，而且还在不断提高，理论上发光效率可达200lm/W。目前国内加工生产LED照明的企业已达上千家，凭借着劳动力价格偏低的优势，打破了国外的价格垄断。产品的价格从开始时的60元/W～70元/W，到2013年已经降到15元/W以下，基本接近用户可接受的心理价位状态。

2.1 主要技术指标对比

依据各生产厂商提供的数据，LED、无极荧光灯和金卤灯各种性能指标如表1所示。从表1中可以得出，LED灯较传统光源在民用建筑照明应用中具有很强的优势。

表1 LED照明、无极荧光灯、金卤灯应用指标对比

注：1.该项包括普通荧光灯、三基色荧光灯、环形荧光灯、紧凑型荧光灯；2.各企业产品有差异，紧凑型寿命较短，普通荧光灯次之，三基色荧光灯寿命最长；3.各企业产品有差异，金卤灯寿命较短，钠灯寿命较长；4.除部分企业的球泡灯外，大部分球泡灯达不到该指标；5.非正规企业无法达到该指标。

2.2 LED照明的节能

如前面所做测试对比与分析，LED照明比传统光源节能，在一般办公环境中，达到同等照度条件，采用LED照明，安装功率约占传统荧光灯的35%～40%，单灯同等高度情况下的照度对比测试如图5所示。

如图5所示，18W荧光灯的功率为普通荧光灯光源功率，未计入镇流器所消耗功率，若计算整个灯系统功率约为21W，LED则为实测功率。仅从安装功率计算，LED支架灯所消耗的电力仅为普通荧光灯的35%左右。从照度指标看，各色温的LED照度均超过普通荧光灯。通过这一组测试结果可见，在满足同等照度标准的情况下，LED比普通荧光灯节能。在不考虑其他因素的情况下，仅照明安装功率一项可降低能耗约65%，这一节能效果可以通过美国科锐公司的应用参考表(如表2所示)得以验证。

如果采用美国该公司的LED照明产品，从表2可以看到，当用110lm/W的产品，达到330lux的照度时，安装功率为3.23W/m2；用100lm/W的产品，达到330lux的照度时，安装功率为3.76W/m2；用90lm/W的产品，达到330Lux的照度时，安装功率为3.98W/m2；分别为《建筑照明设计标准》(GB 50034-2004)功率安装密度现行值的29.4%、34.2%、36.2%；平均节能效果可以达到65%以上，按照功率安装密度目标值计算，分别为35.6%、41.8%和44.2%。因此在功率安装密度目标值的基础上，仍可达到平均节能约60%的效果。

假如采用贵州某光电公司的国产LED照明产品，光效实测值平均为85lm/W，在达到330lux照度的情况下，安装功率密度为4.36W/m2；仍可在《建筑照明设计标准》(GB 50034-2004)功率安装密度现行值11W的基础上节能60%；功率安装密度目标值9W的基础上节能50%以上。

以上对LED照明的直接节能效果进行了分析，LED照明节能除了产生直接节能效果外，还会产生间接节能效果，例如：由于照明安装功率的减少，使得线路和变压器损耗下降；在夏季空调环境条件下，LED照明发热量的减少，使得空调能耗下降而产生空调节能的效果。这两项节能效果在写字楼、办公环境和商业建筑尤为明显。

如果按照普通荧光灯计算，在满足300Lux照度的情况下，安装功率密度大约为7W/m2，发热量约占85%，即5.95W/m2，而即使采用国产LED照明，安装功率密度为4.36W/m2，发热量占75%，即3.27W/m2，每平方米减少2.68W发热量，1 000m2的面积减少2.68kW的发热量，可以减少大约1.2kW的空调制冷量，夏季带来的空调节能效果也是非常可观的。

LED一直被认为是新一代绿色节能型光源，其节能潜力一直是众人关注的焦点,也是相关厂商宣传的重点。白光照明级LED的光效近年来更是不断地被突破, 如果说在2010年人们对于采用LED替代荧光灯的节能效率还有疑虑的话,现在的LED支架灯已大大超过了一般办公空间常用的T8、T5 荧光灯的光效。另外，LED的定向发光特性决定其灯具效率(80%～90%)也大于普通直管荧光灯的灯具效率(一般为65%～70%)。因此，从节能角度出发，LED在办公空间具有极大的应用前景。

2.3 LED的经济效益分析

LED灯对环境有许多值得期待的益处，被认为是绿色的照明产品，根据美国能源部计算，LED灯最终可以减少全球50%的照明用电和10%的总用电量，自2025年开始，使用LED灯预计全球每年可减少300Mt的碳排放量。

根据国际能源组织《CO2Emission From Fuel Combustion(2012 Edition)》统计数据，我国2010年发出每度电力所产生CO2的排放量为518g/kWh，按照一盏36W荧光灯每天工作10h计算，每年所产生的碳排放量约75kg(含镇流器消耗电力)；若更换为18W LED灯，同样以每天10h计算，每年所产生的碳排放量将降低50%，减少量为37.5kg，可大大减少对环境的污染，同时减少温室效应的程度。

由于LED照明是新型产业，目前还有许多技术问题正在改进，因此目前的售价比传统光源高，按照2013年下半年国内LED生产企业的正常价格计算，球泡灯的价格大约为5元/W，支架灯的价格大约为8元/W，高棚灯(工矿灯)的价格大约为15元/W。

以此价格分析：用5W LED球泡灯替代11W紧凑型荧光灯，LED球泡灯的购入价格为25元，11W紧凑型荧光灯购入价格为10元，差价15元。若按照明时间10h/天计算，每天节省电力0.06W，每年节省电力21.9kW/h，按照目前电力收费1元/kWh计算，0.685年可以收回一次投入差价成本。其后每盏灯每年可节省电费21.9元。若按照实际照明时间计算，2 500h可以收回一次性投入差价，其后每实际照明167h可节省1元电费。在实际使用中，当紧凑型荧光灯工作2 500h后，已经进入需更换状态，因此在实际情况下，LED照明还节省了传统光源的维护更换费用，这包括光源的更新成本和人力成本。

以支架灯为例，36W支架荧光灯每盏17元，电子镇流器每个32元，一次投资49元，18W LED支架灯每盏144元，LED的一次性投资约为支架荧光灯的3倍，差价为95元；功率差值按18W计算(不算荧光灯镇流器消耗)。

以每天10h照明为例，LED每天节电0.18kWh，电费仍以1元/kWh计算，需528天收回一次投入差价成本，周期1.45年，此后的每盏灯每天节电产生0.18元的节能效益，每盏灯每年产生节电的经济效益为65.7元。在通常情况下工作50 000h之内的LED不需要更换，而支架荧光灯则需更换1～2次，由此产生的更换成本和人力成本并未计算在内。

以上分析了单灯LED照明产生的节能直接经济效益，在大面积使用情况下，由于功率的降低和功率因数的提高，还有线路损耗降低、无功损耗降低等带来的间接经济效益。因此，采用LED照明，虽然一次投入较大，但与采用传统照明光源的差价在一般情况下可在两年内收回，其后的2年～3年所产生的节能效果会为企业带来较大的经济效益。

3 结束语

在当前这种能源格局下，国家和地方出台了许多节能方面的优惠政策，因此我国目前在LED照明光源的研发、生产和使用方面发展迅猛。针对民用建筑，本文通过分别对比日光、白炽灯、三基色荧光类光源和LED光源的光谱能量、显色指数、光效和寿命，总结得出LED光源用于照明的优势。同时，测试了LED光源与荧光光源在相同垂直高度下的照度情况，结果显示LED具有突出的节能效果。另外，本文还对民用建筑采用LED照明的经济效益进行了分析，给民用建筑中LED的使用提供了一定的参考。

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