Promoting the Use of LED Lighting from the Design Stage

Ma Ning



Promoting the Use of LED Lighting from the Design Stage

Ma Ning

AbstractBy explaining the reasons for the use of LED lighting in the design stage, several key problems should be noted in the design. And in accordance with the new version of “architectural lighting design standards” which is have higher requirements for energy saving，the use of LED lamps and typical place of traditional light source lamp illumination calculation results were analyzed. Designers should summarize the actual situation objectively to promote LED lighting application.

Keywordslight emitting diode lamp， luminous efficacy of a light source， luminaire efficacy， illuminance， lighting power density

1从设计阶段推进使用LED照明器具的原因

1.1GB 50034-2013《建筑照明设计标准》(以下简称“新规范”)

新规范较GB 50034-2004《建筑照明设计标准》(以下简称“旧规范”)对功率密度值的要求更加严格。在照度标准值不变的情况下，新规范已将旧规范中大量场所的功率密度目标值调整为新规范的现行值，并在新规范中进一步降低功率密度目标值。如办公室照度标准300lx，旧规范要求“现行值11W/m2，目标值9W/m2”，新规范要求“现行值9W/m2，目标值8W/m2”，其中现行值降低了约18%，目标值降低了约11%。同时，新规范新增了部分场所对于照度、功率密度的强制性要求，如走廊、卫生间等。

1.2LED照明器技术的发展推动了照明革命

就现阶段LED技术发展状况而言，其产品批次、颜色的一致性、色温漂移、蓝光对生物安全造成的影响等问题在业界还存在争议，虽然LED还不能够完全取代传统光源灯具，但这并不阻碍LED照明产业的发展。

LED灯具系统光效已逐步超过了传统灯具，价格也较传统灯具有较强的竞争力。并具有某些传统光源和灯具所不具备的优势(如寿命长、即点即亮、无限制地连续开关、可以在低温及振动的恶劣环境下使用、没有红外和紫外线输出、不含汞、对环境无害等)。

LED光源及灯具还将带来照明数字化革命。如某公司的HUE球泡可以运用无线网控制开关、调光和变色，或只需一根网线即可实现POE供电及灯盘的控制。可以预见，在不久的将来，LED灯具不仅会在照明领域大量使用，而且每套灯具都可能具有一个IP地址，成为网络中的一个节点，可以在网络终端监控所有灯具。

1.3LED光源与传统节能光源灯具参数对比

不同类型LED光源与传统光源灯具的参数对比结果见表1～4。

表1～4所列数据是设计中常用的灯具和配用光源，由数据可知，LED灯具的系统光效通常为75～100 lm/W，而传统光源灯具通常为30～55 lm/W。可见LED灯具的系统光效要高于传统灯具1倍左右，即在同等照度下，采用LED灯具约比传统灯具节能50%。

其实，传统光源的光源光效是非常高的，但在计算灯具系统光效时，首先要考虑镇流器的损耗，其次是由灯具反射器等光学元件造成的损失(例如配有高反射铝及优秀配光设计的格栅灯盘，效率约70%)，所以，即使采用高光效光源的高效率格栅灯盘的系统，光效也只能达到约72.5lm/W，仍然比目前主流LED灯盘系统光效低25%以上(LED灯盘光效100lm/W)。

2LED照明设计应该注意的几个问题

2.1LED照明器的适用场所

由于LED技术还存在诸多瓶颈，现阶段LED并不能完全取代传统光源，所以应首先选择在规范中推荐使用LED的场所和部位设置LED灯具。

依据新规范的相关规定和条文解释可知，宜采用LED灯的场所为：旅馆客房、居住建筑、公共建筑的走廊、楼梯间、厕所、地下车库行车道及停车位；长时间无人停留，只做短时检查、巡视和短时操作的场所(如库房；电气、暖通、给排水专业的设备机房等)。快速点亮的LED光源也可以用于应急照明，而办公室等类似房间不推荐采用LED光源和灯具。因LED射灯的光束角可以设计得更窄，使中心光强更高，因此也可以作为商店的重点照明使用。

2.2电源驱动器及功率因数

LED电源驱动器的作用在于向LED芯片提供恒定的低压直流电源，电压等级一般为12VDC、24VDC、36VDC。电源驱动器分为恒压型、恒流型和可调光型。通常LED光源或LED室内灯具会配备电源驱动器，无需单独配置。

电源驱动器的两个主要参数是电源转换效率和功率因数。转换效率为驱动器输出功率与输入功率的比值。损耗的能量为产生的热量，这会降低LED光源和一体化灯具的光效和寿命。另外，电源驱动器是否配置PFC补偿电路对LED灯具的功率因数有至关重要的影响，不含PFC电路的LED灯具的功率因数约为0.6，若大面积使用此类灯具会造成无功功率和视在功率的大幅增加，反而不节能，因此，在设计文件中应要求LED灯具的功率因数≥0.9，并强调电源驱动器需要配置PFC补偿电路才可满足照明设计规范的要求。

2.3光源光效与系统光效的区别

由于LED照明市场现阶段还不够规范，标准的制定不够统一，市场相对混乱，有些厂家用光源的光效代替系统光效进行产品宣传，以此来强调其产品的高光效和节能优势。众所周知，参与照明功率密度计算的参数是灯具系统光效而非光源光效，因此这里有必要重温一下光源光效与系统光效的概念。

光源光效(即光源的发光效能)：光源发出的光通量除以光源功率所得之商。

系统光效(即灯具效能)：在规定的使用条件下，灯具发出的总光通量与其输入功率(主要包括光源本身耗能和电源驱动器或镇流器耗能，此为系统功率)之比。

由上述定义可知，灯具的系统光效不仅取决于光源光效，与其灯具效率、镇流器损耗或LED电源驱动器都有很大关系。LED灯具所对应的光源光效一般指LED芯片的光效(在实验室25℃恒温下测得)，而灯具在实际使用中芯片节温会超过90℃，其光效会大幅降低，又考虑到光学损失和驱动器能耗等，一般优良的LED灯具系统光效只有LED芯片光效的70%，如果灯具的散热不好、光学损失大且驱动器效率低，系统光效甚至会低于芯片光效的50%。

因此，不能将光源光效和系统光效混为一谈，设计人员在采用LED做照明设计时应谨慎选择。

表1　传统光源筒灯与LED筒灯的技术参数对比

表2　传统直管格栅荧光灯与LED灯盘、LED支架灯的技术参数对比

表3　金属卤化物天棚灯与LED天棚灯的技术参数对比

表4　圆形吸顶灯与LED圆形吸顶灯的技术参数对比

注：1.表1～4中所列数据为经过比较选取的技术指标较好的品牌和产品。

2.表1～4传统光源中“系统功率”一列数据为光源功率与电子镇流器(或节能型电感镇流器)功耗总和，电子镇流器功耗按光源功率的0.1倍计，节能型电感镇流器功耗按光源功率的0.2倍计。

3.表1～4中所列光通量为样本中给出的光源光通量标称值，对于LED光源已考虑了芯片节温对光源光效的影响。

4.表1～4中传统灯具的灯具效率为此类灯具效率的平均值。

3典型场所采用LED灯具及传统光源灯具的照度计算结果分析

本文仅选取规范建议使用LED照明的三个场所进行照度计算并加以分析。

利用系数法平均照度计算公式：

(1)

式中：N为光源数量；Φ为光源光通量，lm；U为该款灯具对应的利用系数；K为灯具维护系数；A为房间面积，m2。

3.1案例一

某走廊，长31m，宽2.5m，层高4.5m，吊顶高度2.8m，吊顶反射率50%，墙面反射率50%，地面反射率10%，灯具维护系数0.8，室形指数0.83。要求按一般走廊照度标准值50lx进行照明设计。

(1)采用LED计算

拟在走廊设置9套LED筒灯，单行布置，嵌入式安装。选用的LED系统功率为8W，光通量820lm，利用系数0.69。

平均照度：

Eav=9×820×0.8×0.69/(31×2.5)=53lx

LPD=9×8 /(31×2.5)=0.93W/m2<2.5W/m2

均匀度U0=0.73

(2)采用传统光源计算

设置10套4针横插管筒灯，其系统功率为18×1.1=19.8W，光通量1 200lm，利用系数0.387。平均照度：

Eav=10×1 200×0.8×0.387 /(31×2.5)=48lx

LPD=10×19.8/(31×2.5)=2.55W/m2>2.5W/m2

均匀度U0=0.73

(3)功率密度超过现行值要求，更改照明方案

现设置5套4针横插管筒灯，其系统功率26×1.1=28.6W，光通量1 800lm，利用系数0.53。

平均照度：

Eav=5×1800×0.8×0.53/(31×2.5)=49lx

LPD=5×28.6/(31×2.5)

=1.85W/m2<2.5W/m2

均匀度U0=0.37

从计算数据可以看出，采用LED光源时，走廊的照度值满足照度值偏差10%的规定，且功率密度值满足规范要求；当采用传统光源灯具时，虽然存在满足规范对于照度、功率密度要求的灯具，但均匀度稍差，未满足普通走廊均匀度需达到0.4的要求。LED较传统光源灯具节电约50%，节能优势明显，并且平均照度更高。综合考虑后，普通走廊采用LED灯具的照明方案更优。

3.2案例二

走廊室形参数与案例中参数相同，但吊顶反射率70%，墙面反射率50%，地面反射率20%，灯具维护系数0.8。设计照度值按100lx进行照明计算。

(1)采用LED

拟设置20套筒灯，两行布置，每行10套，采用的灯具参数不变，利用系数0.64。

平均照度：

Eav=20×820×0.8×0.64 /(31×2.5)=108lx

LPD=20×8 /(31×2.5)

=2.06W/m2<4W/m2

均匀度U0=0.74

(2)采用传统光源灯具

拟设置24套系统功率为13×1.1=14.3W的四针横插管筒灯，光通量900lm，两行布置，利用系数0.44。

平均照度：

Eav=24×900×0.80.44/(31×2.5)=98lx

LPD=24×14.3/(31×2.5)

=4.43W/m2>4W/m2

均匀度U0=0.74

(3)功率密度超过现行值要求，更改照明方案。

现设置20套系统功率为18×1.1=19.8W的四针横插管筒灯，光通量1 200lm，两行布置，利用系数0.38。

平均照度：

Eav=20×1 200×0.8×0.38 /(31×2.5)=94lx

LPD=20×19.8/(31×2.5)

=5.1W/m2>4W/m2

均匀度U0=0.76

(4)更换灯具、光源后，功率密度仍然超过现行值要求，需再次更改照明方案。

现设置10套系统功率为26×1.1=28.6W的四针横插管筒灯，光通量1 800lm，单行布置，利用系数0.54。

平均照度：

Eav=10×1800×0.8×0.54 /(31×2.5)=100lx

LPD=10×28.6×1.1/(31×2.5)

=3.69W/m2<4W/m2

均匀度U0=0.73

采用LED灯具时，走廊的照度值满足照度值偏差在10%内的规定，功率密度值也满足要求。但采用传统13W及18W筒灯光源时，功率密度超过限制，主要原因是系统光效以及灯具利用系数较低，已不能满足新规范更加严格的节能要求，因此更换为系统光效和灯具利用系数相对较高的26W节能筒灯。尽管如此，LED照明方案较26W传统光源筒灯方案节电约50%，并且可以获得更高的平均照度。所以，LED筒灯是替代走廊传统光源筒灯的良好选择，可以避免功率密度超标。

3.3案例三

某地下车库局部区域面积25.2m×8.4m，层高4.5m，顶板反射率30%，墙面反射率50%，地面反射率10%，灯具维护系数0.7。要求按照度标准值50lx进行照明设计。

(1)采用LED计算

拟设置12套LED支架灯，每套功率1×20=20W，光通量1 900lm，管吊安装高度4m，利用系数0.65。

平均照度：

Eav=12×1 900×0.7×0.65/(25.2×8.4)=49lx

LPD=12×20/(25.2×8.4)

=1.13W/m2<2.5W/m2

均匀度U0=0.6

(2)采用传统光源计算

拟设置12套开启式T5直管荧光灯，每套功率1×21=21W，光通量1 925lm，管吊安装高度4m，利用系数0.68。

平均照度：

Eav=12×1 925×0.7×0.68/(25.2×8.4)=52lx

LPD=12×21×1.1/(25.2×8.4)

=1.3W/m2<2.5W/m2

均匀度U0=0.58

两种照明方案的照度、功率密度均满足规范要求，但传统光源灯具的均匀度稍低。LED照明方案较传统光源方案节电约13%，节能效果不及案例一、二明显，主要原因是T5高效直管荧光灯配反射器的照明灯具效率较高，而LED支架灯未配有反射器，从某种程度减少了光源光通量，使有效光通量降低。如果单从节能方面考虑，LED照明方案仍然是不二的选择。此外在地下车库照明系统中，忙、闲时段分明，需要进行感应控制时，长期开关荧光灯将影响其使用寿命，此时采用LED支架灯的照明方案较优。

4结束语

现阶段各类工程对于设计是否采用LED灯具不能一概而论，应客观地加以分析再逐步推广。LED照明在节能方面的优势不容置疑，但由于LED照明产品本身还存在问题，以及进口LED产品价格比较昂贵，国产品牌产品还存在实际使用效果不佳、色衰相对严重、实际使用寿命偏短问题等。因此，如果传统节能光源灯具的照度计算满足GB 50034-2013《建筑照明设计标准》中关于功率密度和照度的要求时，仍然是现阶段最适用的光源。但对于某些场所，尤其规范中明确提及使用LED的场所(如走廊，采用LED照明方案具有明显的节能优势)及一些有感应、调光要求的照明场所，也建议设计人员积极采用LED灯具。

LED作为新兴照明产品，应该从设计阶段逐步尝试、客观推广，才能在应用阶段不断发现问题、总结经验，从而推动LED照明产业的健康发展。

参考文献

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[6]胥正祥. 照度(Eav)、照明功率密度(LPD)简易计算法[J]. 智能建筑电气技术，2013，(8)：10-15.

从设计阶段推进LED照明器的使用

马宁

(中旭建筑设计有限责任公司，北京 100044)

摘要通过说明在设计阶段推进LED照明器使用的原因，阐明在设计中应该注意的几个关键问题。并依照节能要求更加严格的新版GB 50034-2013《建筑照明设计标准》相关条款对典型场所使用LED灯具和传统光源灯具的照度计算结果进行对比分析，总结出设计人员应从实际情况出发，客观地推进LED照明器的发展。

关键词LED光源光效系统光效照度照明功率密度