LED灯在民用建筑中的应用探讨
2019-10-14蒋盼盼张振峰
林 琼 蒋盼盼 张振峰
(南华大学土木工程学院,湖南 衡阳 421001)
0 引言
半导体发光二极管(LED)灯飞速发展,LED灯节能效果好得到了很多人的认可。现在建筑市场,都在积极推广并应用LED灯具,那么究竟如何正确选用LED灯,这个问题值得大家探讨。
对于照明,分为几个阶段:第一阶段在我国困难时期,对于照明主要是满足人们基本的视觉需求,满足能看清楚。第二阶段,为了满足照明系统的高效、节能和环保问题,从而提倡“绿色照明”。现在是第三阶段,是一个以人的身心健康为主的时代,除考虑视觉要求和能效管理以外,更需要关注人的身心健康,因此提出了“健康照明”的新概念。不合适的LED灯具,短波蓝光比重过高,从而导致使用者出现视觉疲劳,从而导致人的视力慢慢下降;更严重的是,短波蓝光会直接穿透晶状体并且直接到达视网膜,导致眼睛发生一些病变,比如黄斑病变以及白内障等等,并且对于青少年儿童的影响更为突出。
所以对LED灯提出更多的质量诉求,如灯光的色表、显色性、眩光限制,以及过度蓝光的影响、电磁辐射、频闪效应等诸多问题需要考虑和解决。
1 LED灯的发展及现状
LED的出现已有半个世纪多的历史,早在1960年就出现红光LED,随后又出现黄光、绿光LED,主要用于仪表、显示屏的背景光,直到1994年东京大学赤畸勇和中村修二等研制出蓝光LED后,很快就于1996年合成出白光LED,从而使之进入照明领域,成为继热辐射电光源、气体放电光源之后的新型光源。
LED灯有亮度大、耗能低、寿命长等特点,更为突出的是启动快捷、可靠、调光性能特优,尤以调色温和变换颜色的功能,是以往任何光源所不具备的,所以逐步霸占当今灯具市场。目前应用在景观照明、艺术照明、装饰照明,以至舞台、播演、文旅等领域,能营造各种美轮美奂的场景,极具光的神奇和魅力。
目前用于照明的LED灯还存在一些问题:市面上的大多数LED光源产品,有些只是一味追求“照明”的那种美轮美奂的效果,所以重点大多数放在了提高光效,降低成本上。部分产品色温过高,显色性不佳,光谱分布不理想,眩光大,还有谐波含量大;其次还有市场不健全,低价竞争导致产品质量不高。
2 建筑照明对LED灯的技术要求
不同使用环境对于照明的要求不同,目前新制定的LED灯标准的规定与照明设计标准的规定非常一致或接近。GB 50034—2013建筑照明设计标准和GB/T 31831—2015 LED室内照明应用技术要求,对于长时间工作或停留的场所,选用LED灯的技术要求如下:
1)一般显色指数(Ra)不应低于80(对所有光源的要求);对道路照明,Ra不宜小于60[1]。
2)特殊显色指数R9应大于0[2]。R9为饱和红色,由于当前白光LED灯绝大多数是蓝光LED涂黄色荧光粉呈现的白光,其光谱缺乏长波段的红色。在美国提出R9为1~25可用,25~50为好,50~75则很好。日本把LED灯增加红光成分,称为“美艳色”。提高Rq对改善LED灯颜色质量意义很大。
3)灯的相关色温不宜高于4 000 K[1]。过高的色温使人感到不舒适,而且色温越高,则蓝光成分越大。
4)同类光源的色容差不应大于5 SDCM,室内洗墙照明应用时不宜大于3 SDCM;人员不长时停留场所不应大于7 SDCM[6]。
5)寿命期内LED灯的色品坐标和初始值的偏差在GB/T 7921—2008规定的CIE1976均匀色度标尺图中,不应超过0.007,GB/T 31831—2015也规定在灯点燃3 000 h后,不应超过0.007[1]。
6)LED灯在不同方向的色品坐标与其加权平均值偏差在GB/T 7921—2008规定的CIE1976均匀色度标尺图中,不应超过0.004。
7)由于LED灯为定向投光,表面亮度高,限制直接眩光更为重要。为此,灯具宜有漫射罩,否则,应有不小于30°的遮光角(当表面亮度大于500 kcd/m2时)。
8)LED灯的使用寿命不应小于25 000 h。当标称寿命为25 000 h时,工作3 000 h后的光通维持率不应小于96%,6 000 h的光通维持率不应小于92%[1]。
LED灯的色品性能(色调分级和代码)见表1。
表1 LED灯的色品性能(色调分级和代码)
3 LED照明系统的谐波和功率因数解析
3.1 谐波的危害
过大的谐波对电网和设备的危害甚多,主要有:
1)增加变压器和旋转电机的附加损耗;
2)增加配电线路的电能损耗;
3)3次谐波(包括9次、15次等)在三相四线制配电线路的中性导体(N)中呈3倍叠加,使N导体电流大增,可能导致过热而损坏,甚至引起电气火灾;
4)过大的谐波将导致功率因数(λ)降低;
5)对通信系统、电视机、导航系统、计算机等造成干扰;
6)对计量仪表导致计量误差,对继电保护造成误动或拒动。
3.2 LED灯系统的功率因数
按GB/T 31831—2015规定,LED高天棚灯、平面灯、线形灯以及功率大于5 W的筒灯,功率因数(λ)不应小于0.9,功率不大于5 W的筒灯,λ不应小于0.5[2]。
3.3 照明设备谐波限值标准
LED灯的驱动电源是电子产品,势必产生一定程度的波形畸变。国家标准GB 17625.1—2012电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16 A),该标准的C类设备为照明设备,其谐波限值列于表2(适用有功输入功率P>25 W的灯)[4]。
表2 C类设备(有功输入功率P>25 W)谐波限值
LED灯的谐波应符合国标GB 17625.1—2012,C类设备(照明)之输入功率P≤25 W的灯,应符合下列两项要求之一:
1)谐波电流不超过表3中按灯功率确定的限值;
2)用基波电流百分数表示的3次谐波电流不应超过86%,5次谐波不超过61%(其他要求略)。
表3 每瓦允许最大谐波电流
3.4 3次谐波对三相四线制配电线路之N导体影响和解决办法
1)三相平衡时,3次谐波电流在N导体中呈3倍叠加,可按式(1)计算:
(1)
2)如果一座建筑全部或大部分装设灯功率P≤25 W的LED灯,和配电子镇流器的荧光灯,符合GB 17625.1—2012规定的P<25 W灯的3次谐波最大允许值达86%,将此值代入式(1)可得[7]:
(2)
(3)
如不采取措施,仍按IC=100 A设计,必将导致N导体严重过热而损坏(也将引起相导体过热),甚至导致电气火灾。
3)这种情况下,如何选择导体截面,按GB 50054—2011的3.2.9条规定:N导体电流大于相导体电流时,应按N导体电流选择相导体及N导体截面[5](注:适用于电缆线路和穿管线路,N导体和相导体同处一电缆内或管内,成为一个共同发热体)。
为什么,第一,如此大的谐波电流存在,导致的危害很大,第二导致了功率因数大大降低,第三是线路截面成几倍增加,显然并非经济、合理之策[7]。
4)解决方案:从根本改善的办法是,应从降低谐波含量入手,如果把3次谐波降下来了,其他问题都解决了。因此,大量选用P≤25 W的LED灯应予特别订货,即在设计时,明确提出选用低谐波产品,即选择了3次谐波或总谐波(THD)小于30%(甚至20%)的灯,虽然价格贵些,但整体成本更低。
3.5 谐波对功率因数的影响和对策
功率因数应由两个因素所致[7]:
1)移相因素,感应电动机、电感镇流器等需要供给一定的无功功率QL(电感性),而产生φ角,使cosφ降低;
2)畸变因素,因电子器件、整流器、电子镇流器等导致波形畸变,产生多次谐波,也将使功率因数降低,由于没有φ角,不能用cosφ表述。
综合两个因素的功率因数,称之为λ(或P.F),其表达如式(4)所示:
(4)
而:
(5)
其中,THDI为电流总谐波畸变率,%;HRIh为第h次谐波电流含有率,%。
对于LED灯,可认为cosφ=1,其λ值取决于谐波含量,按GB 17625.1—2012及表1的限值,按式(4),式(5)计算结果如下:
P>25 W的LED灯,λ≈0.947;
P≤25 W的LED灯,λ≈0.5~0.6。
可见,只要把谐波电流降下来,λ必然提上去了。
4 LED灯的技术要求的作用
照明设计标准规定了对选用LED灯的技术要求,而LED灯产品标准也规定对生产的产品的技术质量要求。这就要求我们要将LED灯健康有序地应用[7]:
1)对于建筑市场要理性地推广应用,而不是盲目的“跟风”行动;
2)对于生产企业要致力于提高产品质量标准,扩大出口,进军国际市场;
3)工程设计和施工人员按不同使用场所,不同要求合理选用光源;
4)提高照明质量,更好地适应当今“健康照明”的新要求,创建更良好的视觉环境,有利于人们的身心健康。
5 结语
20年来我国LED灯发展迅速,取得了巨大成果,生产企业和科研部门作出了很大贡献,对照明领域的节能、环保发挥了重大作用。相信随着LED技术的不断发展,各行各业的共同努力,LED灯的各项性能会更加完美,LED灯具在建筑照明及其他领域将得到更好、更广泛的应用。