室內(nèi)led照明及燈具的能效分析

室內(nèi)led照明及燈具的能效分析

1現(xiàn)1.1led光效的現(xiàn)狀綠色技術(shù)正在迅速發(fā)展。截至2013年底，將商業(yè)所需的nw光顆粒（約40000k）達(dá)到130lm，這為在室內(nèi)照明中應(yīng)用綠色光顆粒提供了良好的基礎(chǔ)。這些顆粒的參數(shù)如表1所示。通過表1可以看出,目前主流的一線品牌大功率照明專用LED顆粒的光效基本都在100lm/W以上,高的可以達(dá)到130lm/W,因此LED推廣普及就有了充足的節(jié)能依據(jù)。但另一方面,由于市場的競爭加劇,尤其是國內(nèi)LED品牌并沒有上游芯片生產(chǎn)的能力,因此價(jià)格實(shí)際由芯片廠家控制,這肯定會(huì)造成惡性競爭,甚至出現(xiàn)以次充好的情況。1.2對能效指數(shù)要求的對比LED顆粒是不能直接使用的,顆粒在整合到燈具內(nèi)部后,由于增加了光學(xué)器件,光學(xué)效率有所降低,根據(jù)光學(xué)需求的不同,各種燈具的損耗也不同。對室內(nèi)應(yīng)用來說,大量的是筒燈、射燈、燈帶、燈盤等幾種形式。為了適應(yīng)室內(nèi)UGR、顯色指數(shù)、色溫、控制系統(tǒng)可操作性的要求,LED照明系統(tǒng)的能效指數(shù)(燈具的LOR、光源的光效)都會(huì)有所降低,市場上部分燈具參數(shù)如表2所示。通過表2可以看出,用于室內(nèi)照明的LED筒燈的綜合能效基本都可以達(dá)到60lm/W以上,這與傳統(tǒng)的節(jié)能筒燈僅有30~40lm/W的效率相比,優(yōu)勢極大。用于室內(nèi)的LED燈盤是另外一種應(yīng)用方式,使用面發(fā)光的燈盤(UGR可以控制得很好)基本都在60lm/W,而開放式的已經(jīng)可以達(dá)到100lm/W的高水平,隨著技術(shù)發(fā)展,肯定會(huì)逐漸在某些領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的燈盤。需要注意的是,顯色指數(shù)Ra只有75的設(shè)備無法在辦公、商業(yè)等區(qū)域使用,僅能應(yīng)用在公共通道等對顯色性要求低的場所;UGR為22的設(shè)備無法在辦公、部分商業(yè)中應(yīng)用,只能在對UGR要求較低的場所使用。由此可以看出,LED燈具的選擇,需要綜合考慮參數(shù)而不是簡單地只看功率就可以了。2與傳統(tǒng)的綠色照明設(shè)備相比下面分別從光源和燈具設(shè)備兩方面進(jìn)行對比。2.1led的性能及維護(hù)成本a.一體化節(jié)能燈CFL-I由于鎮(zhèn)流器內(nèi)置到光源內(nèi)部,受到光源散熱的影響,元器件的壽命一般都比較短。同時(shí)由于光源內(nèi)部空間有限,一體化節(jié)能燈光源的諧波、功率因數(shù)等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分體式節(jié)能燈。因此,目前一體化節(jié)能燈CFL-I多應(yīng)用于家用照明,其大規(guī)模使用會(huì)造成諧波過高,附加設(shè)備(如諧波柜)的成本會(huì)增加,同時(shí)由于壽命短,日后的維護(hù)成本也會(huì)增加。b.分離式節(jié)能燈CFL(分體式)相對于一體化節(jié)能燈,由于其鎮(zhèn)流器外置,性能可以大大提高,同時(shí)壽命可達(dá)10000h以上。從系統(tǒng)光效(包含電器的能耗)來看,分離式節(jié)能燈與一體化節(jié)能燈相差不大,節(jié)能方面沒有太大的優(yōu)勢。c.T5熒光燈的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他形式的節(jié)能燈,但14W或24W(所有600mm長的類型)的效率明顯低于1.2m和1.5m長的類型,同時(shí)大部分的T5光源平均壽命都可以達(dá)到16000~24000h。由于光源為360°發(fā)光,因此必須借助外部的燈具反射器來提升燈具效率,否則半柱面的發(fā)光利用率會(huì)極低,LED的壽命優(yōu)勢會(huì)有所抵消。d.LED目前的主流顆粒(大功率照明專用)的光效都已經(jīng)達(dá)到100~130lm/W,考慮電器損耗也會(huì)達(dá)到90~100lm/W,而且每個(gè)驅(qū)動(dòng)器帶的顆粒數(shù)量越多,系統(tǒng)能效會(huì)越高(一般驅(qū)動(dòng)和電源的能耗基本不會(huì)隨著顆粒數(shù)量變化而變化)。目前LED的效率已經(jīng)高于大部分的傳統(tǒng)光源,同時(shí),由于是單向發(fā)光,利用效率會(huì)大大提高。T5熒光燈光效也很高,但燈具性能的好壞會(huì)直接影響系統(tǒng)的效率,因此無法評判。2.2led燈盤效率和種類a.如果按照初始建設(shè)成本最低化考慮,傳統(tǒng)的CFL筒燈(節(jié)能筒燈)、格柵熒光燈是最佳的選擇(雖然初始成本低,但運(yùn)行后會(huì)造成高能源浪費(fèi)和維護(hù)更換頻繁的后果)。b.如果統(tǒng)籌考慮初始建設(shè)成本和維護(hù)成本、能源消耗等多方面因素,LED是最佳的選擇。c.辦公照明除了考慮燈具效率外,還必須考慮眩光控制,我國以UGR作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),而UGR=19是辦公室照明的推薦數(shù)值。UGR控制會(huì)影響燈具效率,UGR數(shù)值越低的燈具,其效率一般會(huì)越低。影響UGR數(shù)值的因素包括燈具安裝位置、燈具表面亮度、燈具表面尺寸、燈具觀察視角。d.目前LED筒燈的效率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出CFL節(jié)能燈筒燈,是節(jié)能的首選。但LED表面亮度比CFL筒燈高,因此需要更多考慮眩光控制問題,發(fā)光面過低或沒有遮蔽措施都會(huì)導(dǎo)致UGR過高。e.目前LED燈盤的效率已經(jīng)高出T5燈盤,但就目前來看,其優(yōu)勢還不足以抵消LED燈具的高昂價(jià)格。同時(shí)LED表面亮度比T5光源高,也需要更多考慮眩光控制問題。3led綜合費(fèi)效比LED照明相比傳統(tǒng)的照明形式,具有較高的節(jié)能優(yōu)勢,但并非所有的應(yīng)用領(lǐng)域都有絕對的優(yōu)勢,因此如何評判是否經(jīng)濟(jì)是目前的主要問題。在推廣節(jié)約型社會(huì)的概念時(shí),節(jié)約絕不僅僅只是一時(shí)的節(jié)約,而是在使用期限內(nèi)的綜合費(fèi)效的對比。因此筆者推薦使用一個(gè)參數(shù)作為對比的基準(zhǔn):LED綜合費(fèi)效比ε(此參數(shù)是筆者第一次提出,希望可以在應(yīng)用中論證并完善),筆者給它的定義如下:式中:A———能源參數(shù),A=P×t×μ,P為功率,t為年運(yùn)行時(shí)間,μ為設(shè)備類型(燈盤形式取0.3,筒燈形式取1.2,射燈形式取2.5,燈帶形式取4,此參數(shù)可能會(huì)隨著技術(shù)進(jìn)步而發(fā)生變化);M———運(yùn)行電費(fèi)單價(jià),元/kWh;m———運(yùn)行維護(hù)系數(shù)(射燈取1.5,筒燈取1.2,燈盤取1.1,燈帶取1.1);Li———壽命系數(shù)(射燈取8,筒燈取2.5,燈盤取2,燈帶取2);k———照明形式系數(shù)(直接照明方式燈具取1;間接或側(cè)發(fā)光方式燈具取2.2);pr———LED燈具單價(jià),元。判定標(biāo)準(zhǔn):非常優(yōu)秀ε≥2;優(yōu)秀ε≥0.5;合格ε≥0.15;不能接受ε≤0.15。為了說明計(jì)算內(nèi)容的有效性,舉例計(jì)算如表3所示。4傳統(tǒng)照明設(shè)備的缺陷在LED照明燈具應(yīng)用過程中,我們發(fā)現(xiàn),由于LED的光學(xué)特性與傳統(tǒng)的照明設(shè)備有一定的差異,因此在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),往往誤差很大,大部分的時(shí)候會(huì)造成浪費(fèi)。同時(shí)不同的發(fā)光原理也會(huì)造成對LED照明的主觀評測結(jié)果不同于傳統(tǒng)燈具。4.1光學(xué)類型的led燈在大部分的日常照明的照度等級核算時(shí),很多非專業(yè)機(jī)構(gòu)使用的是利用系數(shù)法,這個(gè)算法精度不夠。由于同功率燈具的效率、光學(xué)特性等可能存在較大差異,最多的可能會(huì)差到40%。每一種光學(xué)類型的LED燈具(同一種燈具的每個(gè)光學(xué)類型,即使是同型號(hào),配光不同,利用系數(shù)也會(huì)不同)都有各自準(zhǔn)確的利用系數(shù)表,這個(gè)表格由設(shè)備廠家提供,較為精確。如果按照傳統(tǒng)燈具的利用系數(shù)經(jīng)驗(yàn)套用,會(huì)造成很大浪費(fèi)。當(dāng)然,如果使用逐點(diǎn)計(jì)算的方法會(huì)獲得最大的精確度。4.2ugr視野下場景下燈具的使用情況LED燈具的表面亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的直管熒光燈和節(jié)能燈,因此對眩光的限制就顯得比傳統(tǒng)燈具要重要得多。目前國內(nèi)使用UGR(統(tǒng)一眩光指數(shù))作為室內(nèi)眩光評測的參數(shù),公式為:式中:Lb———背景亮度,cd/m2;p———每個(gè)單獨(dú)燈具的位置指數(shù)。UGRCEN修正數(shù)據(jù)=UGRCEN未修正數(shù)據(jù)+8lg(光源光通量/1000)最終的修正數(shù)據(jù)才是能夠使用的。從以上公式可以看出,燈具的表面亮度、燈具尺寸、使用時(shí)燈具對正常視線范圍的影響都會(huì)影響UGR的數(shù)據(jù)。除了用這個(gè)公式可以計(jì)算出UGR的結(jié)果數(shù)值外,我們還使用主觀評測的方法進(jìn)行了采樣和說明,如圖1所示。選擇的照明設(shè)備包括:a.測試燈具編號(hào)1:帶防眩光遮蔽環(huán)的LED燈具(使用LED模組形式),功率13W,光通量980lm,色溫3000K;b.測試燈具編號(hào)2:無防眩光遮蔽環(huán)的LED燈具(使用LED模組形式),功率13W,光通量980lm,色溫3000K;c.測試燈具編號(hào)3:無防眩光遮蔽環(huán)的LED燈具(使用貼片+透光膜),功率15W,光通量1000lm,色溫300K;d.測試燈具編號(hào)4:無眩光遮蔽環(huán)的節(jié)能燈具,標(biāo)準(zhǔn)的2×18W,光通量2×1200lm,LOR55%,色溫3000K;e.測試燈具編號(hào)5:有眩光遮蔽環(huán)的節(jié)能燈具,標(biāo)準(zhǔn)的2×18W,光通量2×1200lm,LOR51%,色溫3000K。共有20個(gè)主觀評測人員對5個(gè)燈具進(jìn)行測試,結(jié)果如表4所示。通過表4可以看出,除去色溫和顯色指數(shù)影響因素,LED設(shè)備和節(jié)能筒燈的對比中,LED的眩光控制需求更高,單純使用傳統(tǒng)燈具的眩光控制措施對LED燈具來說,顯得不太夠用,這主要是LED過高的表面亮度造成的,因此,在LED室內(nèi)白光燈具的使用中眩光控制措施會(huì)顯得極為重要。4.3從熒光的角度上看,各有側(cè)重、分類、背景、背景。對于不同紅外光法分類的學(xué)生合成了背景兩與傳統(tǒng)照明相比,LED的光譜區(qū)別較大,通過圖2可以進(jìn)行對比說明。由圖2(上)可以看出,LED的光譜范圍在藍(lán)、綠、黃范圍比較豐富,而在紅光位置較差,僅與早期的熒光燈相似,因此,從視覺上,感覺會(huì)不太舒適。當(dāng)然現(xiàn)在的LED技術(shù)已經(jīng)解決了紅光缺失的問題(目前暖白光LED在不追求光效的前提下可以達(dá)到Ra=92或更好的數(shù)據(jù)),但會(huì)帶來造價(jià)的提升,這一點(diǎn)對造價(jià)比較敏感的室內(nèi)照明來說是需要考慮的。4.4led室內(nèi)照明的切相調(diào)光原因很多人認(rèn)為LED燈具是介于電子產(chǎn)品和照明產(chǎn)品之間的產(chǎn)品,因此調(diào)光會(huì)比較方便和便宜,但事實(shí)并非完全如此。由于LED的原理造成我們很多傳統(tǒng)的調(diào)光方式(如1~10V模擬方式、主供電切相調(diào)光等)都無法或不能完美地在LED室內(nèi)照明中應(yīng)用。LED的芯片工作電壓一般在2.5~3.5V之間,正常工作時(shí),正向?qū)ǖ腖ED從電氣角度上講,就是一個(gè)二極管,電阻極小,微小的電壓變化會(huì)帶來很大的光輸出變化,這也就是為什么傳統(tǒng)的模擬調(diào)光、切相調(diào)光對LED燈具的調(diào)光支持性并不好的原因,如熒光燈、節(jié)能燈使用模擬調(diào)光可以降低到3%的輸出,而LED使用切相調(diào)光很難達(dá)到8%以下,且極容易出現(xiàn)頻閃等問題,這主要和燈具的驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。因此使用LED室內(nèi)功能照明設(shè)備調(diào)光的最好的方法是應(yīng)用DALI協(xié)議。4.5led光催化作用原理節(jié)能是大勢所趨,但是,在LED開發(fā)過程中,照明設(shè)計(jì)人員對各種色光作用于人的視覺產(chǎn)生的一系列心理、生理等方面效應(yīng)缺乏了解,以致帶來光生物安全方面的問題?，F(xiàn)今大多數(shù)照明用白光LED采用藍(lán)光芯片直接發(fā)出藍(lán)光,藍(lán)光激發(fā)YAG黃色熒光粉后,一部分轉(zhuǎn)化成黃光,與藍(lán)光一道合成白光。與三基色熒光粉發(fā)光合成的白光不同,同樣的相關(guān)色溫和色坐標(biāo),LED的發(fā)射光中藍(lán)光含量遠(yuǎn)多于三基色熒光燈。目前主流GaN芯片的阻擋層及輻射光譜參數(shù)為:阻擋層電勢2.62~2.74V,相應(yīng)的輻射光子能量2.62~2.74eV,輻射譜中心波長450~470nm,相應(yīng)視見函數(shù)分別為0.091~0.038,輻射譜帶半寬度30nm。當(dāng)輻射譜激發(fā)YAG黃色熒光粉混合了藍(lán)光,形成圖2所示的發(fā)射光譜。圖中左峰為LED發(fā)射光譜,右峰是1個(gè)550nm激發(fā)黃色熒光粉的發(fā)光光譜。黃色熒光粉不容易吸收藍(lán)色光子。如果按照550nm激發(fā)YAG的技術(shù),要產(chǎn)生200lm/W的光效,轉(zhuǎn)換效率需達(dá)到60%。而目前普通水平的轉(zhuǎn)換效率只有20%~30%。因此,大量藍(lán)光就存在于LED的輸出光譜中了。各國照明組織一致認(rèn)為,4000K以上高色溫白光LED對人的生物安全和健康會(huì)帶來一定危害。從圖3可以看出,4000K的白光LED已經(jīng)比熒光燈的藍(lán)光輻射亮度高出很多,再考慮到LED極強(qiáng)的定向性,投射到被照面后,藍(lán)光輻射能量高出8~10倍都是有可能的。因此,在室內(nèi),不要使用超過4000K的LED照明燈具。而在低色溫段,高顯色的LED的藍(lán)光輻射數(shù)值比熒光燈還要低,因此,可以在室內(nèi)安全使用Ra>80的2700~3300K色溫段的LED功能照明燈具。藍(lán)光的危害包括:①褪黑素抑制作用導(dǎo)致的內(nèi)分泌失調(diào);②眼睛黃斑區(qū)毒素量提高,并造成不可逆的眼病,尤其是對年齡小