LED 燈與熒光燈的照明效果對比及經(jīng)濟(jì)性分析

田向偉 馬 立 靳俊杰

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

隨著我國對節(jié)能減排政策的大力推廣，節(jié)約能源的觀念也越來越深入人心，在各個領(lǐng)域都在盡力降低能耗。在電能消耗中，照明用電量占發(fā)電總量的比例:發(fā)達(dá)國家是19%，我國是12%[1]，隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，照明用電量所占的比例必將進(jìn)一步增加，在照明這部分中降低能耗也顯得越發(fā)有必要性。據(jù)國家相關(guān)部委出臺的公告，我國從2012年10月1日起，按功率大小分五個階段逐步禁止進(jìn)口和銷售普通照明白熾燈，這標(biāo)志著我國的照明行業(yè)在政策促進(jìn)下加速邁入“節(jié)能時(shí)代”。

LED燈作為一種新型光源燈，具有功耗低、發(fā)光效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)越來越受到市場的青睞，特別是隨著大功率LED器件的研發(fā)不斷取得突破，LED燈的應(yīng)用也日趨普及，LED燈也必將成為未來節(jié)能燈中的主流。本文通過對15 W的LED燈與40 W的熒光燈的測量并進(jìn)行分析，來體現(xiàn)出LED燈的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，為未來在室內(nèi)LED燈取代熒光燈提供了依據(jù)。

1 LED燈簡介

1.1 LED燈發(fā)光原理

LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)被稱為“第四代光源”，也是未來“綠色照明”的主角[2]。其核心的部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體所組成的晶片。在P型半導(dǎo)體內(nèi)含有大量帶負(fù)電荷的電離雜質(zhì)和帶正電荷的空穴，如果在電場的作用下，空穴可以移動，而電離雜質(zhì)(離子)卻固定不動;N型半導(dǎo)體內(nèi)含有許多固定的正離子和可動的負(fù)電子[3]。在PN結(jié)外加上電壓，通過在P端接正極，N端接負(fù)極，電流便能從P型端流向N型端，空穴和電子都向界面運(yùn)動，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過。反之，若電壓順序接反，則電流不能通過。利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕诎雽?dǎo)體晶片的兩極加上正向電壓，半導(dǎo)體中載流子發(fā)生復(fù)合，就會把多余的能量釋放出來而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能，光的強(qiáng)弱與電流的大小有關(guān)。

1.2 LED 燈的優(yōu)點(diǎn)

LED燈的優(yōu)點(diǎn)明顯，燈光是由超導(dǎo)發(fā)光晶體產(chǎn)生超高強(qiáng)度的光，采用電場發(fā)光，發(fā)熱量很少，比白熾燈和熒光燈均要少，不會以熱量形式浪費(fèi)太多電量;光譜幾乎全部集中于可見光頻段，光譜中幾乎沒有紫外線和紅外線，顯色性高，且發(fā)光效率可達(dá)80%～90%，無輻射，使用中不產(chǎn)生有害物質(zhì)(熒光燈易揮發(fā)汞蒸汽);屬于全固體冷光源，體積小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，抗震性好，工作電壓低，不像霓虹燈那樣要求高電壓而容易損壞;使用壽命長，由環(huán)氧樹脂固體封裝，壽命可達(dá)5年～10年;不需要鎮(zhèn)流器和啟輝器，減少了照明環(huán)境的電磁污染和噪聲污染，功率因數(shù)大;響應(yīng)時(shí)間小，響應(yīng)時(shí)間為納秒級，光色柔和，無眩光，且光方向性強(qiáng)，光通量利用率高。因而被全球公認(rèn)為環(huán)保節(jié)能型光源。

2 測量場所及相關(guān)測試方法

2.1 測量場所

測量場所選在西南科技大學(xué)某一小辦公室內(nèi)，該辦公室詳細(xì)情況見表1。

表1 辦公室相關(guān)參數(shù)

辦公室燈具所處的位置見圖1。其中燈具到測量桌面豎直高度為1.95 m。

2.2 測試方法

為了避免室外太陽光線對測量結(jié)果造成的影響，選擇在晚上進(jìn)行測量，此時(shí)，室外光線微弱，可忽略不計(jì)。該研究中15 W的LED燈和40 W的熒光燈的數(shù)目均為一支。

2.2.1 測量儀器

本測量中，采用HD2302.0精密光度計(jì)，分別測量LED燈和熒光燈的照度;采用電能綜合測試儀HSDZC分別測量LED燈和熒光燈的電流、兩端電壓、輸入功率、有功功率等參數(shù);采用熱電耦溫度計(jì)AZ8803測量熒光燈的燈管表面溫度以及LED燈管中許多小LED的表面溫度。

2.2.2 測點(diǎn)布置

該辦公室的室形指數(shù)為1.0，根據(jù)室形指數(shù)處在1～2時(shí)，最少測點(diǎn)數(shù)為9個[4]，依據(jù)GB 50034-2004建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，辦公室照明照度值測量的參考平面為高度0.75 m的水平面，在該研究中，辦公桌面高度為0.80 m，基本符合標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，因而可做一下布置(見圖2)，其中相鄰兩測點(diǎn)之間相距0.45 m，測量平面布置在燈具的正下方。

2.2.3 平均照度的計(jì)算

將測定范圍以縱橫線等間隔劃分為等面積的網(wǎng)格，以每個網(wǎng)格中心一點(diǎn)的照度測量值求出全部測量范圍的平均照度值，即按式(1)求其平均照度:

圖1 辦公室尺寸及燈具布置示意圖

圖2 照度測點(diǎn)平面布置圖

3 測量結(jié)果及相關(guān)分析

3.1 LED燈與熒光燈的電流、電壓等的測量

打開40 W的熒光燈，待光源的光輸出穩(wěn)定后，采用電能綜合測試儀HSDZC進(jìn)行測量，把40 W的熒光燈的電流、電壓、輸入功率、有功功率、頻率等依次記錄下來，其中，電流、電壓取1 h內(nèi)的平均值;把40 W的熒光燈換做15 W的LED燈，采用同樣方式進(jìn)行測量并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，可得出表2。

表2 LED燈與日光燈性能對比表

從表2中可以看出，實(shí)際使用電壓為219.5 V，接近額定電壓220 V，型號為15 W的LED燈的輸入功率和有功功率均為16 W，而型號為40 W的熒光燈的輸入功率和有功功率均為46 W，兩者相差整整30 W，后者是前者的2.9倍，這說明型號為40 W的熒光燈同時(shí)間內(nèi)的耗電量要比型號為15 W的LED燈大得多。

3.2 LED燈與熒光燈的平均照度的測量

照度的測量選擇在晚上進(jìn)行，關(guān)閉門窗及室內(nèi)電腦等設(shè)備，這樣可避免外界光線對測量結(jié)果造成不良影響。先打開40 W的熒光燈，待穩(wěn)定后，用型號為HD2302.0的精密光度計(jì)進(jìn)行測量;然后，用15 W的LED燈取代40 W的熒光燈的位置，并取下啟輝器，待光源的光輸出穩(wěn)定后，同樣用型號為HD2302.0的精密光度計(jì)進(jìn)行測量。照度分布及測量值分別見圖3，圖4。

圖3 熒光燈照度分布測量值

圖4 LED燈照度分布測量值

根據(jù)式(1)可計(jì)算出相應(yīng)的照度平均值，又由兩燈照度分布測量值，可列表3。

表3 LED燈與熒光燈照度測量值lx

從表3中可以看出15 W的LED燈比40 W的熒光燈的平均照度還要大8.92 lx，說明其節(jié)能明顯，此外，兩燈的平均照度之所以均不是很大，是因?yàn)樗鶞y量的對象LED燈和熒光燈的數(shù)目均為一支。圖5和圖6為兩燈的照明效果對比。

從圖5，圖6可以看出，LED燈在上部照亮的范圍略比熒光燈照亮的范圍“狹窄”些，原因是熒光燈燈管發(fā)光角度是360°，而LED燈管中的許多小LED是平面布置，顯然熒光燈的發(fā)光角度要比LED燈的發(fā)光角度大，但在燈下面的工作范圍內(nèi)，LED燈亮度比熒光燈略高些。

圖5 熒光燈照片

圖6 LED燈照片

3.3 LED燈管中LED的溫度與熒光燈燈管表面溫度的測量

對溫度的測量，該研究中采用型號為AZ8803的熱電耦溫度計(jì)。接上電源，打開開關(guān)，待光源的光輸出穩(wěn)定后，分別對40 W的熒光燈和15 W的LED燈進(jìn)行測量。其中，均進(jìn)行均勻布置，布置3個測點(diǎn)，分別位于燈的兩端和中間部位，3個測點(diǎn)同時(shí)測量，取1 h內(nèi)的平均值。相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 LED燈與日光燈表面溫度對比 ℃

可以看出，LED燈管內(nèi)LED表面溫度要比熒光燈表面溫度明顯低許多，證實(shí)了LED燈發(fā)熱量小，電能轉(zhuǎn)化為熱能也要比熒光燈少，這也是它節(jié)能的一個重要原因。此外，經(jīng)測量LED燈管外表面平均溫度僅有33℃，這樣，即使在LED燈發(fā)亮?xí)r，碰到了它也不會讓人感到很熱。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

該研究中15 W的LED燈實(shí)際功率為16 W，而40 W的熒光燈的實(shí)際功率為46 W，每天按開燈時(shí)間8 h，一個月使用天數(shù)22 d，一年按使用10個月來計(jì)算，對于一支15 W的LED燈每年的實(shí)際耗電量為:

對于一支40 W的熒光燈每年的實(shí)際耗電量為:

根據(jù)GB 50034-2004建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的300 lx～500 lx的標(biāo)準(zhǔn)值，該辦公室安裝4支15 W的LED燈或40 W的熒光燈基本可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。這樣每年LED燈的耗電量為:

而熒光燈的耗電量為:

每年熒光燈的耗電量要比LED燈多211.20 kW·h，也就是說如果把原來40 W的熒光燈換做15 W的LED燈，一年要節(jié)約211.20 kW·h，節(jié)能65.2%。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，每節(jié)約1度(kW·h)電，就相應(yīng)節(jié)約0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少排放0.272 kg的碳粉塵，0.997 kg CO2，0.03 kg SO2，0.015 kg 氮氧化物[5]。這樣的話，每年節(jié)約211.20度電，就相當(dāng)于節(jié)約84.48 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少57.45 kg 的碳粉塵，210.57 kg CO2，6.34 kg SO2，3.168 kg 氮氧化物，可見環(huán)保效果是非常明顯的。優(yōu)質(zhì)日光燈平均壽命6 000 h～8 000 h，而LED燈理論壽命可達(dá)50 000 h～100 000 h，取熒光燈的使用壽命為2年，LED燈的使用壽命為10年。每支熒光燈按照市場價(jià)格可取12元，LED燈取115元。每度電按0.6元來計(jì)算，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可得出兩種燈的經(jīng)濟(jì)性對比，見表5。

表5 LED燈與熒光燈經(jīng)濟(jì)性比較 元

從表5中可以看出，盡管LED燈的初投資比較大，但運(yùn)行費(fèi)用低，每年電費(fèi)要節(jié)省126.7元，投資回收期為三年，10年內(nèi)可節(jié)省1 047元，平均每年節(jié)省104.7元。對于一個面積僅為15.8 m2的小辦公室而言，無論是在節(jié)能上還是在經(jīng)濟(jì)效益上，LED燈的優(yōu)勢均是顯而易見的。

5 結(jié)語

通過在一間小辦公室中對15 W的LED燈和40 W的熒光燈的測試研究發(fā)現(xiàn)，在219.5 V使用電壓下，15 W的LED燈實(shí)際功率為16 W，而40 W的熒光燈實(shí)際功率為46 W，LED燈燈管散熱量比熒光燈小，而平均照度卻要比熒光燈高8.92 lx，二者照明效果非常接近。又對LED燈替代熒光燈進(jìn)行能耗及經(jīng)濟(jì)性分析，按房間安裝4支燈來計(jì)算，雖然LED燈初投資較大，但投資回收期只為3年，節(jié)能效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益也可觀。

盡管目前LED燈還存在很多問題，技術(shù)還有待進(jìn)一步完善，需要進(jìn)一步降低LED燈成本及提高LED燈質(zhì)量。然而，憑借它的節(jié)能、環(huán)保、照明效果、使用壽命等方面優(yōu)勢，未來在室內(nèi)照明推廣應(yīng)用，是一種必然的趨勢。

[1] 劉淑平，苑雅娟，馮艷紅.高亮度低成本太陽能LED燈具的研究[J].太陽能，2007(1):20-22.

[2] 陳大華，劉 洋，居家奇，等.綠色照明LED實(shí)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3] 任 霞.企業(yè)技術(shù)開發(fā)[J].LED燈與節(jié)能，2010，29(3):56-68.

[4] GB 50034-2004，建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] 高 飛，鄭炳松.照明與CO2的減排[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011，22(3):100-103.