綜合醫院室內公共區域LED照明應用探討

高永良，王 恒，劉兆海，劉 煉，雷小明

(重慶大學附屬第一醫院，重慶 400016）

0 引言

醫療系統室內公共區域主要包括候診大廳、各種走廊過道、護士站等區域，這些區域往往是醫院中人流量大，照明時間最長的區域。選擇一種合理的照明方式，有助于提升醫院形象，安撫病人在候診期間的情緒，以及起到節能、減排，減少醫院維護工作的作用。

近年來，隨著 LED(Light Emitting Diode）技術的發展，LED已被越來越多地應用于顯示屏、背光源、汽車車燈、景觀照明等領域，同時也開始應用在室內照明領域。目前，LED憑借其高亮度、高可靠性、低使用成本、壽命長、環境適應能力強等特點，作為一種新型照明方式，已經成為當前新技術應用的熱門話題。因此對于大型綜合醫院探討采用LED照明的可行性，并進行嘗試，顯然是一件非常有意義的工作。

本次應用嘗試選擇了重慶醫科大學附屬第一醫院，該院是一所集醫療、教學、科研、預防、保健為一體的重點大型綜合性醫院，具備充分的實驗場地。本次試驗將從三個方面進行統計，一是試驗場地內照明用電量，二是照度值，三是通過三個月的照度測試統計出光衰值。通過這三個方面的數據統計，將分別得出采用LED照明相對傳統照明產生的經濟效益，以及光衰數據的對比，證明在綜合醫院采用LED照明的優勢。

1 LED發光原理

發光二極管是由P型和N半導體組成的二極管，見圖1。在LED的P－N結附近，N型材料中多數載流子是電子，P型材料中多數載流子是空穴。結上未加電壓時構成一定的勢壘，當加正向偏壓時，在外電場作用下，P區的空穴和N區的電子就向對方擴散運動，構成少數載流子的注入，從而在P－N結附近產生導帶電子和價帶空穴的復合，同時釋放出相對應的能量hυ(h為普朗克常數，υ為光子頻率）而發光。該能量相當于半導體材料的帶隙能量E g(E v），其與發光波長λ(nm）的關系為λ=1239.6/E g。因此，只要有理想的半導體材料就可以制成各種光色的LED。自1993年白光LED發明以來，光效逐年提升，目前批量生產的白光LED已經超過140 lm/W，遠遠高于目前節能燈的80 lm/W。

圖1 LED發光原理示意圖

2 照明對比試驗方案的確定

為了盡快得出LED照明與傳統照明之間的對比數據，兼顧數據科學翔實。本次試驗選定兩個場地，一是醫院的1～4樓候診大廳，這4層樓建筑結構完全相同，且大廳中的內部布局完全一致，每層樓面積為736 m2。1～2樓采用LED筒燈照明，一對一替換原有節能筒燈，3～4樓采用全新節能燈，也一對一替換原有節能燈，并保證四層樓電氣回路完全相同。另選取外科大樓18～19樓過道及護士站，兩層樓之間也滿足環境相同，電氣回路一致的原則，每層樓面積為258 m2。測試中18樓采用LED日光燈照明，19樓采用傳統熒光燈照明。分別采用力創電工型號為LCDG－DG 110－60的單相電子式電能表測試各層樓的用電量;英雷科電子型號為ELR－R－H的型數顯累時器測試各個回路的照明時間;泰仕型號為TES－1332A的照度計測試照度數據，并按照GB5700－2008規定的照明測試方式選擇照度測試點。在照明測試方案中，測試時間設定為3個月，每10～20天記錄一次數據。數據記錄方案如表1所示。

表1 數據記錄方案

在測試之前，規定原則上每個回路均每天24 h照明，并且在每個回路均安裝了帶累時器的電表，每個回路控制一個開關，只有當該回路通電時，累時器才工作，這樣就很好地避免了因意外導致回路不通電，而記錄時間依然在累積增加的情況發生。

3 測試結果

經過三個月(2375 h）共9次測試，共獲取數據3780個，其中有效數據3775個。將各個回路的用電量相加，可計算出門診大廳1，2樓共計耗電7059.4 kW/h;3，4樓共計耗電12789.5 kW/h。每次記錄數據曲線圖2所示。

從圖2可以看出經過三個月的測試，LED用電量是節能燈用電量的55%。直接節能45%。

圖2 重慶醫科大學附屬第一醫院門診大廳LED與節能燈用電量對比

門診大樓各個樓層均設置了80個測試點，經過9次測試，將每次照度測試值進行平均。各個樓層的照度測試值如圖3所示。其中一樓首次測試平均照度為114.6 lx，最后一次測試照度為113.06 lx，光衰為1.4%;二樓首次測試平均照度為119.15 lx，最后一次測試照度為114.31 lx，光衰為4.1%;三樓首次測試平均照度為102.14 lx，最后一次測試照度為 97.07 lx，光衰為5%;四樓首次照度測試平均照度為86.4 lx，最后一次測試平均照度為79.4，光衰為8.2%。

圖3 重慶醫科大學附屬第一醫院門診大廳LED與節能燈照明照度測試對比

將各個回路的用電量相加，可計算出外科十八樓共計耗電3981.5 kW/h;十九樓共計耗電7624.7 kW/h。每次記錄數據曲線圖如圖4所示。

圖4 重慶醫科大學附屬第一醫院外科樓LED與節能燈用電量對比

從圖4中可以看出經過三個月的測試，LED用電量是熒光燈用電量的52%。直接節能48%。

18，19樓層均設置了80個測試點，經過9次測試，將每次照度測試值進行平均。各個樓層的照度測試值如圖5所示。其中18樓首次測試平均照度為147 lx，最后一次測試照度為139.4 lx，光衰為5.2%。19樓首次測試平均照度為79.5 lx，最后一次測試照度為 64.4 lx，光衰為 19%。

圖5 重慶醫科大學附屬第一醫院外科樓LED與熒光燈照度測試對比

4 結果分析與討論

根據測試結果，可以看出LED的光衰明顯低于傳統照明，尤其是LED照明與傳統熒光燈比較，更是具有明顯優勢。將照度結果歸一化處理，可以計算出LED相對于傳統照明在相同照度條件下，產生的節能效益。

表2 LED比傳統照明節能分析表

由表2可以看出，門診大廳LED照明對比傳統節能燈，節能率高達54.2%，LED照明對比傳統熒光燈，節能率高達73.7%。

傳統節能燈或熒光燈內有兩個電極，在啟動時產生高壓，擊穿汞蒸氣。當汞原子在電場作用下，不斷從原始狀態被激發成激發態，繼而發生躍遷到基態，并輻射出波長253.7 nm和185 nm的紫外線(主波長253.7 nm，約占全部輻射能的70% ～80%）。這些紫外線輻射到燈管壁上的的電子發射材料，即俗稱的熒光粉。熒光粉吸收紫外線的輻射能后發出可見光。

LED則是通過P－N結附近產生導帶電子和價帶空穴的復合，同時釋放出相對應的能量hυ(h為普朗克常數，υ為光子頻率）而發光。由于發光原理的區別，兩種光源的發光能力也不一樣。

熒光燈開始走向市場并大規模應用是在上世紀40年代，光效為40 lm/W。經過幾十年的發展，目前熒光燈光效可達80 lm/W。

1996年第一只白光LED光效為30 lm/W，隨著半導體材料的迅速發展，目前 LED光效已達140 lm/W。

通過以上數據可以發現，LED相對傳統燈具，有著明顯的優勢和廣闊的發展空間。本次在綜合醫院公共室內區域LED應用的嘗試，印證了LED相對于傳統照明的節能效果。根據實驗數據顯示，節能效果達到55%～70%，這的確是一個令人振奮的實驗結果，傳統節能燈已經變得不節能。在自然資源日益緊張的時代，挖掘新型節能產品并應用在相應領域，合乎時代發展的需要，這是一次有意義的嘗試。并且通過一段時間的觀察，發現采用LED制作的燈具，光衰明顯小于傳統燈具，這也從實踐證明了LED具有長壽命的特點。

［1］吳淑梅，謝彥明，徐梅.LED光源在照明中的應用［J］.光源與照明，2008(3）

［2］王聲學，吳廣寧，蔣偉.LED原理及其照明應用［J］.光源與照明，2006(12）

［3］李秀華.熒光燈壽命影響因素的探討［J］.中國照明電器2010(11）

［4］吳海彬，王昌鈴.白光LED封裝材料對其光衰影響的實驗研究［J］.光學學報，2005(8）