LED燈在民用建筑中的應用探討

林 瓊 蔣盼盼 張振峰

(南華大學土木工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

半導體發光二極管(LED)燈飛速發展，LED燈節能效果好得到了很多人的認可。現在建筑市場，都在積極推廣并應用LED燈具，那么究竟如何正確選用LED燈，這個問題值得大家探討。

對于照明，分為幾個階段：第一階段在我國困難時期，對于照明主要是滿足人們基本的視覺需求，滿足能看清楚。第二階段，為了滿足照明系統的高效、節能和環保問題，從而提倡“綠色照明”。現在是第三階段，是一個以人的身心健康為主的時代，除考慮視覺要求和能效管理以外，更需要關注人的身心健康，因此提出了“健康照明”的新概念。不合適的LED燈具，短波藍光比重過高，從而導致使用者出現視覺疲勞，從而導致人的視力慢慢下降；更嚴重的是，短波藍光會直接穿透晶狀體并且直接到達視網膜，導致眼睛發生一些病變，比如黃斑病變以及白內障等等，并且對于青少年兒童的影響更為突出。

所以對LED燈提出更多的質量訴求，如燈光的色表、顯色性、眩光限制,以及過度藍光的影響、電磁輻射、頻閃效應等諸多問題需要考慮和解決。

1 LED燈的發展及現狀

LED的出現已有半個世紀多的歷史，早在1960年就出現紅光LED，隨后又出現黃光、綠光LED，主要用于儀表、顯示屏的背景光，直到1994年東京大學赤畸勇和中村修二等研制出藍光LED后，很快就于1996年合成出白光LED，從而使之進入照明領域，成為繼熱輻射電光源、氣體放電光源之后的新型光源。

LED燈有亮度大、耗能低、壽命長等特點，更為突出的是啟動快捷、可靠、調光性能特優，尤以調色溫和變換顏色的功能，是以往任何光源所不具備的，所以逐步霸占當今燈具市場。目前應用在景觀照明、藝術照明、裝飾照明，以至舞臺、播演、文旅等領域，能營造各種美輪美奐的場景，極具光的神奇和魅力。

目前用于照明的LED燈還存在一些問題：市面上的大多數LED光源產品，有些只是一味追求“照明”的那種美輪美奐的效果，所以重點大多數放在了提高光效，降低成本上。部分產品色溫過高，顯色性不佳，光譜分布不理想，眩光大，還有諧波含量大；其次還有市場不健全，低價競爭導致產品質量不高。

2 建筑照明對LED燈的技術要求

不同使用環境對于照明的要求不同，目前新制定的LED燈標準的規定與照明設計標準的規定非常一致或接近。GB 50034—2013建筑照明設計標準和GB/T 31831—2015 LED室內照明應用技術要求，對于長時間工作或停留的場所，選用LED燈的技術要求如下：

1)一般顯色指數(Ra)不應低于80(對所有光源的要求)；對道路照明，Ra不宜小于60[1]。

2)特殊顯色指數R9應大于0[2]。R9為飽和紅色，由于當前白光LED燈絕大多數是藍光LED涂黃色熒光粉呈現的白光，其光譜缺乏長波段的紅色。在美國提出R9為1～25可用，25～50為好，50～75則很好。日本把LED燈增加紅光成分，稱為“美艷色”。提高Rq對改善LED燈顏色質量意義很大。

3)燈的相關色溫不宜高于4 000 K[1]。過高的色溫使人感到不舒適，而且色溫越高，則藍光成分越大。

4)同類光源的色容差不應大于5 SDCM，室內洗墻照明應用時不宜大于3 SDCM；人員不長時停留場所不應大于7 SDCM[6]。

5)壽命期內LED燈的色品坐標和初始值的偏差在GB/T 7921—2008規定的CIE1976均勻色度標尺圖中，不應超過0.007，GB/T 31831—2015也規定在燈點燃3 000 h后，不應超過0.007[1]。

6)LED燈在不同方向的色品坐標與其加權平均值偏差在GB/T 7921—2008規定的CIE1976均勻色度標尺圖中，不應超過0.004。

7)由于LED燈為定向投光，表面亮度高，限制直接眩光更為重要。為此，燈具宜有漫射罩，否則，應有不小于30°的遮光角(當表面亮度大于500 kcd/m2時)。

8)LED燈的使用壽命不應小于25 000 h。當標稱壽命為25 000 h時，工作3 000 h后的光通維持率不應小于96%，6 000 h的光通維持率不應小于92%[1]。

LED燈的色品性能(色調分級和代碼)見表1。

表1 LED燈的色品性能(色調分級和代碼)

3 LED照明系統的諧波和功率因數解析

3.1 諧波的危害

過大的諧波對電網和設備的危害甚多，主要有：

1)增加變壓器和旋轉電機的附加損耗；

2)增加配電線路的電能損耗；

3)3次諧波(包括9次、15次等)在三相四線制配電線路的中性導體(N)中呈3倍疊加，使N導體電流大增,可能導致過熱而損壞,甚至引起電氣火災；

4)過大的諧波將導致功率因數(λ)降低；

5)對通信系統、電視機、導航系統、計算機等造成干擾；

6)對計量儀表導致計量誤差，對繼電保護造成誤動或拒動。

3.2 LED燈系統的功率因數

按GB/T 31831—2015規定，LED高天棚燈、平面燈、線形燈以及功率大于5 W的筒燈，功率因數(λ)不應小于0.9,功率不大于5 W的筒燈，λ不應小于0.5[2]。

3.3 照明設備諧波限值標準

LED燈的驅動電源是電子產品，勢必產生一定程度的波形畸變。國家標準GB 17625.1—2012電磁兼容限值諧波電流發射限值(設備每相輸入電流≤16 A)，該標準的C類設備為照明設備，其諧波限值列于表2(適用有功輸入功率P>25 W的燈)[4]。

表2 C類設備(有功輸入功率P>25 W)諧波限值

LED燈的諧波應符合國標GB 17625.1—2012，C類設備(照明)之輸入功率P≤25 W的燈，應符合下列兩項要求之一：

1)諧波電流不超過表3中按燈功率確定的限值；

2)用基波電流百分數表示的3次諧波電流不應超過86%，5次諧波不超過61%(其他要求略)。

表3 每瓦允許最大諧波電流

3.4 3次諧波對三相四線制配電線路之N導體影響和解決辦法

1)三相平衡時，3次諧波電流在N導體中呈3倍疊加，可按式(1)計算:

(1)

2)如果一座建筑全部或大部分裝設燈功率P≤25 W的LED燈，和配電子鎮流器的熒光燈，符合GB 17625.1—2012規定的P<25 W燈的3次諧波最大允許值達86%，將此值代入式(1)可得[7]:

(2)

(3)

如不采取措施，仍按IC=100 A設計,必將導致N導體嚴重過熱而損壞(也將引起相導體過熱),甚至導致電氣火災。

3)這種情況下,如何選擇導體截面,按GB 50054—2011的3.2.9條規定：N導體電流大于相導體電流時，應按N導體電流選擇相導體及N導體截面[5](注：適用于電纜線路和穿管線路，N導體和相導體同處一電纜內或管內，成為一個共同發熱體)。

為什么，第一，如此大的諧波電流存在，導致的危害很大，第二導致了功率因數大大降低，第三是線路截面成幾倍增加，顯然并非經濟、合理之策[7]。

4)解決方案：從根本改善的辦法是，應從降低諧波含量入手，如果把3次諧波降下來了，其他問題都解決了。因此，大量選用P≤25 W的LED燈應予特別訂貨，即在設計時，明確提出選用低諧波產品，即選擇了3次諧波或總諧波(THD)小于30%(甚至20%)的燈，雖然價格貴些，但整體成本更低。

3.5 諧波對功率因數的影響和對策

功率因數應由兩個因素所致[7]：

1)移相因素，感應電動機、電感鎮流器等需要供給一定的無功功率QL(電感性)，而產生φ角，使cosφ降低；

2)畸變因素，因電子器件、整流器、電子鎮流器等導致波形畸變，產生多次諧波，也將使功率因數降低，由于沒有φ角，不能用cosφ表述。

綜合兩個因素的功率因數，稱之為λ(或P.F)，其表達如式(4)所示：

(4)

而：

(5)

其中，THDI為電流總諧波畸變率，%；HRIh為第h次諧波電流含有率，%。

對于LED燈，可認為cosφ=1，其λ值取決于諧波含量，按GB 17625.1—2012及表1的限值，按式(4)，式(5)計算結果如下：

P>25 W的LED燈，λ≈0.947；

P≤25 W的LED燈，λ≈0.5～0.6。

可見，只要把諧波電流降下來，λ必然提上去了。

4 LED燈的技術要求的作用

照明設計標準規定了對選用LED燈的技術要求，而LED燈產品標準也規定對生產的產品的技術質量要求。這就要求我們要將LED燈健康有序地應用[7]：

1)對于建筑市場要理性地推廣應用，而不是盲目的“跟風”行動；

2)對于生產企業要致力于提高產品質量標準，擴大出口，進軍國際市場；

3)工程設計和施工人員按不同使用場所，不同要求合理選用光源；

4)提高照明質量，更好地適應當今“健康照明”的新要求，創建更良好的視覺環境，有利于人們的身心健康。

5 結語

20年來我國LED燈發展迅速，取得了巨大成果，生產企業和科研部門作出了很大貢獻，對照明領域的節能、環保發揮了重大作用。相信隨著LED技術的不斷發展，各行各業的共同努力，LED燈的各項性能會更加完美，LED燈具在建筑照明及其他領域將得到更好、更廣泛的應用。