室内led照明及灯具的能效分析

室内led照明及灯具的能效分析

1现1.1led光效的现状绿色技术正在迅速发展。截至2013年底，将商业所需的nw光颗粒（约40000k）达到130lm，这为在室内照明中应用绿色光颗粒提供了良好的基础。这些颗粒的参数如表1所示。通过表1可以看出,目前主流的一线品牌大功率照明专用LED颗粒的光效基本都在100lm/W以上,高的可以达到130lm/W,因此LED推广普及就有了充足的节能依据。但另一方面,由于市场的竞争加剧,尤其是国内LED品牌并没有上游芯片生产的能力,因此价格实际由芯片厂家控制,这肯定会造成恶性竞争,甚至出现以次充好的情况。1.2对能效指数要求的对比LED颗粒是不能直接使用的,颗粒在整合到灯具内部后,由于增加了光学器件,光学效率有所降低,根据光学需求的不同,各种灯具的损耗也不同。对室内应用来说,大量的是筒灯、射灯、灯带、灯盘等几种形式。为了适应室内UGR、显色指数、色温、控制系统可操作性的要求,LED照明系统的能效指数(灯具的LOR、光源的光效)都会有所降低,市场上部分灯具参数如表2所示。通过表2可以看出,用于室内照明的LED筒灯的综合能效基本都可以达到60lm/W以上,这与传统的节能筒灯仅有30~40lm/W的效率相比,优势极大。用于室内的LED灯盘是另外一种应用方式,使用面发光的灯盘(UGR可以控制得很好)基本都在60lm/W,而开放式的已经可以达到100lm/W的高水平,随着技术发展,肯定会逐渐在某些领域替代传统的灯盘。需要注意的是,显色指数Ra只有75的设备无法在办公、商业等区域使用,仅能应用在公共通道等对显色性要求低的场所;UGR为22的设备无法在办公、部分商业中应用,只能在对UGR要求较低的场所使用。由此可以看出,LED灯具的选择,需要综合考虑参数而不是简单地只看功率就可以了。2与传统的绿色照明设备相比下面分别从光源和灯具设备两方面进行对比。2.1led的性能及维护成本a.一体化节能灯CFL-I由于镇流器内置到光源内部,受到光源散热的影响,元器件的寿命一般都比较短。同时由于光源内部空间有限,一体化节能灯光源的谐波、功率因数等都远远低于分体式节能灯。因此,目前一体化节能灯CFL-I多应用于家用照明,其大规模使用会造成谐波过高,附加设备(如谐波柜)的成本会增加,同时由于寿命短,日后的维护成本也会增加。b.分离式节能灯CFL(分体式)相对于一体化节能灯,由于其镇流器外置,性能可以大大提高,同时寿命可达10000h以上。从系统光效(包含电器的能耗)来看,分离式节能灯与一体化节能灯相差不大,节能方面没有太大的优势。c.T5荧光灯的效率远远高于其他形式的节能灯,但14W或24W(所有600mm长的类型)的效率明显低于1.2m和1.5m长的类型,同时大部分的T5光源平均寿命都可以达到16000~24000h。由于光源为360°发光,因此必须借助外部的灯具反射器来提升灯具效率,否则半柱面的发光利用率会极低,LED的寿命优势会有所抵消。d.LED目前的主流颗粒(大功率照明专用)的光效都已经达到100~130lm/W,考虑电器损耗也会达到90~100lm/W,而且每个驱动器带的颗粒数量越多,系统能效会越高(一般驱动和电源的能耗基本不会随着颗粒数量变化而变化)。目前LED的效率已经高于大部分的传统光源,同时,由于是单向发光,利用效率会大大提高。T5荧光灯光效也很高,但灯具性能的好坏会直接影响系统的效率,因此无法评判。2.2led灯盘效率和种类a.如果按照初始建设成本最低化考虑,传统的CFL筒灯(节能筒灯)、格栅荧光灯是最佳的选择(虽然初始成本低,但运行后会造成高能源浪费和维护更换频繁的后果)。b.如果统筹考虑初始建设成本和维护成本、能源消耗等多方面因素,LED是最佳的选择。c.办公照明除了考虑灯具效率外,还必须考虑眩光控制,我国以UGR作为评价标准,而UGR=19是办公室照明的推荐数值。UGR控制会影响灯具效率,UGR数值越低的灯具,其效率一般会越低。影响UGR数值的因素包括灯具安装位置、灯具表面亮度、灯具表面尺寸、灯具观察视角。d.目前LED筒灯的效率已经远远高出CFL节能灯筒灯,是节能的首选。但LED表面亮度比CFL筒灯高,因此需要更多考虑眩光控制问题,发光面过低或没有遮蔽措施都会导致UGR过高。e.目前LED灯盘的效率已经高出T5灯盘,但就目前来看,其优势还不足以抵消LED灯具的高昂价格。同时LED表面亮度比T5光源高,也需要更多考虑眩光控制问题。3led综合费效比LED照明相比传统的照明形式,具有较高的节能优势,但并非所有的应用领域都有绝对的优势,因此如何评判是否经济是目前的主要问题。在推广节约型社会的概念时,节约绝不仅仅只是一时的节约,而是在使用期限内的综合费效的对比。因此笔者推荐使用一个参数作为对比的基准:LED综合费效比ε(此参数是笔者第一次提出,希望可以在应用中论证并完善),笔者给它的定义如下:式中:A———能源参数,A=P×t×μ,P为功率,t为年运行时间,μ为设备类型(灯盘形式取0.3,筒灯形式取1.2,射灯形式取2.5,灯带形式取4,此参数可能会随着技术进步而发生变化);M———运行电费单价,元/kWh;m———运行维护系数(射灯取1.5,筒灯取1.2,灯盘取1.1,灯带取1.1);Li———寿命系数(射灯取8,筒灯取2.5,灯盘取2,灯带取2);k———照明形式系数(直接照明方式灯具取1;间接或侧发光方式灯具取2.2);pr———LED灯具单价,元。判定标准:非常优秀ε≥2;优秀ε≥0.5;合格ε≥0.15;不能接受ε≤0.15。为了说明计算内容的有效性,举例计算如表3所示。4传统照明设备的缺陷在LED照明灯具应用过程中,我们发现,由于LED的光学特性与传统的照明设备有一定的差异,因此在根据经验进行设计时,往往误差很大,大部分的时候会造成浪费。同时不同的发光原理也会造成对LED照明的主观评测结果不同于传统灯具。4.1光学类型的led灯在大部分的日常照明的照度等级核算时,很多非专业机构使用的是利用系数法,这个算法精度不够。由于同功率灯具的效率、光学特性等可能存在较大差异,最多的可能会差到40%。每一种光学类型的LED灯具(同一种灯具的每个光学类型,即使是同型号,配光不同,利用系数也会不同)都有各自准确的利用系数表,这个表格由设备厂家提供,较为精确。如果按照传统灯具的利用系数经验套用,会造成很大浪费。当然,如果使用逐点计算的方法会获得最大的精确度。4.2ugr视野下场景下灯具的使用情况LED灯具的表面亮度远远高于传统的直管荧光灯和节能灯,因此对眩光的限制就显得比传统灯具要重要得多。目前国内使用UGR(统一眩光指数)作为室内眩光评测的参数,公式为:式中:Lb———背景亮度,cd/m2;p———每个单独灯具的位置指数。UGRCEN修正数据=UGRCEN未修正数据+8lg(光源光通量/1000)最终的修正数据才是能够使用的。从以上公式可以看出,灯具的表面亮度、灯具尺寸、使用时灯具对正常视线范围的影响都会影响UGR的数据。除了用这个公式可以计算出UGR的结果数值外,我们还使用主观评测的方法进行了采样和说明,如图1所示。选择的照明设备包括:a.测试灯具编号1:带防眩光遮蔽环的LED灯具(使用LED模组形式),功率13W,光通量980lm,色温3000K;b.测试灯具编号2:无防眩光遮蔽环的LED灯具(使用LED模组形式),功率13W,光通量980lm,色温3000K;c.测试灯具编号3:无防眩光遮蔽环的LED灯具(使用贴片+透光膜),功率15W,光通量1000lm,色温300K;d.测试灯具编号4:无眩光遮蔽环的节能灯具,标准的2×18W,光通量2×1200lm,LOR55%,色温3000K;e.测试灯具编号5:有眩光遮蔽环的节能灯具,标准的2×18W,光通量2×1200lm,LOR51%,色温3000K。共有20个主观评测人员对5个灯具进行测试,结果如表4所示。通过表4可以看出,除去色温和显色指数影响因素,LED设备和节能筒灯的对比中,LED的眩光控制需求更高,单纯使用传统灯具的眩光控制措施对LED灯具来说,显得不太够用,这主要是LED过高的表面亮度造成的,因此,在LED室内白光灯具的使用中眩光控制措施会显得极为重要。4.3从荧光的角度上看,各有侧重、分类、背景、背景。对于不同红外光法分类的学生合成了背景两与传统照明相比,LED的光谱区别较大,通过图2可以进行对比说明。由图2(上)可以看出,LED的光谱范围在蓝、绿、黄范围比较丰富,而在红光位置较差,仅与早期的荧光灯相似,因此,从视觉上,感觉会不太舒适。当然现在的LED技术已经解决了红光缺失的问题(目前暖白光LED在不追求光效的前提下可以达到Ra=92或更好的数据),但会带来造价的提升,这一点对造价比较敏感的室内照明来说是需要考虑的。4.4led室内照明的切相调光原因很多人认为LED灯具是介于电子产品和照明产品之间的产品,因此调光会比较方便和便宜,但事实并非完全如此。由于LED的原理造成我们很多传统的调光方式(如1~10V模拟方式、主供电切相调光等)都无法或不能完美地在LED室内照明中应用。LED的芯片工作电压一般在2.5~3.5V之间,正常工作时,正向导通的LED从电气角度上讲,就是一个二极管,电阻极小,微小的电压变化会带来很大的光输出变化,这也就是为什么传统的模拟调光、切相调光对LED灯具的调光支持性并不好的原因,如荧光灯、节能灯使用模拟调光可以降低到3%的输出,而LED使用切相调光很难达到8%以下,且极容易出现频闪等问题,这主要和灯具的驱动器有关。因此使用LED室内功能照明设备调光的最好的方法是应用DALI协议。4.5led光催化作用原理节能是大势所趋,但是,在LED开发过程中,照明设计人员对各种色光作用于人的视觉产生的一系列心理、生理等方面效应缺乏了解,以致带来光生物安全方面的问题。现今大多数照明用白光LED采用蓝光芯片直接发出蓝光,蓝光激发YAG黄色荧光粉后,一部分转化成黄光,与蓝光一道合成白光。与三基色荧光粉发光合成的白光不同,同样的相关色温和色坐标,LED的发射光中蓝光含量远多于三基色荧光灯。目前主流GaN芯片的阻挡层及辐射光谱参数为:阻挡层电势2.62~2.74V,相应的辐射光子能量2.62~2.74eV,辐射谱中心波长450~470nm,相应视见函数分别为0.091~0.038,辐射谱带半宽度30nm。当辐射谱激发YAG黄色荧光粉混合了蓝光,形成图2所示的发射光谱。图中左峰为LED发射光谱,右峰是1个550nm激发黄色荧光粉的发光光谱。黄色荧光粉不容易吸收蓝色光子。如果按照550nm激发YAG的技术,要产生200lm/W的光效,转换效率需达到60%。而目前普通水平的转换效率只有20%~30%。因此,大量蓝光就存在于LED的输出光谱中了。各国照明组织一致认为,4000K以上高色温白光LED对人的生物安全和健康会带来一定危害。从图3可以看出,4000K的白光LED已经比荧光灯的蓝光辐射亮度高出很多,再考虑到LED极强的定向性,投射到被照面后,蓝光辐射能量高出8~10倍都是有可能的。因此,在室内,不要使用超过4000K的LED照明灯具。而在低色温段,高显色的LED的蓝光辐射数值比荧光灯还要低,因此,可以在室内安全使用Ra>80的2700~3300K色温段的LED功能照明灯具。蓝光的危害包括:①褪黑素抑制作用导致的内分泌失调;②眼睛黄斑区毒素量提高,并造成不可逆的眼病,尤其是对年龄小