LED照明工程设计与施工：照明质量评估及改进方案

1.照明质量的重要参数

光学科技人员在光环境质量评价方面进行了大量的研究，为现代照明设计奠定了科学基础。这些研究主要包括以下几种：

①对视觉功效的实验研究。视觉功效是指在一定的照明条件下完成视觉作业的速度和精度，为了获得良好的功效，需要提供相应的照明水平。此项研究确定了不同视觉作业特征（如对象大小、对角与其背景亮度的对比、观察时间长短等）与其所需照度水平的相关关系，为制订合理的照明标准找到了科学依据。

②对眩光效应的研究。眩光如同噪声一样是一种环境污染，轻微眩光会使视觉感到不适，重度眩光则会降低可见度，甚至损伤视力。这项研究的重点是提出预测眩光的方法，制定防止眩光的措施。

③对光色爱好及光源显色性影响的研究。现代制灯技术可以制造不同光色（冷、暖和中性）的光以适应各种环境的需要。研究不同地区、不同民族、不同文化背景的人群对光色爱好的差异对于实现光环境较高的心理满意度和营造适宜的光气氛具有指导意义。电光源显色性能与自然光的差异是由于电光源光谱能量组成显色性能与日光不同而造成的。在致力提高电光源显色性能的同时，探究光源显色性不佳造成的颜色“失真”对视觉感官的影响对照明设计很有参考价值。

根据上述研究成果，世界各国提出了评估照明质量的各类定量指标，制定并逐步完善了照明设计的标准、法规或建议。国际照明委员会（CIE）和国际标准化组织（ISO）最近联合制订的《室内工作照明标准（草案）》提出了统一的照度（E）、统一的眩光等级（UGR）和一般显色指数（Ra），三项定量指标作为照明设计的依据，使照明设计更科学化、规范化。

随着研究的深入，人们对于如何来评价照明质量好坏的认识也有了很大的提高。过去，人们只关心照度、亮度、均匀度，色温，显色指数以及LPD（照明功率密度）等。现在，采用这些参数来评判照明质量的好坏是远远不够的。在考虑到照明的非视觉效应（生物效应）之后，必须对这种评价方法加以修正和补充，要将一些新的参数加到原来仅与视觉有关的参数上去。其中，特别要包括：在正确的时刻，以正确的时间跨度，将照度和色温正确地配合起来，作用于工作者，使其兴奋或放松。而且，这里的照度是指在工作者眼睛处的照度，而不是像通常所指的水平照度。

视网膜上的锥状和杆状感光细胞分别在明视觉和暗视觉时起作用，而神经结细胞与视觉并无关系，它直接连接到下丘脑的松果体，亦即人体的“生物钟”上，从而影响人的生理功能。这三种感光细胞对于不同波长的敏感度是不同的，三种感光细胞的光谱灵敏度曲线如图1-6所示。

神经结感光细胞影响着人体的生物功能，清晨周围的光环境处于高色温的状态，蓝色光的成分比较丰富，刺激着视网膜上的神经结细胞，使人体内皮质醇的浓度增高，并抑制褪黑素的分泌。这样，一早起来人们的身体就充满了活力，便可精力充沛地开始一天的工作。到黄昏时，周围的光环境逐渐变为低色温的状态，蓝色光的成分很少，使体内皮质醇的分泌减少，褪黑色素的浓度增高，因而人们渐渐感到疲劳，需要休息和睡眠。自然光就是这样通过视网膜上的神经结细胞来控制人体内的生物钟，使人们的生理活动适应昼夜和四季的节奏变化。

图1-6 三种感光细胞的光谱灵敏度曲线

2.动感照明

现在的人工照明一般都是静态的，与自然采光相比缺少了活力。由于在自然光的照射下，人会感到更为舒适，因而采用自然光的商场人气更旺，采用自然光的学校学生的成绩更好。显然在进行照明规划时，要尽量使用自然采光（这也是节能的需要）。然而除此之外，采用动感照明就是一种行之有效的方法。

所谓动感照明就是照明的强弱和色温的高低都可以进行智能控制的照明。清晨时，照明系统提供高色温和高照度的照明，清新的冷色光使走进办公室的人精神十足地开始一天的工作；午餐时，降低的照度和暖色光有助于人们放松一下，短暂的休息可以使人们的身体再充电，午饭后人们通常会感到困倦，这时照度又升高，且改为冷白色，以避免午饭后打盹；在下班前，转变为稍冷的白光，以使人们在回家的路上保持警觉，而对那些要工作得较迟的人，暖白色的光则产生一种愉快的家庭似的气氛。在创建天然光环境方面的技术手段包括以下几种：

①开发出了各种模型实验和计算机仿真的先进设计工具，不但可以准确预测自然采光的照度水平，而且能真实、细微地模拟建筑物在自然光和日照下的造型效果。

②生产出了集光热优良性能于一体的各种透光材料，并掌握了复杂的加工和安装技术。1999年建成的柏林国会大厦采用直径40m、高23.5m的玻璃穹顶就是现代采光技术的一个杰作。为了把光线导入下面的议会大厅，在圆穹中心设置了一个近20m高由360块镜面组成的倒锥体，在施工过程中每块镜面都被仔细地调整过角度。

③发明的导光管系统能把自然光输送到地下和任何自然光线不足的地方。

④利用电子技术自动控制室内自然光，调整光的分布。

飞利浦公司将色温为2700K的暖色光和色温为6500K的冷色光进行混合，通过分别调解这两种光输出，从而实现照度和色温的变化。这两种灯都是高显色性的T5荧光灯，对所有颜色的显色指数均大于80。

实际上，采用LED照明可以更容易实现动感照明，而且效果会更好。英国的Photon Star LED公司推出了一款非常有特色的LED灯具，并在ARC2009展览会上展出。该LED灯具不仅兼有高光效、高显色和长寿命的优点，更为出色的是能在暖白光和冷色光之间自由变换。它的光效大于80lm/W，寿命5万h。该灯的色温能在2500～10000K之间进行调节，而且显色指数都维持在90以上，在2700K时CRI（显色指数）高达96。可以预见，随着技术的进步和成本的下降，半导体照明将实现动感照明，使人们在室内感受到自然光的效果，真正实现照明的人性化。

3.绿色照明

绿色照明（Green Lighting）是指通过提高照明电器和系统的效率节约能源，减少发电排放的大气污染物和温室气体，改善生活质量，提高工作效率，营造体现现代文明的光文化。绿色照明正是低碳应用在照明应用行业的具体体现。作为绿色照明的典型代表，LED照明也面临着更大的机遇与挑战。

在照明节能应用中，首先考虑的应该是优质光源的选择。目前，可以用来替代白炽灯的光源主要有低压放电灯（荧光灯、低压汞灯等）、高压放电灯（金卤灯、高压汞灯、高压钠灯等）和场致发光光源（发光二极管等）。(www.xing528.com)

从光效上说，荧光灯、高压钠灯、金卤灯、LED等光源的光效都可以接近或达到甚至超过100lm/W，相较于白炽灯都属于节能光源。但是应用到具体照明中，LED却更能体现绿色照明的意义。

荧光灯、高压钠灯、金卤灯等传统光源均为点状或线状光源，且多为全空间方向发光。LED光源为点状光源，其发光方向具有很强的指向性。为了避免光的浪费与光污染，灯具尽可能地将光线投向需要照明的空间方向，因此，除少数装饰照明或全空间照明灯具外，大多数灯具都需要具有一定的指向性。在这个方面，LED相较其他光源更具有优势。以路灯为例，LED路灯的灯具效率可以超过90%，而应用全空间方向发光的光源的路灯，其出光效率基本都在70%以下，部分路灯甚至还达不到50%。可以说，在一般性的照明应用中，LED光源的光利用效率要远高于其他光源。

现在市场上的通用光源，除白炽灯外，不论荧光灯、高压钠灯、金卤灯都不能用市电驱动。在应用于灯具中时，必须匹配相应的触发器、镇流器等驱动电器，这些匹配电器都需要消耗大量的电能来维持运行。因此，匹配驱动电器的效率也是衡量一种光源是否真正高效节能的重要指标。现今荧光灯、高压钠灯、金卤灯等光源的镇流器都已相对成熟，但电器效率却仍不尽如人意，而且电子镇流器在电网中的应用稳定性与可靠性得不到保障。在市电网（如交通照明电网）中应用的电感镇流器，一般效率在80%以下。为了提高功率因数，必须考虑到单灯的无功功率补偿，而增加无功功率补偿电路，会进一步降低灯具的整体电器效率。LED光源一般是直流驱动，在许多工程应用中可以直接采用低压直流电源，在市电交流输入时，以朗波尔公司的LED灯具为例，在保证0.95以上的功率因数的前提下，整灯电器效率可以超过90%。因此，从电器效率角度考虑，LED光源在应用过程中比其他光源更有优势。

从实际照明效果上说，LED光源也具有一定的优势。现在，对照明效果的评判标准，最主要依照的参数是照度或亮度。用仪器测试照度或亮度得出的数值，是只针对可见光测试得到的数据，理论上说这和人的视觉效果应该对等。但是实际上，却存在很多照度或亮度测试数值与视觉感受存在巨大差异的现象。相关研究结果表明，人的视觉感受及物体的光可识别性能，与光的照度或亮度、色温、显色性、明暗变化范围、闪烁频率、被照射物体表面状况及背景光环境等均有很大的关系，即照度和亮度数值不足以完全体现人眼在光环境下的视觉感受。有关研究人员针对该现象定义了一种暗视觉修正系数，以表明光源发出的光在一定环境下对人眼的视觉感受与识别能力相对于自然光的效果对比。实际的研究结果表明，LED光源发出的光在视觉感知接受程度与对物体的光照识别能力上更优于白炽灯、高压钠灯等传统光源。以路灯为例，应用4500K色温白光LED的路灯，同等照度情况下在沥青路面，其视觉感知接受程度是高压钠灯的1.4～1.7倍，而在水泥路面，其视觉感知接受程度是高压钠灯的1.3～1.5倍。再以工作台灯为例，应用4500K色温白光LED的台灯，在同等照度情况下，其对物体的光照识别能力比普通荧光灯提高10%～30%。因此，在具体的照明应用中，LED光源可以以更低的平均照度（或亮度）达到与其他光源相同或相近的照明效果。

随着LED芯片和封装技术水平的逐步提升，国产LED产品的发光效率得到了进一步提升，但与际上的著名品牌的产品相比其发光效率还有一定的差距，但是只要封装技术和二次光学设计合理，国产白光LED的发光效率可达到80～90 lm/W，国产R/G/B（红/绿/蓝）LED合成白光的发光效率也已达到60 lm/W左右。灯具和背光组件的发光效率已经超过传统的荧光灯等光源的发光效率。2008年北京奥运会奥运场馆“鸟巢”、“水立方”的LED景观照明和LED超大显示屏的成功应用，昭示了LED全面进入专业照明和通用照明时代的到来。

4.健康照明

随着地球环境的恶化，人们越来越注重自身的健康，特别是环境因素对人体健康的影响。对于照明光源而言，频闪、紫外线辐射、电磁波辐射、热辐射和眩光等光污染已经到了影响人类健康，并且发展到了不能被忽视的地步。而LED作为无频闪、无紫外线辐射、无电磁波辐射、较低热辐射的绿色光源，加上应用光扩散技术消除眩光，使之成为真正的健康光源。相关的人体工程学研究表明，优质光源应该具备下述特点。

（1）无频闪

将电光源的光通量随交流电源周期性交变而引起的亮暗强弱闪动称为频闪。频闪光是发光时出现一定频率的亮暗交替变化。普通荧光灯的供电频率为50Hz，表示发光时每秒亮暗100次，属于低频率的频闪光，会使人眼的调节器官，如睫状肌、瞳孔括约肌等处于紧张的调节状态，导致视觉疲劳，从而加速青少年近视。如果采用直流供电，人眼即不会有频闪感觉，也不会造成视力伤害，这种光称为无频闪光。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、金卤灯等传统光源均会带来频闪效应，即使是通过驱动电器提高频闪的频率，也只是减小或降低频闪的伤害。而由直流驱动的LED光源，才是真正的无频闪光源。

据英国剑桥大学医学研究中心、国际照明委员会维也纳总部等照明、健康医学机构对教学、办公、生产、生活等环境的频闪研究表明：“频闪现象是客观存在的，并长期潜移默化地危害人们健康和人的视觉系统”。欧洲照明委员会（European Commission）为此专门发布了《90/270/EC指南》，强调必须降低灯具的频闪效应，以解决引起人们偏头痛和视觉神经系统病变。白炽灯、荧光灯、三原色荧光灯、节能灯或由50～60Hz交流或高频高压供电的灯具，均存在不同频率的频闪。

荧光类灯具为高频频闪光源，在这类灯具下的运动物体，会出现重影现象，如体育馆内就不能使用荧光类灯具，特别是像乒乓球、羽毛球等小球在荧光类灯具下几乎无法进行比赛。生产车间的旋转机床在荧光类灯具照明时会使人眼产生反转或静止的错觉，而导致事故发生。

LED灯具由低压直流供电，不存在交流电源的周期性交变，所以不存在频闪效应。LED灯具是现在公认的对人的视力，特别是青少年视力有益的健康灯具。

光源发出的光为全色光，即光谱连续分布在人眼可见范围内，视觉不易疲劳，其参考的重要参数为灯光的显色性。白光LED即可视为全光色光源，而高压汞灯、高压钠灯等光源在这方面具有先天性的劣势。

（2）无紫外线辐射

灯光光谱成分中应没有或尽量少的存在紫外光和红外光。因为长期过多接受紫外线，不仅容易引起角膜炎，还会对晶状体、视网膜、脉络膜等造成伤害。红外线极易被水吸收，过多的红外线经过人眼晶状体聚集时即被大量吸收，久而久之晶状体会发生变性，导致白内障。LED光源的光谱基本集中在可见光范围之内，而荧光灯、金卤灯等光源却会产生大量的非可见光（现在有部分生产厂家通过在光源的外壁上涂覆滤层去除紫外线等非可见光，确实可以消除或减少光源发出的非可见光，但是却会在一定程度上损失光效）。

白炽灯、荧光灯、三原色荧光灯、节能灯都有不同程度的紫外线辐射，中国医科大学皮肤病与皮肤美容研究所研究表明：在荧光灯下工作、学习一天所吸收的紫外线相当在阳光下曝晒1h。紫外线辐射会直接破坏人体免疫系统，杀伤白细胞，损害核酸与蛋白质的化学键，引起遗传基因（DNA）变异。

无论是白炽灯，还是荧光灯均存在一定量的紫外线辐射，而LED光源，即使是接近紫外线的蓝色LED光谱也不含紫外线辐射能量，均在可见光范围，红色、绿色LED光源不含紫外线辐射能量。

（3）无电磁辐射

荧光灯、三原色荧光灯、节能灯均工作在高频高压状态，都不可避免地带来不同程度的电磁辐射。而LED光源在直流、低压状态下工作，无电磁辐射。据英国剑桥大学医学研究中心、国际照明委员会维也纳总部研究表明：电磁辐射可能导致心悸、失眠、白细胞减少、记忆力减退，使心血系统、神经系统受损，而且电磁辐射伤害是累积的。

（4）光的色温应贴近自然光

色温是用温度表示光颜色的一种量化指标，因为人们长期在自然光下生活，人眼对自然光适应性强，视觉效果好。试验证明自然光条件下的视觉对比灵敏度高于人工光5%～20%。LED光源的颜色可以自由选择，一般白光LED色温在2500～8000K范围内可以自由调节，相对卤素灯、钠灯等光源只能发出金白色或琥珀色的光，更具有优势。

此外，相对于荧光灯、高压钠灯、金卤灯等传统光源，LED还具有体积小、发热量低、稳定可靠、无污染、光衰减小、使用寿命长、开闭电路对寿命无影响、易于实现调光等优点。最重要的是，LED作为21世纪的新兴光源具有很大的发展潜力，其各项参数都拥有很大的上升空间。LED光源在不久的将来，包括光效在内的各项参数，都可以全面超过其他传统光源。