LED光源在建筑照明中的应用前景[1]

　　0 引言

　　自工业革命以来，人类向大气中排放的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之加剧，引发全球气候变暖等一系列严重问题;加之世界能源危机逐步加重，节能环保已然成为了全人类都必须面临的一个重要议题。

　　联合国全球绿色节能委员会2010年底统计显示：全球照明用电量高居全年总用电量20%，但是仅有l0%的电能转化为光能，另外90%变成热能浪费掉了。如果能有效地提高灯具的光效比，无疑将成为节能环保措施的重要一步。目前，低能耗、高光效的光源种类主要有：三基色荧光灯、金属卤化物灯、 金属钠灯、冷阴极管和LED，其中荧光灯和金属卤化物灯的应用已经比较广泛。而LED作为后起之秀，在能效比和运用广度方面有其独到的优势和前景。

　　LED发明之初只用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以l2英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命、低光效的140 W白炽灯作为光源， 它产生2 000 lm的白光 经红色滤光片后，光损失 9O%，只剩下200 lm的红光。而在新设计的交通信号灯中，采用18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14 W，即可产生同样的光效。

　　进入2010年以后，LED市场呈现出爆发势头，LED照明产业热点不断。Cree技术突破、十城万盏 工程、上海世博会10亿颗LED、广州亚运会光亮工程⋯⋯2011年，LED市场持续快速发展，市场潜力相当大。

　　1 LED光源简介

　　1.1 LED的发展历史

　　全球第一款商用发光二极管(LED)是在1965年 用锗材料做成的，其单价为45美元。随后不久 Monsanto和惠普公司也推出了用GaAsP材料制作的商用LED。这些早期的红色LED每W大约能提供 0.1lm的输出光通量，比一般的60-100W白炽灯的15 lm要低100倍。

　　但是在接下来的30年里，LED取得飞速发展。 20世纪70年代初，LED发光效率达到1 lm/W，颜色也扩大到红色、绿色和黄色。1998年白光LED的开发成功，使得LED应用从单纯的标识显示功能向照明功能迈出了实质性的一步。截止2010年。LED光源在实验室中的光效比已经达到200lm/W 。

　　1.2 LED的结构及发光原理

　　LED(Light Emitting Diode)是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。LED的核心是一个半导体晶片，半导体晶片由两部分组成，一部分是 P型半导体，另一部分是N型半导体，这两种半导体连接时形成一个P—N结。当电流作用于晶片时，电子由N区被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，并以光子的形式发出能量。光的波长也就是光的颜色，是由形成P—N结的材料决定的。在P—N结中添加不同的材料，可以生产出红、绿、蓝三种颜色的LED。通过调节三种颜色的混合比例，就可以获得色温3500～10000 K范围内的各色白光。

　　2 LED光源在建筑照明中的应用前景

　　随着LED灯具光效的逐步提高和白光LED的诞生，LED从当初的信号指示光源过渡到照明光源的条件正在慢慢成熟，通过与智能控制系统的有机结合，LED在各个领域都有很大的应用前景。表1列出 LED与几种常见光源的参数比较。

　　2.1 LED在住宅建筑照明中的应用前景

　　随着国民经济和科学技术的飞速发展，人们对住宅内部的照明要求不再仅仅局限于照度值的高低，节能水平、光源颜色和灯具外形已经成为人们在进行室内装修时考虑的重要因素。LED因其独特的发光原理和目前较为成熟的研究技术，大有取代传统白炽灯和节能灯的趋势。

　　由于节能减排的需要，已经被人类使用了100多年的白炽灯正在逐渐淡出人们的视野，以气体放电灯为主的节能灯成为了人们目前的首选。它具有价格低廉和节能等特点，但是由于使用了汞，对环境保护依然具有不利的一面。相对于传统节能灯，LED具有更高的光效比，如果能够解决LED的成本问题，LED 在室内照明的应用将更加广泛。

　　表1 传统光源与LED光源的参数对比

　　除此之外，通过改变P—N结的材料，生产商可以轻松地改变灯具的发光颜色，这相对于普通灯具外加彩色灯罩的做法更为节能，加之LED光源体积很小，不仅可以安装在室内顶板，也可以嵌入安装于墙壁、地板等立面，形成一个立体的光环境，给人以不 同的色彩和空间体验。以一个花瓶的装饰照明为例： 首先，LED节能性非常好，仅仅几瓦的功率就可以满足多角度、多色彩的渲染效果;其次，LED体积很小，具有很高的隐藏性，可以让观察者“只见其光，不见其灯”。同时，较小的体积可以减少封装的难度，提高防护等级，进一步提高LED的应用范围，使得LED灯具也可以应用到卫生 间、厨房等湿度较大和尘埃较多的环境。

　　2.2 LED在公共建筑照明中的应用前景

　　当前，公共建筑设计在考虑建筑照明方案时，相对于其他建筑物，更侧重于节能技术和外部景观照明。传统方案中。公共建筑的室内照明主要采用T5管荧光灯，因为 T5管荧光灯具有光效高、价格低廉、照度均匀度高的优势，笔者在仔细对比了目前市场上的普通荧光灯和LED 日光灯的参数后也发现，LED日光灯在节能方面并无明显优势，同时由于LED光源发光原理的原因，LED灯在显色性和成本上还存在劣势。但是经过多年的发展，LED的技术已经比较成熟，因此在某些有特殊要求的场所运用LED光源也成为了一种新的选择。

　　例如医院建筑中常常用到的无影灯。无影灯的基本原理是通过增加光源的数量来减少光影对手术操作者的视觉影响。光源的增加虽然造成了光影数量的增加，但是同时削弱了每个光影的暗度，这样从任何角度观察的照度都可以满足手术要求。依此类推，如果无限增加点光源数量使其接近于一个面光源，那么在理论上就可以基本消除影子的影响，这样手术操作者任何视角的照度都是基本相同的，从而为手术照明提供了保障。由于体积限制，除LED外其他光源均无法满足要求，但是目前LED光源的显色性较差，尚不适合运用于对显色性要求很高的场所。

　　目前彩色LED灯带、彩色LED灯管和LED投光灯在建筑物外部景观照明方面的应用已经比较广泛。LED光源体积较小，因此可以串接起来形成灯带或灯管，同时由于LED灯本身可以发出各种颜色的灯光，这使得LED灯具在建筑外部景观照明，尤其是立面照明方面拥有得天独厚的优势。最为经典的工程实例就是上海世博会各国展馆和广州电视塔。

　　2010年上海世博会成为了LED秀场，世博园区也成为了LED示范区。大部分人可能并不清楚，小到遍布园区的信息提示屏、各场馆内的室内照 明，大到石油馆外墙的超大斜角彩屏、世博会开幕 式上的超巨型背景显示屏，甚至包括国家电网馆的招牌——720°六面体“魔盒”在内，都有LED技术的身影。世博园区内共使用了10.5亿颗LED芯片，共同营造出世博园璀璨的夜景。几乎各展馆在外部夜景照明方面都使用了LED光源：台湾馆的点灯水台上的祈福天灯，沙特馆长91 m、宽47 m的“月亮船”造型建筑外围的灯饰，芬兰馆外围的LED灯点缀成一个巨大的冰壶⋯⋯光和影营造出梦境般的效果，让人流连忘返。