建筑节能照明设计与荧光灯和LED日光灯的应用要点

　　摘要：文章按照可持续发展的科学观念，以最新的主要技术参数阐明了荧光灯和LED光源是最为优秀的节能光源。重点阐述荧光灯真正实现节能应用的能耗评估方法和设计技术要素。

　　据权威部门统计，2006年中国的发电量达到28344亿千瓦时，2006年中国照明用电量约为3400亿千瓦时以上，接近等于全国发电量的12%，几乎为3.5座我国最大的三峡大型水力发电站的发电量。因此，照明用电的猛增以及发电能源消耗的加剧，将使我国的供电势态和环境与生态保护的现状日益严峻。如果无限制地建设水力发电设施，将会濒临破坏自然环境的生态灾难；如果不断增设火力发电站，又将更进一步恶化业已存在的能源危机。因此，可持续发展的科学观念要求，一是加强可再生能源的利用，加快太阳能、风能、生物质能、核聚变能等各种发电技术的发展；二是加速节能高效光源和灯具的研究、应用与发展。本文主要讨论荧光灯和LED等高发光效率节能光源和灯具在应用与发展方面的要点。重点阐述荧光灯真正实现节能应用的能耗评估方法技术和设计要素。

　　1. 目前最佳的节能光源

　　1.1 当前白炽灯已迅速淘汰

　　目前，在人类室内建筑照明的光源中，白炽灯由于发光效率太低，过度耗费电能，寿命太短，已被逐步淘汰，例如：在欧盟已明文出台了基本禁用白炽灯的节能照明规范。在我国，白炽灯事实上业已退出了建筑照明的主要领域。

　　1.2眼下荧光灯已成为主要的建筑照明光源

　　目前，由于新颖材料，新型结构、新的设计理论和制造工艺的进展，使荧光灯的综合性能得到了大幅提升，例如：

　　1）高发光效率、高显色性、高流明维持率的三基色荧光粉已逐步取代了传统的卤磷酸钙荧光粉；
　　2）新型的细径直管荧光灯优化的结构设计，使T5荧光灯的发光效率已可达每瓦100流明左右，几乎是普通白炽灯的十倍；
　　3）T5细管直管荧光灯，显色指数Ra也已达到80至85或更高，已接近太阳光对人类可见色彩的复现与还原能力；
　　4）先进的灯丝和阴极设计与制造工艺，使T5细径直管荧光灯的寿命一般都不低于10000小时，约为普通白炽灯的十倍；
　　5）T5细管直管荧光灯，规格系列齐全，价格已开始被普遍接受。

　　荧光灯不断发展的这些节能高效技术优势，都是荧光灯在数十年以来，至今越来越成为人类主要照明光源的原因。事实上，荧光灯已成为全球建筑照明应用最为主要、最为普遍、也是使用数量最多的重要光源，可以说各种直管型的或异形的系列荧光灯，包括基于荧光灯原理的紧凑型一体化的节能灯，几乎已在室内建筑照明中一统天下，中国每年的荧光灯产量达到了17亿支以上，并且还在不断增长，可以预测在LED光源或其他新型光源真正成熟以前，这种局面不会根本改变。

　　1.3在可见的今后LED光源必将成为建筑照明光源的新秀

　　综合评价LED光源，正是人类自从懂得电光源照明技术以来首次出现的集多项技术优势于一身的固体电光源。这是人类照明技术的革命性突破。LED光源具有超长寿命、节约电能、易于控制光污染，运行可靠性高、发光色彩纯正、光色丰富多彩、可控性好、体积小巧、重量轻盈、结构紧凑、供电简单，并且在供电电压的适应能力方面，是小型太阳能发电和小型风力发电等可再生自然能利用的天然配偶。

　　当前，LED的光效、热阻和一系列材料与工艺等技术，正在得到突破，在国际上的商品化LED光源和LED灯具的最新水平可以得到体现：

　　1）最新商品化LED光源的发光效率：

　　国际上LED产品的发光效率在55lm/w至65lm/W以上，有的LED光源成果的发光效率已明确标注为100lm/W至130lm/w，接近或超过了节能灯和荧光灯的发光效率，是白炽灯的10倍以上；

　　2）最新商业化LED灯具的寿命：

　　国际上不少LED灯具产品按照流明维持70%标注，都标明为50000小时，不少LED灯具标注为100000小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍；

　　可以预见，LED固体光源一旦突破价格壁垒，必将成为人类照明光源的新秀。

　　2. 荧光灯真正实现节能应用的技术要素和能耗评估方法

　　2.1 荧光灯镇流器对荧光灯照明节能的关键作用

　　荧光灯是一种低压气体放电光源，而工作在气体放电特性的负阻区域，决定了荧光灯必须配备镇流器才能正常运行。因此，荧光灯灯具整体的节能特性不仅仅只依靠发光效率优秀的荧光灯光源，镇流器的节能指标更是一项关键性的因素。在评估荧光灯灯具整体能源利用效率和节能特性时，必须高度重视评估镇流器的能源效率性能。

　　2.2荧光灯灯具和镇流器的照明能源效率指标与等级

　　2.2.1荧光灯镇流器的照明能源效率EEI及其等级划分

　　为了真正实现荧光灯的节能照明，还必须科学衡量各种荧光灯镇流器的节能水平，在此可参照欧盟的规范开展讨论。国际上，特别是欧盟的照明企业协会CELMA(The European Manufacture Association of Luminaries)定义了一种指标，即：照明能源利用效率（Energy Efficiency In lighting），简称为能源效率EEI。在国际规范中，按荧光灯镇流器照明能源效率EEI的高低，把荧光灯镇流器划分为不同的能源效率等级（Classification of ballast-lamp circuit for energyefficiency in lighting），以衡量不同的荧光灯镇流器电能利用效率和节能水平的优劣。荧光灯镇流器的照明能源效率EEI，从最高至最低分为七级：A1,A2,A3,B1,B2,C,D。

　　每一个等级都定义了照明能源效率EEI的数值范围，直管荧光灯能源效率EEI的数值范围例子如表1所示，紧凑型节能灯能源效率EEI的数值范围例子如表2所示。目前，又分为现行值与目标值两种，其中：不同的照明能源效率EEI的等级，对应不同种类和性能的荧光灯镇流器，如下所示：

　　A1 -- 调光电子镇流器；
　　A2 -- 固定输出电子镇流器；
　　A3 -- 固定输出电子镇流器；
　　B1 -- 低损耗电感镇流器;
　　B2 -- 低损耗电感镇流器;
　　C　-- 传统的电感镇流器（Second phase)；
　　D -- 早期的电感镇流器（First phase）；

　　2.2.2荧光灯配用不同EEI等级镇流器节能效果和耗能数据比较

　　从欧洲锐高公司（Tridonic Atco）提供的直管荧光灯和紧凑型节能灯的数据，表1和表2，可以清晰地对比出各种荧光灯和节能灯，配用不同等级照明能源效率EEI镇流器的节能效果和耗能数据。显然，表中镇流器照明能源效率EEI的最高等级A1，应该属于目标值，而且只有采用先进的网络化的可数字寻址的数控式可调光电子镇流器，并接入到配有红外传感器与亮度传感器的照明控制网络中，才能实现。因为各种荧光灯只有实现网络化的自动可调光照明以后，才能真正达到优化节能照明的目标。

荧光灯配用不同照明能源效率EEI等级镇流器的节能效果和耗能数据　　表　1

节能灯配用不同照明能源效率EEI等级镇流器的节能效果和耗能数据　　表　2

　　2.2.3荧光灯灯具整体的能源效率指标LER与“节能不节光”的概念

　　照明技术及其照明控制技术的宗旨之一是关注节能，荧光灯又是人类最主要的照明光源。因此，研究和评价荧光灯与镇流器组合后的能源利用效率，也就是研究和评估荧光灯灯具的能源利用效率，对照明节能极为重要。为了衡量荧光灯灯具包括荧光灯镇流器在内的整体电能利用效率，,定义了以下一系列的技术指标，这些指标在物理上是很容易理解的，也比较直观。

　　1）荧光灯灯具内光源的总光通量 TLL（Total Lighting Lumen）（lm）；
　　2）荧光灯灯具的总输入电功率 W（Watt）；
　　3）荧光灯灯具的能源利用效率，简称灯具能效EFF（Energy Efficiency Rating）：

　　灯具能效EFF实质上就是常称的灯具效率，以公式1表示，即：

　　4）镇流器与荧光灯电路连接对灯具辐射光通量流明数值的影响程度（Ballast-Lamp circuit Factor），简称镇流器流明系数BLF：镇流器流明系数BLF实质上是衡量镇流器接入后因有能量损耗对灯具辐射光通量的影响程度，定义与评估方法，以公式2表示，为：

　　镇流器流明系数BLF是为了评估镇流器对荧光灯灯具辐射的流明量值影响到底有多大，当BLF是理想值时，例如：大于0.95，趋于1时，镇流器对荧光灯灯具的光辐射应没有太大的负面影响。

　　5）定义荧光灯灯具整体的能源利用效率，以作为评估灯具整体能源利用效率的综合指标，简称为灯具整体能效LER (Luminaire Efficacy Rating )，以公式3表示，为：

　　
　　即：LER =（EFF×TLL×BLF）/W（lm/w）

　　2.2.4荧光灯灯具整体能效LER的分析与讨论

　　1）荧光灯灯具整体能效LER物理意义上就是荧光灯灯具整体的发光效率

　　根据上述表达式可知，荧光灯灯具整体能效LER的量纲为：lm/w（流明/瓦）。因此，从物理概念上，可以把荧光灯灯具的整体能效LER，理解为就是荧光灯灯具包括镇流器、荧光灯光源、灯具光效率在内的荧光灯灯具整体的发光效率。在理想状态下，荧光灯的灯具能效EFF（灯具光效率）以及荧光灯镇流器的流明系数BLF都趋向于1，灯具和镇流器都似乎没有损耗光通量或能量，那么，达到这种理想状态时，荧光灯灯具整体能效LER就等于荧光灯光源的发光效率（TLL/W），但实际上是不太容易做到的，主要是还存在下面叙述的原因。

　　2）荧光灯灯具的能效EFF（灯具效率）不太可能等于1

　　由于材料和制造工艺等种种原因，例如：灯具反射器反射率的大小，灯具结构和反射器对光通量出现无益的内部散射与光通量消耗等，荧光灯灯具总会存在对光源辐射光通量的损失，因此，荧光灯灯具对光源光通量的辐射，也就是荧光灯灯具对荧光灯光源贡献的光通量，难以达到100%向外辐射。所以，荧光灯灯具的能效EFF不太可能接近1。

　　3）荧光灯镇流器的流明系数BLF与荧光灯“节能不节光”的含义

　　荧光灯镇流器流明系数BLF，一方面是衡量荧光灯镇流器对电能损耗大小程度的度量，另一方面，则可以折合为对应荧光灯光源光通量（流明）的损失来表示。如果荧光灯镇流器存在一定的电能损耗，那么荧光灯镇流器的流明系数BLF就不可能接近1，如公式2所示，假如BLF=0.9，按照上述灯具整体能效LER的表达式公式3可知，在同等条件下，光源的总光通量TLL被减少到原有的0.9倍，即打了九折。如果荧光灯镇流器的流明系数BLF达到理想值接近1，那么意味着荧光灯镇流器的接入，对光源的总光通量TLL，基本没有造成损失。现代电子镇流器如果采用以下一系列先进技术，如：

　　微处理机控制技术和ASIC特殊功能专用集成电路；
　　低功耗高效运行的软开关（ZVS和ZCS）逆变器技术；
　　“休闲”与“唤醒”控制技术，等；

　　可以使荧光灯镇流器的流明系数BLF趋于接近1，例如：大于0.95等，既实现节电，又会极少降低荧光灯光源的最大光通量，即：所谓“节能不节光”的概念。显然，在荧光灯镇流器能源效率EEI达到最高的同时，BLF也应为最大值，趋向于较理想值。因此，荧光灯镇流器能源效率EEI及其等级的高低以及荧光灯镇流器流明系数BLF，是极为关键的因数。

　　2.2.5荧光灯镇流器的选用

　　1）荧光灯照明要高度重视镇流器的选择

　　在不理想的条件下，即使荧光灯发光效率很高，但荧光灯镇流器的流明系数BLF很小,则荧光灯灯具整体能效指标LER也必然很低，对设计采用荧光灯照明的场合，达到同等照度所需耗费的电能就越大，承担的电费就会越高。因此，在应用荧光灯照明的建筑节能设计中，对荧光灯镇流器的选用必须给以高度的重视。

　　2）荧光灯镇流器选择的基本依据

　　按照本文“2.2 荧光灯灯具和镇流器的照明能源效率指标与等级”的内容，荧光灯镇流器等级的类别与现状如下：

　　A1 —可调光电子镇流器；
　　A2 —较低损耗非调光电子镇流器；
　　A3 -- 一般的非调光电子镇流器；
　　B1 -- 极低损耗电感镇流器（与我国国标节能级别的镇流器接近）;
　　B2 -- 低损耗电感镇流器（近似我国国标能效限定值等级的镇流器）;
　　C-- 传统的中等损耗电感镇流器（欧盟已于2005年11月21日宣布禁用）；
　　D-- 早期的高损耗电感镇流器（欧盟已于2005年5月21日宣布禁用）；

　　为了尽量降低对电网的无功损耗，还须注重功率因数指标。上述等级的荧光灯镇流器，电感类型的镇流器，未经电容补偿，功率因数仅为0.5，经过较好的电容补偿，最好也只为0.80到0.85左右。而优秀的电子镇流器，特别是可调光电子镇流器可做到0.95至0.99。显然，荧光灯镇流器选用的基本依据是较为明确的。

　　3. 实现智能调光控制是荧光灯灯具节能照明的重要手段

　　3.1荧光灯智能调光大幅节能并延长光源寿命

　　荧光灯的调光控制，在现代照明中具有极为重要的地位。推广照明的节能调光控制，如果瞄准了目前已经成为照明领域主流的荧光灯光源，就是抓住了主要矛盾。目前，先进的荧光灯节能调光控制技术，已可实现节能30%，系统配置科学优化的，甚至可达到节能70%，可以延长光源寿命2—4倍。荧光灯只有实现了微机化的自动可调光照明以后，才能真正做到优化节能的目的。

　　3.2荧光灯智能调光刻实现节能照明的自适应优化控制

　　现代的智能化、网络化照明控制技术，能够按照照明现场的实际变化和需求自适应地实现节能调光控制，例如：“人来灯亮，人少灯暗，人走灯灭”；“自然光强，灯光熄灭；自然光弱，灯光补充；无自然光，灯光加亮”；即使在同一个办公室的空间内，也能实现分区的优化节能照明调节与控制。又如：建筑室内的灯光照明场景控制，既实现节能照明，同时又满足人性化照明和健康化照明的现代绿色照明理念。现代智能照明控制已成为节能照明的重要手段。

　　3.3荧光灯调光电子镇流器必须符合镇流器能源效率指标LER与镇流器流明系数BLF指标

　　荧光灯要比白炽灯复杂得多，荧光灯节能调光控制，涉及荧光灯光源技术与电子控制技术两个方面的交叉技术。搞好荧光灯节能调光控制，首先要掌握好荧光灯的原理和特点。荧光灯可数字寻址调光电子镇流器，是新兴的照明电子技术之高新技术产品，也必须按照上文所述的镇流器能源效率指标LER评估与规范，而其中的镇流器的流明系数BLF指标尤为重要。目前。综合性能优胜者并不太多，应用中必须注重品质选择。按照国际上或欧盟标准，可调光电子镇流器必须达到荧光灯镇流器等级标准的A1等级要求。

　　4.荧光灯节能照明设计应遵照《建筑照明设计标准》法定的“照明功率密度值”节能指标

　　4.1建筑照明节能设计应“照明功率密度值”和“照度”指标双达标

　　“照明功率密度值”（LPD）的定义：建筑的房间或场所，单位面积的照明安装功率(含镇流器,变压器的功耗)，单位为：瓦/平方米()。

　　《建筑照明设计标准》(GB50034-2004)规定了办公, 商业,旅馆,医院,学校和住宅以及工业等七类建筑中应用最多的108个室内空间或场所限定的“照明功率密度值”（LPD）。

　　《建筑照明设计标准》规定的“照明功率密度值”（LPD），在同一项目中又分为：“现行值”与“目标值”。“现行值”是指当前必须执行的；“目标值”是今后要努力达到的要求。

　　“照明功率密度值”（LPD）的规定，对照明工程设计提出了更高的要求，所有建筑照明设计，既要符合《建筑照明设计标准》规定的照度水平,又要使照明设计的照明功率密度值限定在标准规定的“照明功率密度值”（LPD）以下,从而保证照明系统的双达标，实现有效节能。

　　4.2建筑照明节能设计应正确选用荧光灯

　　在建筑照明中，大功率直管荧光灯是应用最为广泛的，在此，以大功率直管荧光灯为例，讨论荧光灯管的选择。表3 为国产几种大功率荧光灯的主要性能。

几种国产大功率直管荧光灯的性能比较　表 3

　　图1为T5荧光灯的配光曲线，显然，T5比T8的发光效率提高了30%，结合表3可知，国产荧光灯中T5大功率荧光灯的性能对满足《建筑照明设计标准》关于“照明功率密度值”（LPD）指标的要求较为有利。

图1T5与T8荧光灯配光曲线的比较

　　5. 荧光灯节能照明设计应善于运用灵活的照明设计方法

　　5.1要充分理解标准对设计照度值与标准值之间允许有±10%偏差的含义

　　有这样一个案例，一间小型主控室，要求设计照度为500 lx，在设计过程中遇到一个核定“照明功率密度值”（LPD）要求的现实问题，国家标准要求的功率密度指标现行值为照度500lx时，照明功率密度现行值18，照明功率密度目标值15。在小型控制室的室型系数，墙面、顶棚和地板的反射率不变的条件下，按照利用系数法计算平均照度，荧光灯灯具的最终选定如表4所示。

小型仪表室节能照明设计案例　表　4

　　如果选用三支T5荧光灯管，其结果，照度与照明功率密度值都超标，不合格，如表5所示。

选用T5的结果　表　5

　　综上所述，选用T12和T8，照度和功率密度都无法同时达标，而选用T5即可全面达标，在选用两支大功率直管荧光灯T5时，照度值为461 lx,因为注意到《建筑照明设计标准》(GB50034-2004)关于设计照度值与标准值之间，允许有±10%偏差的范围，故461 lx 仍然完全符合标准的要求，而且，还允许适当补充小功率节能台灯做局部照明。此案例，唯有两支T5管是最佳选择，并实现了功率密度值要求的“目标值”，具有前瞻性。此例，同时也也说明了目前的T5荧光灯综合技术指标尚需进一步提高。

　　总之，上述案例中，两支T5取代了三支T12或T8的方案，实现了节能优先。

　　5.2荧光灯节能照明设计要调整传统的均匀照明模式忽略次要区域的照度

　　有时一定会遇到加灯管照明功率密度值就会超标，减灯管就可达标的情况，为此，要改变传统的均匀照明的模式，忽略次要区域的照度，例如：房间门口的小区域，窗户附近的小区域，人员流动的区域等等，重点保证工作面上的照度达标即可。在此，应重新解读和修正均匀照明对节能照明的作用与意义

　　5.3荧光灯节能照明设计有时应善于采用中色温的直管荧光灯光源

　　通常，同一种直管荧光灯，中等色温灯管的光效比高色温灯管的光效要好。因此，应采用4000K或4200K色温的直管荧光灯。T5直管荧光灯具有不同色温的系列产品可供选用。而且，大多数中等色温的T5荧光灯管，显色性较优，属于暖白色调，季节适应性较强。

　　5.4荧光灯节能照明设计要善于调整传统的均匀对称的布灯模式

　　经常会遇到这样的案例，采用10支T8照度可以达标，但功率密度指标超标；而采用7支T5荧光灯后，照度和照明功率密度均可达标，此时遇到了设计的灯管数为奇数，而不是偶数，显然难以按照传统的均匀对称模式实施布灯，故应该改变思路，设计一种既新颖美观，又达标的布灯方案，以确保节能优先。

　　6. LED日光灯

　　6.1 LED日光灯挑战荧光灯的霸主地位

　　荧光灯也俗称为日光灯，主要是荧光灯的显色性能接近日光而故得此名。由于荧光灯已经统治照明界有数十年的历史，在照明应用与设计方面，已经形成了极为丰富和娴熟的经验，而且现有的荧光灯建筑照明场合极其广泛，数量巨大。

　　在LED光源技术蓬勃发展的今天，LED光源同样可以制造出结构上类似荧光灯的日光灯。LED灯具必然会瞄准荧光灯这一广泛应用的照明灯具以及可以替代与改造的数量惊人的现有荧光灯照明的场所，以展开争夺，以挑战荧光灯在照明界的霸主地位。事实上，基于LED光源的类似荧光灯的LED日光灯已经出现。

　　6.2 一种性能和结构上类似荧光灯的LED日光灯

　　图2所示是一种性能和结构上类似荧光灯的LED日光灯。主要技术参数为：

　　 1）消耗功率：20W（最大值）；
　　 2）光通量：1300 lm;
　　 3）色温：3000 K – 6000 K（白、红、绿、蓝、橙等单色，可选）;
　　 4）寿命：100000 小时；
　　 5）电源：230V 50/60 Hz；
　　 6）光辐射角：120°（C0测光平面）；
　　 7）长度：630mm;
　　 8）重量：0.70 Kg

图2一种性能和结构类似荧光灯的LED日光灯

　　6.3LED日光灯的出现预示了什么？

　　显然，现在评论这种LED日光灯的推广，可能真的为时过早，因为其成本与荧光灯相比实在贵得有点离谱！但是，这种LED日光灯的出现预示着作为照明光源新秀的LED，今后进入传统荧光灯占据的照明领域已是必然。而且，LED灯具的制造成功，业已证明由于LED光源独特的“发光细胞”结构，在各种灯具内部，对提高灯具的光效率方面，能够优于荧光灯或紧凑型节能灯等传统光源。

　　6.4LED日光灯的节能照明应用

　　LED灯具在节能照明应用时，将与荧光灯类似，也会遇到“照明能源效率指标与等级”的评估与规范的问题，但是LED的开关电源供电技术，不存在诸如高频电子镇流器的一系列麻烦，而且，LED日光灯的调光控制，将不再使用荧光灯调光控制的那种专用的电子镇流器，调光将相对变得容易。至于LED的建筑节能照明设计等问题，则可以参考荧光灯建筑照明设计的经验，不断继承与发展。

　　目前，LED灯具价格昂贵，主要是采用了一系列全新的技术、工艺与材料，随着不断的发展，特别是LED的发光效率还在不断提升，可以深信LED灯具必将作为照明领域的新秀进军照明界。

　　结语

　　综上所述，贯彻荧光灯的建筑照明节能设计，也是落实人类可持续发展科学观念的重要组成部分之一。

　　建筑的荧光灯照明节能设计必须注重以下四个方面：

　　1）正确选择荧光灯光源，要注重高效荧光灯光源的选用；
　　2）科学选择荧光灯镇流器，要特别重视镇流器的能源效率EEI指标和流明系数BLF指标；
　　3）合理灵活地设计建筑的荧光灯节能照明，实现“照明功率密度值”（LPD）和“照度”指标双达标；
　　4）推广荧光灯的智能照明控制，以实现优化荧光灯节能照明；

　　在可预见的今后，LED日光灯必将进军照明领域，而且应用上将不会有太复杂的问题。

（全文结束）

编辑：中国照明网 刘 立