LED 灯与荧光灯的照明效果对比及经济性分析

田向伟 马 立 靳俊杰

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

随着我国对节能减排政策的大力推广，节约能源的观念也越来越深入人心，在各个领域都在尽力降低能耗。在电能消耗中，照明用电量占发电总量的比例:发达国家是19%，我国是12%[1]，随着经济的进一步发展，照明用电量所占的比例必将进一步增加，在照明这部分中降低能耗也显得越发有必要性。据国家相关部委出台的公告，我国从2012年10月1日起，按功率大小分五个阶段逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯，这标志着我国的照明行业在政策促进下加速迈入“节能时代”。

LED灯作为一种新型光源灯，具有功耗低、发光效率高、寿命长等优点越来越受到市场的青睐，特别是随着大功率LED器件的研发不断取得突破，LED灯的应用也日趋普及，LED灯也必将成为未来节能灯中的主流。本文通过对15 W的LED灯与40 W的荧光灯的测量并进行分析，来体现出LED灯的节能性和经济性，为未来在室内LED灯取代荧光灯提供了依据。

1 LED灯简介

1.1 LED灯发光原理

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)被称为“第四代光源”，也是未来“绿色照明”的主角[2]。其核心的部分是由P型半导体和N型半导体所组成的晶片。在P型半导体内含有大量带负电荷的电离杂质和带正电荷的空穴，如果在电场的作用下，空穴可以移动，而电离杂质(离子)却固定不动;N型半导体内含有许多固定的正离子和可动的负电子[3]。在PN结外加上电压，通过在P端接正极，N端接负极，电流便能从P型端流向N型端，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。反之，若电压顺序接反，则电流不能通过。利用PN结的单向导电性，在半导体晶片的两极加上正向电压，半导体中载流子发生复合，就会把多余的能量释放出来而引起光子发射产生可见光，从而把电能直接转换为光能，光的强弱与电流的大小有关。

1.2 LED 灯的优点

LED灯的优点明显，灯光是由超导发光晶体产生超高强度的光，采用电场发光，发热量很少，比白炽灯和荧光灯均要少，不会以热量形式浪费太多电量;光谱几乎全部集中于可见光频段，光谱中几乎没有紫外线和红外线，显色性高，且发光效率可达80%～90%，无辐射，使用中不产生有害物质(荧光灯易挥发汞蒸汽);属于全固体冷光源，体积小，结构坚固，抗震性好，工作电压低，不像霓虹灯那样要求高电压而容易损坏;使用寿命长，由环氧树脂固体封装，寿命可达5年～10年;不需要镇流器和启辉器，减少了照明环境的电磁污染和噪声污染，功率因数大;响应时间小，响应时间为纳秒级，光色柔和，无眩光，且光方向性强，光通量利用率高。因而被全球公认为环保节能型光源。

2 测量场所及相关测试方法

2.1 测量场所

测量场所选在西南科技大学某一小办公室内，该办公室详细情况见表1。

表1 办公室相关参数

办公室灯具所处的位置见图1。其中灯具到测量桌面竖直高度为1.95 m。

2.2 测试方法

为了避免室外太阳光线对测量结果造成的影响，选择在晚上进行测量，此时，室外光线微弱，可忽略不计。该研究中15 W的LED灯和40 W的荧光灯的数目均为一支。

2.2.1 测量仪器

本测量中，采用HD2302.0精密光度计，分别测量LED灯和荧光灯的照度;采用电能综合测试仪HSDZC分别测量LED灯和荧光灯的电流、两端电压、输入功率、有功功率等参数;采用热电耦温度计AZ8803测量荧光灯的灯管表面温度以及LED灯管中许多小LED的表面温度。

2.2.2 测点布置

该办公室的室形指数为1.0，根据室形指数处在1～2时，最少测点数为9个[4]，依据GB 50034-2004建筑照明设计标准中的规定，办公室照明照度值测量的参考平面为高度0.75 m的水平面，在该研究中，办公桌面高度为0.80 m，基本符合标准中的规定，因而可做一下布置(见图2)，其中相邻两测点之间相距0.45 m，测量平面布置在灯具的正下方。

2.2.3 平均照度的计算

将测定范围以纵横线等间隔划分为等面积的网格，以每个网格中心一点的照度测量值求出全部测量范围的平均照度值，即按式(1)求其平均照度:

图1 办公室尺寸及灯具布置示意图

图2 照度测点平面布置图

3 测量结果及相关分析

3.1 LED灯与荧光灯的电流、电压等的测量

打开40 W的荧光灯，待光源的光输出稳定后，采用电能综合测试仪HSDZC进行测量，把40 W的荧光灯的电流、电压、输入功率、有功功率、频率等依次记录下来，其中，电流、电压取1 h内的平均值;把40 W的荧光灯换做15 W的LED灯，采用同样方式进行测量并记录相关数据，可得出表2。

表2 LED灯与日光灯性能对比表

从表2中可以看出，实际使用电压为219.5 V，接近额定电压220 V，型号为15 W的LED灯的输入功率和有功功率均为16 W，而型号为40 W的荧光灯的输入功率和有功功率均为46 W，两者相差整整30 W，后者是前者的2.9倍，这说明型号为40 W的荧光灯同时间内的耗电量要比型号为15 W的LED灯大得多。

3.2 LED灯与荧光灯的平均照度的测量

照度的测量选择在晚上进行，关闭门窗及室内电脑等设备，这样可避免外界光线对测量结果造成不良影响。先打开40 W的荧光灯，待稳定后，用型号为HD2302.0的精密光度计进行测量;然后，用15 W的LED灯取代40 W的荧光灯的位置，并取下启辉器，待光源的光输出稳定后，同样用型号为HD2302.0的精密光度计进行测量。照度分布及测量值分别见图3，图4。

图3 荧光灯照度分布测量值

图4 LED灯照度分布测量值

根据式(1)可计算出相应的照度平均值，又由两灯照度分布测量值，可列表3。

表3 LED灯与荧光灯照度测量值lx

从表3中可以看出15 W的LED灯比40 W的荧光灯的平均照度还要大8.92 lx，说明其节能明显，此外，两灯的平均照度之所以均不是很大，是因为所测量的对象LED灯和荧光灯的数目均为一支。图5和图6为两灯的照明效果对比。

从图5，图6可以看出，LED灯在上部照亮的范围略比荧光灯照亮的范围“狭窄”些，原因是荧光灯灯管发光角度是360°，而LED灯管中的许多小LED是平面布置，显然荧光灯的发光角度要比LED灯的发光角度大，但在灯下面的工作范围内，LED灯亮度比荧光灯略高些。

图5 荧光灯照片

图6 LED灯照片

3.3 LED灯管中LED的温度与荧光灯灯管表面温度的测量

对温度的测量，该研究中采用型号为AZ8803的热电耦温度计。接上电源，打开开关，待光源的光输出稳定后，分别对40 W的荧光灯和15 W的LED灯进行测量。其中，均进行均匀布置，布置3个测点，分别位于灯的两端和中间部位，3个测点同时测量，取1 h内的平均值。相关数据见表4。

表4 LED灯与日光灯表面温度对比 ℃

可以看出，LED灯管内LED表面温度要比荧光灯表面温度明显低许多，证实了LED灯发热量小，电能转化为热能也要比荧光灯少，这也是它节能的一个重要原因。此外，经测量LED灯管外表面平均温度仅有33℃，这样，即使在LED灯发亮时，碰到了它也不会让人感到很热。

4 经济性分析

该研究中15 W的LED灯实际功率为16 W，而40 W的荧光灯的实际功率为46 W，每天按开灯时间8 h，一个月使用天数22 d，一年按使用10个月来计算，对于一支15 W的LED灯每年的实际耗电量为:

对于一支40 W的荧光灯每年的实际耗电量为:

根据GB 50034-2004建筑照明设计标准规定的300 lx～500 lx的标准值，该办公室安装4支15 W的LED灯或40 W的荧光灯基本可达到标准。这样每年LED灯的耗电量为:

而荧光灯的耗电量为:

每年荧光灯的耗电量要比LED灯多211.20 kW·h，也就是说如果把原来40 W的荧光灯换做15 W的LED灯，一年要节约211.20 kW·h，节能65.2%。据有关统计，每节约1度(kW·h)电，就相应节约0.4 kg标准煤，同时减少排放0.272 kg的碳粉尘，0.997 kg CO2，0.03 kg SO2，0.015 kg 氮氧化物[5]。这样的话，每年节约211.20度电，就相当于节约84.48 kg标准煤，同时减少57.45 kg 的碳粉尘，210.57 kg CO2，6.34 kg SO2，3.168 kg 氮氧化物，可见环保效果是非常明显的。优质日光灯平均寿命6 000 h～8 000 h，而LED灯理论寿命可达50 000 h～100 000 h，取荧光灯的使用寿命为2年，LED灯的使用寿命为10年。每支荧光灯按照市场价格可取12元，LED灯取115元。每度电按0.6元来计算，根据以上数据，可得出两种灯的经济性对比，见表5。

表5 LED灯与荧光灯经济性比较 元

从表5中可以看出，尽管LED灯的初投资比较大，但运行费用低，每年电费要节省126.7元，投资回收期为三年，10年内可节省1 047元，平均每年节省104.7元。对于一个面积仅为15.8 m2的小办公室而言，无论是在节能上还是在经济效益上，LED灯的优势均是显而易见的。

5 结语

通过在一间小办公室中对15 W的LED灯和40 W的荧光灯的测试研究发现，在219.5 V使用电压下，15 W的LED灯实际功率为16 W，而40 W的荧光灯实际功率为46 W，LED灯灯管散热量比荧光灯小，而平均照度却要比荧光灯高8.92 lx，二者照明效果非常接近。又对LED灯替代荧光灯进行能耗及经济性分析，按房间安装4支灯来计算，虽然LED灯初投资较大，但投资回收期只为3年，节能效果明显，经济效益也可观。

尽管目前LED灯还存在很多问题，技术还有待进一步完善，需要进一步降低LED灯成本及提高LED灯质量。然而，凭借它的节能、环保、照明效果、使用寿命等方面优势，未来在室内照明推广应用，是一种必然的趋势。

[1] 刘淑平，苑雅娟，冯艳红.高亮度低成本太阳能LED灯具的研究[J].太阳能，2007(1):20-22.

[2] 陈大华，刘 洋，居家奇，等.绿色照明LED实用技术[M].北京:化学工业出版社，2009.

[3] 任 霞.企业技术开发[J].LED灯与节能，2010，29(3):56-68.

[4] GB 50034-2004，建筑照明设计标准[S].

[5] 高 飞，郑炳松.照明与CO2的减排[J].照明工程学报，2011，22(3):100-103.