LED 照明在工業(yè)廠房中的應(yīng)用分析

王德輝 黃偉

（天津光電華典科技有限公司 天津 300211）

1 廠房照明的特點(diǎn)

一般工業(yè)廠房的照明設(shè)計(jì)主要依據(jù)《GB50034－2004 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，并結(jié)合國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)行業(yè)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)工業(yè)廠房照明。

工業(yè)廠房是生產(chǎn)重地，其結(jié)構(gòu)高大、燈具懸掛高、照明空間大、燈具數(shù)目多、用電量大。因此，其基本要求是：

1.1 保證車間有足夠的亮度，以滿足提高工效和安全生產(chǎn)的需要；

1.2 按識(shí)別對(duì)象的不同，照明方式要合理，照明質(zhì)量要高。如照度均勻性高、色溫舒適、顯色指數(shù)高、眩光小等；

1.3 電光源和燈具壽命長(zhǎng)、安全可靠、故障少、維護(hù)措施簡(jiǎn)單，以減少維護(hù)工作量、節(jié)約運(yùn)行維護(hù)成本；

1.4 高效節(jié)能、減少用電量，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 照明應(yīng)用分析

2.1 金鹵燈的發(fā)光原理

金鹵燈電弧管內(nèi)充有汞、惰性氣體和一種以上的金屬鹵化物。工作時(shí)，汞蒸發(fā)，電弧管內(nèi)汞蒸汽氣壓達(dá)幾個(gè)大氣壓(零點(diǎn)幾個(gè)兆帕) ，鹵化物也從管壁上蒸發(fā)，擴(kuò)散進(jìn)入高溫電弧柱內(nèi)分解，金屬原子被電離激發(fā)，輻射出特征譜線。當(dāng)金屬離子擴(kuò)散返回管壁時(shí)，在靠近管壁的較冷區(qū)域中與鹵原子相遇，并且重新結(jié)合生成鹵化物分子。這種循環(huán)過程不斷地向電弧提供金屬蒸汽，金屬原子被電離激發(fā)，輻射出特征譜線而發(fā)光[1]。

2.2 LED 燈具的發(fā)光原理

LED 照明燈具的核心器件是發(fā)光二極管，它是由p 型半導(dǎo)體和n 型半導(dǎo)體組成的可發(fā)光晶片。當(dāng)?shù)腜N 結(jié)中注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以發(fā)光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。LED 芯片理論上每瓦的發(fā)光效率高達(dá)370 LM/W，目前商業(yè)化批量的白光LED 光效已經(jīng)超過每瓦150LM，是目前所有發(fā)光材料中發(fā)光效率最高的。

2.3 金鹵燈與LED 燈具的性能對(duì)比

為了比較方便突出金鹵燈與LED 燈具的性能差異，下面通過表1 進(jìn)行對(duì)比說明。

表1 金鹵燈與LED 燈具的性能對(duì)比

2.4 照明結(jié)果分析

為了更好地說明LED 工礦燈在廠房中的應(yīng)用，本文選用天津市濱海新區(qū)一新建電纜廠房為例進(jìn)行說明。本案例中廠房設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約為171.35m，寬度約為96m，長(zhǎng)度的面積為1.6×104m2，設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)廠房，廠房為單層設(shè)計(jì)，層頂高9.15m。設(shè)計(jì)只考慮廠房?jī)?nèi)部照明。按照國(guó)家的線纜廠房的照明規(guī)范，車間平均照度值為300lux。

初步布燈根據(jù)利用系數(shù)法計(jì)算

式中，Eav 為工作面上的平均照度；Φ 為單個(gè)光源光通量；N為光源數(shù)量；U為利用系數(shù)；A為工作面面積；K為燈具的維護(hù)系數(shù)。

根據(jù)廠房平均照度要求，燈具數(shù)量的計(jì)算公式為：

式中，維護(hù)系數(shù)取0.8，面積為16416m2。

本設(shè)計(jì)采用400 W 大功率金鹵工礦燈進(jìn)行設(shè)計(jì)，單個(gè)燈具光通量36 000 lm，根據(jù)廠家燈具資料，選取利用系數(shù)為0.6。

用Eav=300 lx 計(jì)算得燈具數(shù)目為280 盞。考慮到燈具安裝問題，以每跨每區(qū)間掛1 盞燈計(jì)算，總燈具數(shù)為23×12 盞=276盞，照度計(jì)算值為290 lx，大于要求平均照度的90%，因此該廠房設(shè)計(jì)燈具數(shù)量為276 盞。

相比之下若采用我公司LED 工礦燈燈具進(jìn)行同等數(shù)量和位置替換，根據(jù)我公司現(xiàn)在的LED 燈具資料，可計(jì)算出所需要的單燈光通量為18000lm。按照目前我公司的產(chǎn)品可選用150W 的LED 工礦燈（實(shí)際光通量17800lm）就可以代替。

2.5 DIAlux 軟件的仿真結(jié)果

DIALux 由德國(guó)DIAL Gmbh 公司開發(fā)，是一款為了模擬計(jì)算室內(nèi)室外照明需求，為實(shí)際配置具提供比較準(zhǔn)確的參考信息的仿真軟件。該軟件采用制造商定制數(shù)據(jù)庫(kù)，通過運(yùn)用設(shè)計(jì)方案中將要采用的燈具的配光曲線文件進(jìn)行照度計(jì)算，來得出一些關(guān)鍵的照明指標(biāo)，仿真數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確。

按照利用系數(shù)法計(jì)算所得的燈具布置，并導(dǎo)入DIAlux 軟件進(jìn)行仿真，獲取燈具布局圖如圖1 所示。

圖1 LED 工礦燈布局圖

圖2 金鹵燈仿真等照度圖

2.5.1 將燈具設(shè)置為400W 金鹵燈后進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果如圖2 所示。

從仿真結(jié)果可見，使用400W 的金鹵燈，可以使車間的平均照度達(dá)到293lux，最小照度為121lux，最大照度327lux，照度均勻度0。41，LDP 值6。97W/m2。

2.5.2 將燈具設(shè)置為400WLED 燈后進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果如圖3所示：

從仿真結(jié)果可見，使用150W 的LED 燈，可以使車間的平均照度達(dá)到304lux，最小照度為240lux，最大照度427lux，照度均勻度0.79，LDP 值2。52W/m2。

圖3 LED 燈仿真等照度圖

2.6 照明質(zhì)量比較

照明質(zhì)量主要有照度水平、照度均勻度和顯色性等評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以下從三個(gè)方面對(duì)兩種不同光源進(jìn)行比較。

綜上各種因素，朝藿定B、朝藿定A、朝藿定C、淫羊藿苷、木犀草素、槲皮素、川陳皮素、山柰酚、寶藿苷Ifs/i的RSD依次為0.30%、0.81%、1.11%、0.79%、2.24%、0.80%、2.96%、0.57%和1.35%，表明該方法各成分fs/i耐用性較好。

2.6.1 照度水平

從仿真等照度圖可以看出兩種方案的平均照度均達(dá)到了300lx 的標(biāo)準(zhǔn)，偏差不大于10%。從照度水平的角度說，兩種方案都是滿足要求的。

2.6.2 照度均勻度

建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求工業(yè)建筑作業(yè)區(qū)域內(nèi)的一般照明照度均勻度不應(yīng)小于0.7，而作業(yè)面鄰近周圍的照度均勻度不應(yīng)小于0.5。兩種方案中金鹵燈的整體照度均勻度為0.41，不能滿足照明要求，但除去四周暗區(qū)，僅從作業(yè)區(qū)域考慮，其照度均勻性大于0.7，基本滿足照明要求；LED 燈具的照度均勻度為0.79，可以滿足照明要求。

2.6.3 顯色性

建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中大部分工業(yè)生產(chǎn)廠房根據(jù)工藝不同，顯色指數(shù)Ra 要求為60～80。金屬鹵化物光源根據(jù)不同產(chǎn)品、顯色指數(shù)Ra 從60 至90 不等。LED 顯色指數(shù)Ra 大于75，可以滿足照明要求。

從以上各照明質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知兩種布置方案均滿足規(guī)范要求，可以達(dá)到廠房需要的照明效果。

3 節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 金鹵燈與LED 工礦燈的節(jié)能對(duì)比

假設(shè)整個(gè)廠房使用276 個(gè)400W 的金鹵燈，實(shí)際一個(gè)金鹵燈消耗的功率為450W。按照每天照明24h，每月工作22d 計(jì)算，全年的耗電量為：

如整個(gè)廠房使用276 個(gè)150W 的LED 工礦燈，實(shí)際一個(gè)LED燈整消耗的功率為157W。按照每天照明24h，每月工作22d 計(jì)算，全年的耗電量為：

276×0.157×24×22×12=274551 度電

相比之下，使用LED 工礦燈比使用400W 金鹵燈年節(jié)電512380 度電，節(jié)能65%以上。

3.2 金鹵燈與LED 工礦燈的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

3.2.1 初期投入費(fèi)用對(duì)比

單個(gè)金鹵燈成本為400 元，276 個(gè)金鹵燈費(fèi)用為22.08 萬(wàn)元；單個(gè)LED 工礦燈成本為2000 元，276 個(gè)LED 工礦燈費(fèi)用為55.2萬(wàn)元。

3.2.2 運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

按每度電0.8 元計(jì)算，使用金鹵燈一年花費(fèi)62.95 萬(wàn)元電費(fèi)；使用LED 一年花費(fèi)21.96 萬(wàn)元電費(fèi)。此后，每年可節(jié)省電費(fèi)40.99萬(wàn)元。

3.2.3 維護(hù)費(fèi)用對(duì)比

金鹵燈的燈泡使用壽命約為3000 h，每年需更換兩次，按一個(gè)燈泡150 元計(jì)算，一年費(fèi)用8.28 萬(wàn)元。假設(shè)，更換一個(gè)燈泡人員50 元，則全年需要的人工費(fèi)用為2.76 萬(wàn)元，合計(jì)維護(hù)費(fèi)用11.04 萬(wàn)元。

因?yàn)長(zhǎng)ED 工礦燈壽命在50000 h 以上，無須維護(hù)和更換。

表2 金鹵燈與LED 工礦燈的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

從表中看出，400W 金鹵燈第一年燈具及電費(fèi)共需要96.04萬(wàn)元，LED 工礦燈使用1 年，燈具用電費(fèi)共需要77.16 萬(wàn)元。使用5 年之后可節(jié)省費(fèi)用總計(jì)227 萬(wàn)元。

3.3 金鹵燈與LED 工礦燈的社會(huì)效益對(duì)比

使用LED 工礦燈較使用金鹵燈還有著顯著的社會(huì)效益。

表3 金鹵燈與LED 工礦燈的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

隨著LED 照明技術(shù)的迅猛發(fā)展，LED 燈具在工業(yè)廠房中的應(yīng)用也得到了越來越多企業(yè)和認(rèn)可。使用LED 燈具照明不僅改善了廠房的照明環(huán)境，還可以大大提高能源利用率，大幅度降低能源損耗，從而為工廠高效的生產(chǎn)提供保障。因此，今后將LED照明在工業(yè)廠房中必將得廣泛的應(yīng)用。

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