降低鐵路客站照明“全壽命”成本的探索及應用

李 鋼 中國鐵路上海局集團有限公司土地房產部

照明的全壽命周期（LCC-LED）理論就是燈具從采購-安裝-壽命終結的全部過程，全壽命周期成本包含照明系統設置費（采購、安裝）和維持費（運營）兩大部分。

1 客站照明燈具使用現狀

目前，中國鐵路上海局集團有限公司共有辦理客運高鐵客站199 座，普鐵客站552 座。隨著使用年限的增加，客站的照明設施由于照度不足也經過了幾輪的更換，鐵路客站主要在用得照明燈具主要分為兩類：傳統光源和新型光源。

（1）傳統光源：金鹵燈、高壓鈉燈、熒光燈等。

（2）新型光源：LED燈。

以杭州東站為例，杭州東站目前燈具主要為金鹵燈、鈉燈和熒光燈三種，平均光通量已降到初始值的70%以下，特別是雨棚、候車室等高大空間燈具損壞后維修極其困難。這些原因使得高架候車室、站臺雨棚、出站通道等主要旅客通行場所無法達到原設計照度標準要求，對旅客進出站及候車有較大影響。因此選擇照明效率更高，壽命更長的照明燈具顯得至關重要。

2 傳統光源和新型光源對比

LED 燈具是以“發光二極管”技術生產的燈具，具有亮度高、能耗小的特點。LED 可以直接把電能轉化為光能，相對于傳統燈具的獨立照明工作系統而言，LED 燈具內部的光源部分很小，容易固定，且具有很好的穩定性。

2.1 LED燈具性能優點

相對于傳統燈具，LED 燈具主要有4大優勢。

（1）節能環保。目前LED 燈具發光效率已達到120 lm/W，是白熾燈的八倍，是金鹵燈的兩倍。

（2）保護眼睛。LED 燈具實現了交流電向直流電的轉化，無頻閃現象。

（3）使用壽命長。LED 壽命可達5萬小時以上，是白熾燈的50 倍，日光燈、節能燈的10倍。

（4）堅固耐用。LED 屬于固體光源，具有很好的穩定性、抗震性。

2.2 LED燈具性能缺點

相對于傳統燈具，LED 燈具也有部分缺點。

（1）電光轉換效率低、發熱量大。其輸入的電能其實只有24%～34%會轉化成需要的光能，其余的會有很大一部分會以非輻射符合的形式轉變為熱量。

（2）價格高。LED 是一類高科技產品，當前LED 芯片技術被少數國際巨頭所壟斷，造成LED 燈具的價格整體偏高。

3 客站全壽命周期模型

客站照明全壽命周期的模型目的主要是為了實現客站照明壽命周期內的總費用最優，從數據的角度，挑選出影響成本的關鍵因素，從而加以控制，達到進一步減少更換和運營成本。

燈具全壽命成本評價模型：簡稱LCC 模型，是以一個燈具更換周期為計算基礎，全面考慮客站照明燈具系統設置（采購、安裝）和維持（運營）兩大部分，使全壽命周期內成本值最低。公式如下：

燈具全壽命成本：

式中C11 為照明燈具燈具采購成本，C12 為照明燈具燈具安裝成本，C21為用電成本

3.1 鐵路客站照明更換情況

目前鐵路系統客站的燈具安裝高度較高的能達到20 m 以上，尤其是大型及以上客站，故燈具的更換都需使用到高空平臺作業車等施工機具，由于鐵路運輸的特殊性，每日施工時間僅為3-4 個小時左右，施工時間短，人工降效嚴重，一次燈具更換得到成本往往燈具本身的費用還要高。

以杭州東站照明燈具整治為例：使用傳統燈具，安裝費用約占總成本的55%，采購費用占比約為45%；使用LED燈具，安裝費用占比約為53%，采購費用占比約為47%。因此無論是選用傳統燈具還是選用LED 燈具，其安裝費用基本已經持平于燈具本身的采購費用，燈具本身費用的敏感性已經比較低了，而燈具的單位總成本就更為重要。

3.2 降低的途徑

從上述燈具全壽命周期成本模型來看，想要進一步降低全壽命周期成本LCC-LED 值，可從三個方面進行考慮。一是降低C11 照明燈具燈具采購成本，但目前LED 燈具價格總體上高于傳統的燈具，無法降低；二是降低C12 照明燈具燈具安裝成本，目前鐵路客站，尤其是大型客站施工難度較高，且無論更換何種燈具，安裝成本無法有效降低；三是降低C21 用電成本，目前同等照度下，LED與傳統燈具相比有著明顯的節能降耗的優勢，可以有效做到降低單位能耗，降低壽命周期內的使用成本。

但其實在燈具全壽命成本評價模型中，C11為照明燈具燈具采購成本與C12為照明燈具安裝成本是存在一定聯系的，如圖1 所示，每盞燈具的采購成本與安裝成本可折算為單位使用成本，公式如下：

式中D 為單位使用成本，n 為使用年。

圖1 杭州東站燈具單位燈具使用成本趨勢分析圖

如圖1 所示，燈具單位使用成本總體上呈冪函數分布，剛開始3-4 年，隨著年份的降低，單位使用成本有一個比較明顯的降低過程，但隨著年份繼續增加，降低趨勢區域緩和，最終趨于平緩。

以杭州東站燈具更換為例，假設燈具使用年限為10年，那使用到第6年時，其單位使用成本為250 元左右；第10 年時，其單位使用成本為150 元左右。假設燈具使用年限為5年，那對比看來前5年使用成本一致，第6 年以后，由于其燈具重新更換，新的安裝費用與采購費用的增加，導致在第6 年時，其單位使用成本驟然增加到1 800 元左右，差價達到1 550 元左右；到第10 年時，其單位使用成本為450 元左右，差價僅剩300 元左右。說明，使用的時間越久，其單位使用成本越趨于平衡，降低空間越小。但從圖中陰影部分可以看出，其重新更換增加的單位成本依然很巨大。

可以得出，當燈具的使用壽命可以被有效延長時，燈具的采購成本與安裝成本也就變相的降低了，想要有效的降低全壽命周期成本LCC-LED 值，可通過提高采購產品的質量，延長壽命來實現。

4 影響LED燈具壽命的因素

從我們的應用和分析來看，影響因素有以下四點。

4.1 光源芯片質量對LED 燈具壽命的影響

光源芯片作為LED 燈具的核心，其質量差異直接影響LED 燈具壽命，質量好的光源芯片具有更低光衰，更高的裸晶亮度，更好的白平衡效果，更佳的色彩還原性。光源的光衰代表了其本身的壽命，行業內部標準為當光源的光衰超過30%時，代表光源壽命的終結，需對燈具進行更換。質量好的光源具有更長的光衰周期，使用時間更長。所以，在采購LED 燈具時，需對燈具的光源進行第一步把控，采購到質量上乘的光源芯片是把控好LED燈具質量的第一步。

4.2 散熱效果對于LED 燈具壽命的實際影響

散熱效果對于LED 燈具來說是非常重要的，散熱不佳，會直接導致很多部件出現失靈的情況，嚴重的還會直接誘發危險情況的出現。功率較大的LED燈具，燈珠相對集中，產生熱量更大，當LED 燈具中產生了大量的熱量，而當這些熱量無法及時的傳導出時，燈具內部就會處于高溫狀態，而LED 作為半導體材料，對溫度相對比較敏感，長期高溫狀態會導致LED 燈具內部的部件（芯片等）加速老化和損壞，直接造成LED 燈具壽命短縮。所以，想要延長LED 燈具的壽命，就必須讓其擁有良好的散熱途徑。通過對LED 光源結溫的測試，可以很直觀的了解到LED 燈具的散熱情況，同等情況下，結溫越高，說明散熱越差，光衰越早，壽命也就越短。如圖2所示。

圖2 某公司某款LED光衰曲線

從圖2 中可以看出，LED 的光衰與光源的結溫有直接關系，所謂結溫就是半導體PN 結的溫度，結溫越高，光衰出現的越早。當結溫為105℃時，光衰30%的壽命時間有10000 小時多一點；結溫為95℃時，光衰30% 的壽命時間有20000 小時了；而當結溫達到75℃時，光衰30%的壽命時間有50000 小時了。所以想要進一步延長LED 燈具的使用時間，關鍵就是要降低光源結溫。以上數據只代表某一款芯片，想要獲得LED 最佳的使用壽命，須獲得相應光源芯片公司的光衰曲線圖作為參考，利用光衰壽命選取最佳結溫范圍。

4.3 控制裝置對LED燈具的壽命影響

燈具的控制裝置作為LED 燈具的心臟，起到將正常交流供電轉化為恒定直流后對LED 芯片進行供電。由于鐵路客站工作電壓可能存在波動以及燈具連續工作時間較長，以及部分工作區域溫度較高，對控制裝置的性能要求較高，為了保證燈具的壽命，控制裝置需要選用工業級產品，須具有較寬的工作電壓、穩定的電流輸出，較高的功率因數和轉換效率，良好的電磁兼容性，可靠地短路保護、過熱保護、過載保護、空載保護、防雷沖擊，防浪涌，低功耗，長壽命等特性。

4.4 外部環境對于LED 燈具壽命的實際影響

當LED 燈具安裝位置為室內時，受外部環境影響較小，使用壽命較長，但當LED 燈具安裝位置為室外時，其受外部環境影響較大。首先，外部環境中存在大量的灰塵，當灰塵進入燈具內部長期積累后會導致燈具的散熱效率降低，從而進一步降低燈具使用壽命；其次外部環境存在大量雨水，若燈具本身沒有任何防水能力時，雨水等的進入將會導致燈具內部線路短路而直接燒毀燈具。所以，LED 燈具的防塵防水功能是其在室外環境使用中不可或缺的功能。

目前IP 等級是針對電氣設備外殼對異物侵入的防護等級，來源是國際電工委員會的標準IEC60529（見表1）。

表1 電氣設備外殼對異物侵入的防護等級表

從表1 中可以看出，當防塵等級達到6 時，燈具可以達到完全防止粉塵進入的等級，當防水等級達到5 時，燈具基本可以達到對室外大量雨水的安全防護等級。所以，當燈具在室外環境長期使用時，建議防護等級達到IP65 以上較為合適。

另外，大氣中 CO2、SO2、NO2或鹽類溶解于燈具外殼金屬表面水膜時，該水膜即成為電解質溶液，此時燈具外殼金屬表面便會進行電化學腐蝕。為防止產生腐蝕，一般情況下便會在燈具外殼金屬表面施加保護層，起到保護作用。燈具外殼保護所能抵抗腐蝕的能力便是日常所稱的防腐等級，目前共有5 個等級，如表2所示。

表2 防腐等級

從表2 中可以看出，戶內型防腐等級分為F1、F2 兩種，戶外型防腐等級分為W、WF1、WF2。戶外型防腐等級要求是強于戶內型的，WF2 也代表了最高防腐等級。所以，當LED 燈具用于室外場景時，可以根據防腐的需求選用相應的等級。考慮到鐵路客站雨棚使用環境的復雜性和更換的高難度性，一般建議選用最高防腐等級WF2。

5 結論

本文結合鐵路客站照明燈具的使用情況，全面對比傳統燈具與LED 燈具的優缺點，對燈具全壽命周期模型中的C11 采購成本與C12 安裝成本之間進行了相關性分析。同時以杭州東高鐵客站燈具更換為例，進行實際對比，并對LED燈具壽命的重要影響因素進行分析，得出延長LED燈具壽命需具備的條件：

（1）優質的光源芯片，保證核心壽命盡量長。

（2）高效的散熱系統，保證光源結溫盡量低。

（3）可靠的驅動電源，保證燈具控制盡量穩。

（4）嚴密的保護體系，保證適應使用環境要求。