LED 照明在工業(yè)廠房中的應用分析

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

一般工業(yè)廠房的照明設計主要依據(jù)《GB50034－2004 建筑照明設計標準》，并結合國家現(xiàn)行相關行業(yè)的規(guī)范標準，通過科學、合理的設計方法實現(xiàn)工業(yè)廠房照明。

工業(yè)廠房是生產重地，其結構高大、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的需要；

1.2 按識別對象的不同，照明方式要合理，照明質量要高。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、安全可靠、故障少、維護措施簡單，以減少維護工作量、節(jié)約運行維護成本；

1.4 高效節(jié)能、減少用電量，提高經濟效益和社會效益。

2 照明應用分析

2.1 金鹵燈的發(fā)光原理

金鹵燈電弧管內充有汞、惰性氣體和一種以上的金屬鹵化物。工作時，汞蒸發(fā)，電弧管內汞蒸汽氣壓達幾個大氣壓(零點幾個兆帕) ，鹵化物也從管壁上蒸發(fā)，擴散進入高溫電弧柱內分解，金屬原子被電離激發(fā)，輻射出特征譜線。當金屬離子擴散返回管壁時，在靠近管壁的較冷區(qū)域中與鹵原子相遇，并且重新結合生成鹵化物分子。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 型半導體和n 型半導體組成的可發(fā)光晶片。當?shù)腜N 結中注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以發(fā)光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。LED 芯片理論上每瓦的發(fā)光效率高達370 LM/W，目前商業(yè)化批量的白光LED 光效已經超過每瓦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 進行對比說明。

表1 金鹵燈與LED 燈具的性能對比

2.4 照明結果分析

為了更好地說明LED 工礦燈在廠房中的應用，本文選用天津市濱海新區(qū)一新建電纜廠房為例進行說明。本案例中廠房設計長度約為171.35m，寬度約為96m，長度的面積為1.6×104m2，設計為鋼結構廠房，廠房為單層設計，層頂高9.15m。設計只考慮廠房內部照明。按照國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)法計算

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

根據(jù)廠房平均照度要求，燈具數(shù)量的計算公式為：

式中，維護系數(shù)取0.8，面積為16416m2。

本設計采用400 W 大功率金鹵工礦燈進行設計，單個燈具光通量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 計算得燈具數(shù)目為280 盞?？紤]到燈具安裝問題，以每跨每區(qū)間掛1 盞燈計算，總燈具數(shù)為23×12 盞=276盞，照度計算值為290 lx，大于要求平均照度的90%，因此該廠房設計燈具數(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，可計算出所需要的單燈光通量為18000lm。按照目前我公司的產品可選用150W 的LED 工礦燈（實際光通量17800lm）就可以代替。

2.5 DIAlux 軟件的仿真結果

DIALux 由德國DIAL Gmbh 公司開發(fā)，是一款為了模擬計算室內室外照明需求，為實際配置具提供比較準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，通過運用設計方案中將要采用的燈具的配光曲線文件進行照度計算，來得出一些關鍵的照明指標，仿真數(shù)據(jù)計算準確。

按照利用系數(shù)法計算所得的燈具布置，并導入DIAlux 軟件進行仿真，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 將燈具設置為400W 金鹵燈后進行模擬仿真，仿真結果如圖2 所示。

從仿真結果可見，使用400W 的金鹵燈，可以使車間的平均照度達到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 將燈具設置為400WLED 燈后進行模擬仿真，仿真結果如圖3所示：

從仿真結果可見，使用150W 的LED 燈，可以使車間的平均照度達到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 照明質量比較

照明質量主要有照度水平、照度均勻度和顯色性等評價標準，以下從三個方面對兩種不同光源進行比較。

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到了300lx 的標準，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

建筑照明設計標準要求工業(yè)建筑作業(yè)區(qū)域內的一般照明照度均勻度不應小于0.7，而作業(yè)面鄰近周圍的照度均勻度不應小于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

建筑照明設計標準中大部分工業(yè)生產廠房根據(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。

從以上各照明質量評價標準可知兩種布置方案均滿足規(guī)范要求，可以達到廠房需要的照明效果。

3 節(jié)能效果與經濟效益分析

3.1 金鹵燈與LED 工礦燈的節(jié)能對比

假設整個廠房使用276 個400W 的金鹵燈，實際一個金鹵燈消耗的功率為450W。按照每天照明24h，每月工作22d 計算，全年的耗電量為：

如整個廠房使用276 個150W 的LED 工礦燈，實際一個LED燈整消耗的功率為157W。按照每天照明24h，每月工作22d 計算，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 工礦燈的經濟效益對比

3.2.1 初期投入費用對比

單個金鹵燈成本為400 元，276 個金鹵燈費用為22.08 萬元；單個LED 工礦燈成本為2000 元，276 個LED 工礦燈費用為55.2萬元。

3.2.2 運行費用對比

按每度電0.8 元計算，使用金鹵燈一年花費62.95 萬元電費；使用LED 一年花費21.96 萬元電費。此后，每年可節(jié)省電費40.99萬元。

3.2.3 維護費用對比

金鹵燈的燈泡使用壽命約為3000 h，每年需更換兩次，按一個燈泡150 元計算，一年費用8.28 萬元。假設，更換一個燈泡人員50 元，則全年需要的人工費用為2.76 萬元，合計維護費用11.04 萬元。

因為LED 工礦燈壽命在50000 h 以上，無須維護和更換。

表2 金鹵燈與LED 工礦燈的經濟效益對比

從表中看出，400W 金鹵燈第一年燈具及電費共需要96.04萬元，LED 工礦燈使用1 年，燈具用電費共需要77.16 萬元。使用5 年之后可節(jié)省費用總計227 萬元。

3.3 金鹵燈與LED 工礦燈的社會效益對比

使用LED 工礦燈較使用金鹵燈還有著顯著的社會效益。

表3 金鹵燈與LED 工礦燈的經濟效益對比

4 結語

隨著LED 照明技術的迅猛發(fā)展，LED 燈具在工業(yè)廠房中的應用也得到了越來越多企業(yè)和認可。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用。

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