降低鐵路客站照明“全壽命”成本的探索及應(yīng)用

李 鋼 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司土地房產(chǎn)部

照明的全壽命周期（LCC-LED）理論就是燈具從采購(gòu)-安裝-壽命終結(jié)的全部過(guò)程，全壽命周期成本包含照明系統(tǒng)設(shè)置費(fèi)（采購(gòu)、安裝）和維持費(fèi)（運(yùn)營(yíng)）兩大部分。

1 客站照明燈具使用現(xiàn)狀

目前，中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司共有辦理客運(yùn)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(shè)施由于照度不足也經(jīng)過(guò)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(tǒng)光源和新型光源。

（1）傳統(tǒng)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(tái)雨棚、出站通道等主要旅客通行場(chǎng)所無(wú)法達(dá)到原設(shè)計(jì)照度標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)旅客進(jìn)出站及候車有較大影響。因此選擇照明效率更高，壽命更長(zhǎng)的照明燈具顯得至關(guān)重要。

2 傳統(tǒng)光源和新型光源對(duì)比

LED 燈具是以“發(fā)光二極管”技術(shù)生產(chǎn)的燈具，具有亮度高、能耗小的特點(diǎn)。LED 可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光能，相對(duì)于傳統(tǒng)燈具的獨(dú)立照明工作系統(tǒng)而言，LED 燈具內(nèi)部的光源部分很小，容易固定，且具有很好的穩(wěn)定性。

2.1 LED燈具性能優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)燈具，LED 燈具主要有4大優(yōu)勢(shì)。

（1）節(jié)能環(huán)保。目前LED 燈具發(fā)光效率已達(dá)到120 lm/W，是白熾燈的八倍，是金鹵燈的兩倍。

（2）保護(hù)眼睛。LED 燈具實(shí)現(xiàn)了交流電向直流電的轉(zhuǎn)化，無(wú)頻閃現(xiàn)象。

（3）使用壽命長(zhǎng)。LED 壽命可達(dá)5萬(wàn)小時(shí)以上，是白熾燈的50 倍，日光燈、節(jié)能燈的10倍。

（4）堅(jiān)固耐用。LED 屬于固體光源，具有很好的穩(wěn)定性、抗震性。

2.2 LED燈具性能缺點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)燈具，LED 燈具也有部分缺點(diǎn)。

（1）電光轉(zhuǎn)換效率低、發(fā)熱量大。其輸入的電能其實(shí)只有24%～34%會(huì)轉(zhuǎn)化成需要的光能，其余的會(huì)有很大一部分會(huì)以非輻射符合的形式轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊?/p>

（2）價(jià)格高。LED 是一類高科技產(chǎn)品，當(dāng)前LED 芯片技術(shù)被少數(shù)國(guó)際巨頭所壟斷，造成LED 燈具的價(jià)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(shí)現(xiàn)客站照明壽命周期內(nèi)的總費(fèi)用最優(yōu)，從數(shù)據(jù)的角度，挑選出影響成本的關(guān)鍵因素，從而加以控制，達(dá)到進(jìn)一步減少更換和運(yùn)營(yíng)成本。

燈具全壽命成本評(píng)價(jià)模型：簡(jiǎn)稱LCC 模型，是以一個(gè)燈具更換周期為計(jì)算基礎(chǔ)，全面考慮客站照明燈具系統(tǒng)設(shè)置（采購(gòu)、安裝）和維持（運(yùn)營(yíng)）兩大部分，使全壽命周期內(nèi)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(gòu)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(tǒng)客站的燈具安裝高度較高的能達(dá)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(tái)作業(yè)車等施工機(jī)具，由于鐵路運(yùn)輸?shù)奶厥庑裕咳帐┕r(shí)間僅為3-4 個(gè)小時(shí)左右，施工時(shí)間短，人工降效嚴(yán)重，一次燈具更換得到成本往往燈具本身的費(fèi)用還要高。

以杭州東站照明燈具整治為例：使用傳統(tǒng)燈具，安裝費(fèi)用約占總成本的55%，采購(gòu)費(fèi)用占比約為45%；使用LED燈具，安裝費(fèi)用占比約為53%，采購(gòu)費(fèi)用占比約為47%。因此無(wú)論是選用傳統(tǒng)燈具還是選用LED 燈具，其安裝費(fèi)用基本已經(jīng)持平于燈具本身的采購(gòu)費(fèi)用，燈具本身費(fèi)用的敏感性已經(jīng)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(lái)看，想要進(jìn)一步降低全壽命周期成本LCC-LED 值，可從三個(gè)方面進(jìn)行考慮。一是降低C11 照明燈具燈具采購(gòu)成本，但目前LED 燈具價(jià)格總體上高于傳統(tǒng)的燈具，無(wú)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(wú)論更換何種燈具，安裝成本無(wú)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(tǒng)燈具相比有著明顯的節(jié)能降耗的優(yōu)勢(shì)，可以有效做到降低單位能耗，降低壽命周期內(nèi)的使用成本。

但其實(shí)在燈具全壽命成本評(píng)價(jià)模型中，C11為照明燈具燈具采購(gòu)成本與C12為照明燈具安裝成本是存在一定聯(lián)系的，如圖1 所示，每盞燈具的采購(gòu)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(shì)分析圖

如圖1 所示，燈具單位使用成本總體上呈冪函數(shù)分布，剛開(kāi)始3-4 年，隨著年份的降低，單位使用成本有一個(gè)比較明顯的降低過(guò)程，但隨著年份繼續(xù)增加，降低趨勢(shì)區(qū)域緩和，最終趨于平緩。

以杭州東站燈具更換為例，假設(shè)燈具使用年限為10年，那使用到第6年時(shí)，其單位使用成本為250 元左右；第10 年時(shí)，其單位使用成本為150 元左右。假設(shè)燈具使用年限為5年，那對(duì)比看來(lái)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(fèi)用與采購(gòu)費(fèi)用的增加，導(dǎo)致在第6 年時(shí)，其單位使用成本驟然增加到1 800 元左右，差價(jià)達(dá)到1 550 元左右；到第10 年時(shí)，其單位使用成本為450 元左右，差價(jià)僅剩300 元左右。說(shuō)明，使用的時(shí)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(dāng)燈具的使用壽命可以被有效延長(zhǎng)時(shí)，燈具的采購(gòu)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(guò)提高采購(gòu)產(chǎn)品的質(zhì)量，延長(zhǎng)壽命來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 影響LED燈具壽命的因素

從我們的應(yīng)用和分析來(lái)看，影響因素有以下四點(diǎn)。

4.1 光源芯片質(zhì)量對(duì)LED 燈具壽命的影響

光源芯片作為L(zhǎng)ED 燈具的核心，其質(zhì)量差異直接影響LED 燈具壽命，質(zhì)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(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)光源的光衰超過(guò)30%時(shí)，代表光源壽命的終結(jié)，需對(duì)燈具進(jìn)行更換。質(zhì)量好的光源具有更長(zhǎng)的光衰周期，使用時(shí)間更長(zhǎng)。所以，在采購(gòu)LED 燈具時(shí)，需對(duì)燈具的光源進(jìn)行第一步把控，采購(gòu)到質(zhì)量上乘的光源芯片是把控好LED燈具質(zhì)量的第一步。

4.2 散熱效果對(duì)于LED 燈具壽命的實(shí)際影響

散熱效果對(duì)于LED 燈具來(lái)說(shuō)是非常重要的，散熱不佳，會(huì)直接導(dǎo)致很多部件出現(xiàn)失靈的情況，嚴(yán)重的還會(huì)直接誘發(fā)危險(xiǎn)情況的出現(xiàn)。功率較大的LED燈具，燈珠相對(duì)集中，產(chǎn)生熱量更大，當(dāng)LED 燈具中產(chǎn)生了大量的熱量，而當(dāng)這些熱量無(wú)法及時(shí)的傳導(dǎo)出時(shí)，燈具內(nèi)部就會(huì)處于高溫狀態(tài)，而LED 作為半導(dǎo)體材料，對(duì)溫度相對(duì)比較敏感，長(zhǎng)期高溫狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致LED 燈具內(nèi)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(zhǎng)LED 燈具的壽命，就必須讓其擁有良好的散熱途徑。通過(guò)對(duì)LED 光源結(jié)溫的測(cè)試，可以很直觀的了解到LED 燈具的散熱情況，同等情況下，結(jié)溫越高，說(shuō)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(jié)溫有直接關(guān)系，所謂結(jié)溫就是半導(dǎo)體PN 結(jié)的溫度，結(jié)溫越高，光衰出現(xiàn)的越早。當(dāng)結(jié)溫為105℃時(shí)，光衰30%的壽命時(shí)間有10000 小時(shí)多一點(diǎn)；結(jié)溫為95℃時(shí)，光衰30% 的壽命時(shí)間有20000 小時(shí)了；而當(dāng)結(jié)溫達(dá)到75℃時(shí)，光衰30%的壽命時(shí)間有50000 小時(shí)了。所以想要進(jìn)一步延長(zhǎng)LED 燈具的使用時(shí)間，關(guān)鍵就是要降低光源結(jié)溫。以上數(shù)據(jù)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(yīng)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(jié)溫范圍。

4.3 控制裝置對(duì)LED燈具的壽命影響

燈具的控制裝置作為L(zhǎng)ED 燈具的心臟，起到將正常交流供電轉(zhuǎn)化為恒定直流后對(duì)LED 芯片進(jìn)行供電。由于鐵路客站工作電壓可能存在波動(dòng)以及燈具連續(xù)工作時(shí)間較長(zhǎng)，以及部分工作區(qū)域溫度較高，對(duì)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(yè)級(jí)產(chǎn)品，須具有較寬的工作電壓、穩(wěn)定的電流輸出，較高的功率因數(shù)和轉(zhuǎn)換效率，良好的電磁兼容性，可靠地短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、空載保護(hù)、防雷沖擊，防浪涌，低功耗，長(zhǎng)壽命等特性。

4.4 外部環(huán)境對(duì)于LED 燈具壽命的實(shí)際影響

當(dāng)LED 燈具安裝位置為室內(nèi)時(shí)，受外部環(huán)境影響較小，使用壽命較長(zhǎng)，但當(dāng)LED 燈具安裝位置為室外時(shí)，其受外部環(huán)境影響較大。首先，外部環(huán)境中存在大量的灰塵，當(dāng)灰塵進(jìn)入燈具內(nèi)部長(zhǎng)期積累后會(huì)導(dǎo)致燈具的散熱效率降低，從而進(jìn)一步降低燈具使用壽命；其次外部環(huán)境存在大量雨水，若燈具本身沒(méi)有任何防水能力時(shí)，雨水等的進(jìn)入將會(huì)導(dǎo)致燈具內(nèi)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(huán)境使用中不可或缺的功能。

目前IP 等級(jí)是針對(duì)電氣設(shè)備外殼對(duì)異物侵入的防護(hù)等級(jí)，來(lái)源是國(guó)際電工委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)IEC60529（見(jiàn)表1）。

表1 電氣設(shè)備外殼對(duì)異物侵入的防護(hù)等級(jí)表

從表1 中可以看出，當(dāng)防塵等級(jí)達(dá)到6 時(shí)，燈具可以達(dá)到完全防止粉塵進(jìn)入的等級(jí)，當(dāng)防水等級(jí)達(dá)到5 時(shí)，燈具基本可以達(dá)到對(duì)室外大量雨水的安全防護(hù)等級(jí)。所以，當(dāng)燈具在室外環(huán)境長(zhǎng)期使用時(shí)，建議防護(hù)等級(jí)達(dá)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(shí)，該水膜即成為電解質(zhì)溶液，此時(shí)燈具外殼金屬表面便會(huì)進(jìn)行電化學(xué)腐蝕。為防止產(chǎn)生腐蝕，一般情況下便會(huì)在燈具外殼金屬表面施加保護(hù)層，起到保護(hù)作用。燈具外殼保護(hù)所能抵抗腐蝕的能力便是日常所稱的防腐等級(jí)，目前共有5 個(gè)等級(jí)，如表2所示。

表2 防腐等級(jí)

從表2 中可以看出，戶內(nèi)型防腐等級(jí)分為F1、F2 兩種，戶外型防腐等級(jí)分為W、WF1、WF2。戶外型防腐等級(jí)要求是強(qiáng)于戶內(nèi)型的，WF2 也代表了最高防腐等級(jí)。所以，當(dāng)LED 燈具用于室外場(chǎng)景時(shí)，可以根據(jù)防腐的需求選用相應(yīng)的等級(jí)。考慮到鐵路客站雨棚使用環(huán)境的復(fù)雜性和更換的高難度性，一般建議選用最高防腐等級(jí)WF2。

5 結(jié)論

本文結(jié)合鐵路客站照明燈具的使用情況，全面對(duì)比傳統(tǒng)燈具與LED 燈具的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)燈具全壽命周期模型中的C11 采購(gòu)成本與C12 安裝成本之間進(jìn)行了相關(guān)性分析。同時(shí)以杭州東高鐵客站燈具更換為例，進(jìn)行實(shí)際對(duì)比，并對(duì)LED燈具壽命的重要影響因素進(jìn)行分析，得出延長(zhǎng)LED燈具壽命需具備的條件：

（1）優(yōu)質(zhì)的光源芯片，保證核心壽命盡量長(zhǎng)。

（2）高效的散熱系統(tǒng)，保證光源結(jié)溫盡量低。

（3）可靠的驅(qū)動(dòng)電源，保證燈具控制盡量穩(wěn)。

（4）嚴(yán)密的保護(hù)體系，保證適應(yīng)使用環(huán)境要求。