LED燈在工廠照明的應用

金 偉

河北新燁工程技術有限公司，河北 張家口 075100

照明用電是工廠企業最為基本的電力需求，照明用電占了約10%的份額，并且還在不斷增長。而照明系統光效取決于光源，光學透鏡或反光杯，以及鎮流器或驅動電路。在各種新光源中，最受矚目的就是半導體發光二極管（LED）。尤其是白光LED，它在光效（理論光效350lm/W）和壽命方面具備一般光源所無法比擬的潛在優點，并且面臨突破的可能。

在北川新縣城建設中，70%采用LED路燈，30%采用節能的高壓納燈，積極推廣利用新材料、新能源、新技術。現在LED應用于路燈、工礦燈領域屬于發展階段。國家近年來調整經濟結構轉變經濟增長方式是重點，低碳經濟將成為新熱點。金鹵燈、高壓鈉燈由于壽命短，平均每2年都需要更換燈泡、鎮流器、觸發器件，5年需更換一次燈頭。選用使用壽命更長、光效更高、安全可靠、維護簡單方便的電光源和照明燈具將是今后發展方向。LED燈具都將具備這些要求具有很大潛力。

1 LED技術特點

LED （Light Emitting Diode）是一種半導體發光二極管，利用固體半導體芯片作為發光材料，當兩端加上正向電壓，半導體中的載流子發生復合發出過剩的能量，從而引起光子發射產生可見光。

1）光效迅速提高：到現在，產品的實用光效可達70lm/W～90lm/W，據報導，美國實驗室數據達160lm/W，而用還有增加的趨勢，預期在未來3年～5年，實用光效達到150lm/W～200lm/W是可能的，到那時有可能成為最高效的光源；

2）起動性能好，快捷可靠，只有毫秒級的響應時間，能達到全光通輸出，可用于應急照明系統；

3）LED在一定光束角內定向輻射，用于射燈、筒燈等燈具時，有利于提高下射光通比，調光方便，可控性強；

4）防震性能好，防潮好，壽命長；

5）不含汞，環保性能優；

6）用于景觀、裝飾、廣告、信號等場合，有良好調光性能，容易實現數字化控制。

所謂燈具效率（簡稱光效），指的是燈具發出的總光通量與光源所消耗的電功率之比。光效高，對于國家來說意味著節能，對于用戶來說意味著省錢，即同樣照度可以用較低瓦數的光源實現。傳統金鹵燈、鈉燈光源光利用效率低原因：

1）四面發光部分光被光源本身擋住；

2）發光點大，不易做光學設計出射光斑不會與要求的有效照射面重合而浪費部分光。

為保證金鹵燈的色溫和壽命，電網的電源電壓要求在短時間內波動不得超過5%，長期波動不得超過3%，較大的電壓變化會縮短金鹵燈光源的壽命及產生顏色漂移。LED的驅動器開關電源輸入電壓范圍AC176-264V，穩壓直流低壓輸出，正常工作受電壓波動影響小。

表1 LED燈具與金鹵燈主要技術參數對比表

功率 270W（包含整流器） 105W（包含驅動電路）啟動電壓 198V 176V功率特性 變功率 恒功率燈具光通量 20000lm ≥8400lm功率因數 0.9 ＞0.95燈具效率 ≥0.65 ≥0.85啟動時間 5-30S ＜0.5S顯色指數 ≥60 ≥75平均壽命 10000Hrs ≥30000Hrs環保特性 含汞污染 無污染防護等級 ⅠP54 ⅠP65

2 照度分析

計算平均照度（Eav）

應用利用系數法公式：Eav=N·Φ·U·K/S

式中，Φ為光通量，N為光源數量，U為利用系數，A為工作面面積，K為燈具維護系數。

室空間比公式：RCR=5hr·（l+b）/l·b （室形指數：RⅠ=5/RCR）

式中，l為室長，m；b為室寬，m； hr為室空間高，m

查燈具維護系數

根據室空間RCR及頂棚、墻面、地面的反射比查燈具利用系數表可求得U（廠家樣本）。

圖1 齒輪加工車間照明平面圖

河北鋼鐵集團宣工公司機齒輪加工車間工作面上平均照度計算：

齒輪車間長L=90m，寬b=36m，燈具懸掛高度8.0m；工作面高度1.5m；室空間hr =6.5m，RCR=5·6.5（90+36）/90·36=1.26，燈具數量N=84盞。

250W金鹵燈：Eav=84·20000·0.60·0.8/90·36=248.9lx

105W LED燈：Eav=84·8400·0.8·0.8/90·36=174.2lx

實際效果見圖2和圖3。

3 節電效益分析

河北宣工齒輪箱加工車間照明改造如果使用金鹵燈，初期金鹵燈（單價850元左右）投入成本約需6萬元（￥71400），如使用LED燈具（單價3000元左右），投入成本26萬元（￥252000）。雖然使用LED燈具投入成本增加180600元，但是可實現節電60%以上。從業主在使用期間內保養燈具的費用來看，每盞金鹵燈每年的維護費用約為150元，LED燈每年的維護費用約為20元。使用LED燈后每年節約費用如下：

每年節約電能：40471kW·h

每年節約電費：32377元

每年平均節約燈具維護費用：10920元

每年節約費用共計：43297元

增加投入的成本180600元通過每年節約費用收回需4年～5年。（根據每天平均照明時間8小時，每度電按約0.8元計算。

金鹵燈燈具：由于光源以及鎮流器配電器壽命較短，使用3萬小時（30000小時/8小時/365天）需支付燈具維護成本約3萬元。3萬小時使用總成本約74萬元（總成本=產品投入成本+電費+維護成本）。

LED燈具：LED燈具一次投入使用長達3萬小時，LED燈具3萬小時使用總成本約48萬元 。

工廠照明應綜合考慮經濟性、節能性、合理性要求，經濟性上不能緊著眼于初期投入多少，而應考慮使用周期總的照明費用（設備折舊費、年維護費用、照明電費總和），在照度同一級別下應當選用最省電的光源燈具。目前LED價格偏高，前期投資相對傳統燈具較高，但在電費和維護等方面節約的費用遠遠超出燈具增加的投入成本，從3萬小時運行成本可以看出，LED燈具在長期的投資使用中可獲得顯著的經濟效益和減排效益。

4 減排效益分析

根據國家節能部門提供的數據，每節省1度電，可相當于減少使用標準煤0.35kg，減少使用純凈水4kg，減少排放CO2（二氧化碳）0.78kg，減少排放SO2（二氧化硫）0.0263kg，減少排放NOX（氮氧化物）0.0131kg，減少TSP（總懸浮物顆粒）0.238k。由此可得河北宣工齒輪箱加工車間每年減少標準煤14.2t，減少溫室氣體排放31.6t。應用LED燈在工廠照明領域將對企業響應國家節能減排，低碳經濟有重大推動作用，市場發展前景巨大。

圖2 齒輪箱加工車間一跨全部安裝LED燈具（105W）

圖3 齒輪箱加工車間一跨混裝LED 燈具（105W）和金鹵（270W）

[1]北京照明學會照明設計專業委員會編.照明設計手冊.北京：中國電力出版社，2006.

[2]中國四聯集團.重慶四聯光電科技有限公司.應用產品手冊.

[3]科技部《十城萬盞參政》.中華人民共和國科學技術部.