LED 照明在工業廠房中的應用分析

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

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

工業廠房是生產重地，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、節約運行維護成本；

1.4 高效節能、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，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，擴散進入高溫電弧柱內分解，金屬原子被電離激發，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。這種循環過程不斷地向電弧提供金屬蒸汽，金屬原子被電離激發，輻射出特征譜線而發光[1]。

2.2 LED 燈具的發光原理

LED 照明燈具的核心器件是發光二極管，它是由p 型半導體和n 型半導體組成的可發光晶片。當的PN 結中注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以發光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。LED 芯片理論上每瓦的發光效率高達370 LM/W，目前商業化批量的白光LED 光效已經超過每瓦150LM，是目前所有發光材料中發光效率最高的。

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范，車間平均照度值為300lux。

初步布燈根據利用系數法計算

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

根據廠房平均照度要求，燈具數量的計算公式為：

式中，維護系數取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，根據廠家燈具資料，選取利用系數為0.6。

用Eav=300 lx 計算得燈具數目為280 盞。考慮到燈具安裝問題，以每跨每區間掛1 盞燈計算，總燈具數為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量和位置替換，根據我公司現在的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，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據庫，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，仿真數據計算準確。

按照利用系數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建筑作業區域內的一般照明照度均勻度不應小于0.7，而作業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，僅從作業區域考慮，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生產廠房根據工藝不同，顯色指數Ra 要求為60～80。金屬鹵化物光源根據不同產品、顯色指數Ra 從60 至90 不等。LED 顯色指數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范要求，可以達到廠房需要的照明效果。

3 節能效果與經濟效益分析

3.1 金鹵燈與LED 工礦燈的節能對比

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 金鹵燈年節電512380 度電，節能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 照明技術的迅猛發展，LED 燈具在工業廠房中的應用也得到了越來越多企業和認可。使用LED 燈具照明不僅改善了廠房的照明環境，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照明在工業廠房中必將得廣泛的應用。

［1］張志剛,樓潤瑜,朱浩冰.金屬鹵化物燈工作原理及其紫外防護［J］.科技創新導報,2010,31(187)：247-248．

［2］竇林平.國內LED 照明應用探討［J］.照明工程學報,2011,22(6):51-58．

［3］朱澄文,許作明.LED 燈具在車間照明的應用［J］.裝備維修技術,2012,4(14):54-56．

［4］姚家祎.照明設計手冊,2 版［M］.北京:中國電力出版社,2006．

［5］胡國劍,郝洛西.照明計算軟件DIALux 與Agi32 的比較分析［J］.照明工程學報，2005,16(3):52-55．

[6]徐晨輝,王勇.關于LED 照明燈節能與應用的分析[J].電氣應用,2012（18）.