基于LED光源在礦山深井照明升級改造中的應(yīng)用

馬建偉 雷建波

（1 云南省節(jié)能監(jiān)察中心 云南昆明 650041 2 云南能投威士科技股份有限公司 云南昆明 650231）

引言

綠色照明不僅有利于經(jīng)濟(jì)效益，更是著眼于生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效率提高、資源利用和環(huán)保的重大課題。照明質(zhì)量和水平是現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。企業(yè)實施“綠色照明”改造是把原有低效的照明光源、器具和不適應(yīng)節(jié)能的照明控制系統(tǒng)用高效的光源、器具及節(jié)能適用控制系統(tǒng)替代，以達(dá)到節(jié)約用電，降低用能成本，創(chuàng)建安全、經(jīng)濟(jì)、高效、舒適的照明環(huán)境，從而實現(xiàn)節(jié)能減碳。

1 LED 光源發(fā)展、特點及選擇

1.1 LED光源發(fā)展?fàn)顩r

LED 光源是現(xiàn)代高效一體化點光源，是白熾燈、熒光燈、氣體放電燈后取得的重大科技成果。早期的LED 光源因其功率小、開關(guān)特性優(yōu)越而主要用做指示燈。得益于科技進(jìn)步，LED 技術(shù)的也取得迅速發(fā)展，特別是LED 白光技術(shù)研究成功，不斷推出LED 光源系列產(chǎn)品。另外隨著LED 發(fā)光流量及效率迅速提高、白光技術(shù)取得新突破促使發(fā)光顏色種類增加、單燈功率加大、生產(chǎn)成本快速下降，為研發(fā)生產(chǎn)功能不同的LED 光源和與之相配套的照明器具創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件。LED 光源比傳統(tǒng)光源發(fā)光效率高、壽命長、光色豐富、顯色性好、組合方便、造型式樣多、節(jié)能激發(fā)了人們研發(fā)推廣應(yīng)用的興趣和動力。

1.2 LED光源特點

LED 光源是第四代高效照明產(chǎn)品，其特點如下：體積小，重量輕，可以制作為任意形狀，方便與燈具的匹配、造型、布置。開關(guān)特性好，響應(yīng)速度快，其響應(yīng)時間為納秒級。無頻閃、無紫外線，LED 使用低壓電源，單顆電壓在1.9-4V 之間，比使用220V電源更安全。LED 光譜主要集中在可見光區(qū)域，產(chǎn)品光色豐富，顯色性好。LED 采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封，耐震動，密閉性好，防水、防塵，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，壽命長（8-10）×104h，光衰慢，抗沖擊性強(qiáng)方便運輸。綠色環(huán)保，LED 采用無污染的材料制作而成，不含汞，環(huán)保性能優(yōu)，而且其廢棄物還可以回收利用。亮度可調(diào)易控制，LED 發(fā)光亮度可以根據(jù)電流大小進(jìn)行有效控制。投光性好，LED 所發(fā)出的光線是定向的，能直接投射到工作面。發(fā)光效率高，耗電量少，工作溫度低，在相同照度下，耗電是白熾燈的五分之一，熒光燈的三分之一。LED 整體密封設(shè)計，電子短路保護(hù)、防靜電外殼，防爆性好[10]。LED 生產(chǎn)成本已大幅下降，性價比高。

1.3 面向礦山深井的LED光源燈具選擇與管理

綠色照明的實施高效光源、燈具選用是首要因素。（1）一般根據(jù)光源的光效、色溫、顯色指數(shù)、壽命和價格選擇高效光源[1]。在滿足照度條件下，單位面積照明安裝功率最小，盡量減少眩光的影響。以前使用的節(jié)能燈、金鹵燈、氣體放電燈因光照指向性比LED 差，眩光嚴(yán)重，相對耗能，此次改造選用光效≥90Lm/W的LED 光源。（2）為節(jié)約電能，照明器具及線路等應(yīng)達(dá)到以下要求：按經(jīng)濟(jì)運行原則選擇照明器具，選用配光合理、反射效率高、眩光少、防水、防塵、防震、防腐蝕、防護(hù)耐久性好，電器附件協(xié)調(diào)配套的燈具[1][3]。（3）照明用電管理。電壓過高或偏低，不僅影響光源、電器的正常壽命，而且不利于LED 光通量正常輸出。為此，可采用單獨的照明變壓器或采用自動調(diào)壓裝置等實行供電，消除照明負(fù)荷不對稱現(xiàn)象，將不對稱接線改為對稱接線，保證在額定電壓下運行，延長光源、電器的使用壽命[4]。（4）照明器具的管理。光源和照明燈具，使用一定時間以后，光源的光通量和燈具的投光效率會逐步衰減，特別是照明燈具不潔導(dǎo)致反射的光通量大大減少[7]。例如720 米運輸平臺沒有對照明燈具進(jìn)行清潔，其光通量下降40-60%。如果不定期清潔，又要確保必要的照度，就只有加大光源的功率或降低安裝高度或增加安裝數(shù)量[8]。

2 礦山深井照明升級改造的模式

用LED 高效光源對井下照明系統(tǒng)實施綠色照明升級改造，不僅降低能耗，而且提升照明質(zhì)量，為生產(chǎn)安全、提高生產(chǎn)效率和身心健康提供更加舒適的照明環(huán)境和條件。在符合照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下，應(yīng)當(dāng)降低單位面積照明安裝功率。根據(jù)現(xiàn)場實際使用情況、環(huán)境特點并聽取采納運行、維護(hù)人員建議、要求，合理布置照明點，適當(dāng)降低照明高度，采用優(yōu)質(zhì)高效LED、照明器具，采用集中、分段與獨立相結(jié)合的控制方式提高用電效率，節(jié)約用電。

2.1 礦山深井照明現(xiàn)狀

目前針對礦山深井的特點，開展綠色照明升級改造的案例較少，本文研究對象為Y 省某礦業(yè)公司綠色照明升級改造s 期，其照明原用光源為金鹵燈、無極燈、節(jié)能燈因使用年限較長存在照明器具老化嚴(yán)重且維護(hù)不到位，投光效率降低，單燈功率大，眩光嚴(yán)重；部分光源裸露在惡劣的環(huán)境中，光衰嚴(yán)重、照度不夠、電能浪費等缺陷。供電線路標(biāo)準(zhǔn)低、控制方法單一落后，部分照明已無法正常使用，存在安全隱患。不符合“綠色照明工程”及“照明標(biāo)準(zhǔn)”的要求。整個照明系統(tǒng)存在較大的節(jié)能降耗空間，急需進(jìn)行照明節(jié)能升級改造。

2.2 工作照度的確定

依據(jù)不同作業(yè)的環(huán)境特點及實際需要，確定科學(xué)的照度和照明方法，既保障生產(chǎn)安全，保護(hù)視力，提升效率、確保產(chǎn)品質(zhì)量，又避免電能浪費，實現(xiàn)節(jié)能目的。按《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》確定生產(chǎn)各區(qū)域的照明標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)增加余量，彌補LED 發(fā)光效率降低以及燈具因積塵等投光效率下降、光通量減弱，照度不足等影響[9]。

2.3 照明改造融資形式

目前照明改造的融資形式主要有兩種，一是企業(yè)自主籌資以節(jié)能技改的形式實施，二是以合同能源管理（EMC）服務(wù)形式實施。本項目采用合同能源管理節(jié)能效益分享服務(wù)形式，項目總投資897 萬元，節(jié)能服務(wù)公司投資比例100%。

2.4 合理確定照明方式、降低照明負(fù)荷

一般因生產(chǎn)或工作要求不同，按各自的特點確定不同的照明方式。采用高效LED 及投光效率高的器具，減少單位面積照明安裝功率，降低照明負(fù)荷。（1）一般照明，照明器具均點布置，照射方向無特殊要求，工作面照度基本均勻的照明；（2）局部照明，某一工作面照度和照射方向有特殊要求的照明；（3）混合照明，一般照明與局部照明合成的照明[1]。混合照明選用時，要考慮工作區(qū)域與周圍環(huán)境的照度差不應(yīng)過大。

3 效果對比分析

按視覺作業(yè)特性把生產(chǎn)場所分為車間、工段、隧道、硐室等。改造后路面、頂部和四周的照度均勻性、線路規(guī)范性、整體舒適度比改造前更好，為行人、運輸、維護(hù)以及預(yù)防冒頂片幫提供較好的照明環(huán)境。

3.1 改造前后光源參數(shù)及性能對比

光源的作用是將電能轉(zhuǎn)化為可見光，并以電磁波形式向周圍空間傳播。改造前后使用的光源產(chǎn)品性能參數(shù)對比如表1 所示。

表1 光源產(chǎn)品的性能參數(shù)對比（改造前后）[5][6][8]

3.2 原燈具安裝位置與改造后對比

考慮到日常維護(hù)、管理及工人的要求建議，在保證照度情況下，遵循降低安裝高度原則，適當(dāng)調(diào)整燈具的位置和投光方向。改造后燈具安裝高度總體比改前降低。此次綠色照明升級改造新增了頂板照明以備更好的預(yù)防冒頂片幫，保障職工及設(shè)備安全。

3.3 照明線路改造前后對比

原照明系統(tǒng)有安全隱患，亂搭亂拉的臨時照明普遍存在，各生產(chǎn)區(qū)域依需要任意安裝照明點，控制方式點多且亂，線路損耗、電壓下降影響了照明質(zhì)量。改造后，照明線路穿管布置、分段控制、集中控制與獨立控制相結(jié)合，確保用電安全與節(jié)約用能[8]。

3.4 照明效果（改造前后）對比

表2 綠色照明改造前后照度測試對比表

改造前深井隧道照度不均，照度相差大，平均照度38Lx，改造后平均照度提高到88Lx。在改造過程中，根據(jù)深井隧道的環(huán)境特點，確定不同的照明標(biāo)準(zhǔn)，既保證生產(chǎn)的正常運行，又改善工作環(huán)境[8]。

4 取得的成果

改造以滿足生產(chǎn)實際、維護(hù)方便及節(jié)約能源為原則，選用效率高、壽命長的LED 及安全性能穩(wěn)定的照明燈具。改造后既達(dá)到設(shè)計照度要求，又創(chuàng)造舒適、安全、經(jīng)濟(jì)的照明環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)和工作效率，節(jié)約能源、降低成本。通過改造取得下列成果：（1）選用LED 光源和投光效率高的照明器具，陶汰低效光源及燈具；（2）照度達(dá)到照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提升照明水平；（3）在相同照度比較下，改后比改前節(jié)電率達(dá)到77.4%；（4）線路規(guī)范、安全，控制方式滿足生產(chǎn)和節(jié)能的要求；（5）燈具安裝位置更合理，適用方便，照度均勻舒適；（6）提高生產(chǎn)效率，消除安全隱患，維護(hù)方便，降低維護(hù)成本，反映效果良好；（7）項目年節(jié)電543.75 萬kWh，年節(jié)能量等價值1674.74tce/a[2]，實際節(jié)電率77.4%。年節(jié)能效益233.81 萬元，投資回收期3 年零10 個月。

表3 測試計算表（改造前后）[8]

結(jié)語

照明節(jié)能并不是簡單的通過降低照明標(biāo)準(zhǔn)去實現(xiàn)，而是滿足對照明質(zhì)量和視覺環(huán)境條件的更高要求，對照明設(shè)計、選型、實施、運行也提出了更高的要求。實施照明改造，節(jié)約電能，減少了化石能源的使用，從而減少碳排放，對節(jié)能減排、氣候變化、碳達(dá)峰、碳中和以及生態(tài)文明建設(shè)都具有積極和現(xiàn)實意義。