LED灯在工厂照明的应用

金 伟

河北新烨工程技术有限公司，河北 张家口 075100

照明用电是工厂企业最为基本的电力需求，照明用电占了约10%的份额，并且还在不断增长。而照明系统光效取决于光源，光学透镜或反光杯，以及镇流器或驱动电路。在各种新光源中，最受瞩目的就是半导体发光二极管（LED）。尤其是白光LED，它在光效（理论光效350lm/W）和寿命方面具备一般光源所无法比拟的潜在优点，并且面临突破的可能。

在北川新县城建设中，70%采用LED路灯，30%采用节能的高压纳灯，积极推广利用新材料、新能源、新技术。现在LED应用于路灯、工矿灯领域属于发展阶段。国家近年来调整经济结构转变经济增长方式是重点，低碳经济将成为新热点。金卤灯、高压钠灯由于寿命短，平均每2年都需要更换灯泡、镇流器、触发器件，5年需更换一次灯头。选用使用寿命更长、光效更高、安全可靠、维护简单方便的电光源和照明灯具将是今后发展方向。LED灯具都将具备这些要求具有很大潜力。

1 LED技术特点

LED （Light Emitting Diode）是一种半导体发光二极管，利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合发出过剩的能量，从而引起光子发射产生可见光。

1）光效迅速提高：到现在，产品的实用光效可达70lm/W～90lm/W，据报导，美国实验室数据达160lm/W，而用还有增加的趋势，预期在未来3年～5年，实用光效达到150lm/W～200lm/W是可能的，到那时有可能成为最高效的光源；

2）起动性能好，快捷可靠，只有毫秒级的响应时间，能达到全光通输出，可用于应急照明系统；

3）LED在一定光束角内定向辐射，用于射灯、筒灯等灯具时，有利于提高下射光通比，调光方便，可控性强；

4）防震性能好，防潮好，寿命长；

5）不含汞，环保性能优；

6）用于景观、装饰、广告、信号等场合，有良好调光性能，容易实现数字化控制。

所谓灯具效率（简称光效），指的是灯具发出的总光通量与光源所消耗的电功率之比。光效高，对于国家来说意味着节能，对于用户来说意味着省钱，即同样照度可以用较低瓦数的光源实现。传统金卤灯、钠灯光源光利用效率低原因：

1）四面发光部分光被光源本身挡住；

2）发光点大，不易做光学设计出射光斑不会与要求的有效照射面重合而浪费部分光。

为保证金卤灯的色温和寿命，电网的电源电压要求在短时间内波动不得超过5%，长期波动不得超过3%，较大的电压变化会缩短金卤灯光源的寿命及产生颜色漂移。LED的驱动器开关电源输入电压范围AC176-264V，稳压直流低压输出，正常工作受电压波动影响小。

表1 LED灯具与金卤灯主要技术参数对比表

功率 270W（包含整流器） 105W（包含驱动电路）启动电压 198V 176V功率特性 变功率 恒功率灯具光通量 20000lm ≥8400lm功率因数 0.9 ＞0.95灯具效率 ≥0.65 ≥0.85启动时间 5-30S ＜0.5S显色指数 ≥60 ≥75平均寿命 10000Hrs ≥30000Hrs环保特性 含汞污染 无污染防护等级 ⅠP54 ⅠP65

2 照度分析

计算平均照度（Eav）

应用利用系数法公式：Eav=N·Φ·U·K/S

式中，Φ为光通量，N为光源数量，U为利用系数，A为工作面面积，K为灯具维护系数。

室空间比公式：RCR=5hr·（l+b）/l·b （室形指数：RⅠ=5/RCR）

式中，l为室长，m；b为室宽，m； hr为室空间高，m

查灯具维护系数

根据室空间RCR及顶棚、墙面、地面的反射比查灯具利用系数表可求得U（厂家样本）。

图1 齿轮加工车间照明平面图

河北钢铁集团宣工公司机齿轮加工车间工作面上平均照度计算：

齿轮车间长L=90m，宽b=36m，灯具悬挂高度8.0m；工作面高度1.5m；室空间hr =6.5m，RCR=5·6.5（90+36）/90·36=1.26，灯具数量N=84盏。

250W金卤灯：Eav=84·20000·0.60·0.8/90·36=248.9lx

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

实际效果见图2和图3。

3 节电效益分析

河北宣工齿轮箱加工车间照明改造如果使用金卤灯，初期金卤灯（单价850元左右）投入成本约需6万元（￥71400），如使用LED灯具（单价3000元左右），投入成本26万元（￥252000）。虽然使用LED灯具投入成本增加180600元，但是可实现节电60%以上。从业主在使用期间内保养灯具的费用来看，每盏金卤灯每年的维护费用约为150元，LED灯每年的维护费用约为20元。使用LED灯后每年节约费用如下：

每年节约电能：40471kW·h

每年节约电费：32377元

每年平均节约灯具维护费用：10920元

每年节约费用共计：43297元

增加投入的成本180600元通过每年节约费用收回需4年～5年。（根据每天平均照明时间8小时，每度电按约0.8元计算。

金卤灯灯具：由于光源以及镇流器配电器寿命较短，使用3万小时（30000小时/8小时/365天）需支付灯具维护成本约3万元。3万小时使用总成本约74万元（总成本=产品投入成本+电费+维护成本）。

LED灯具：LED灯具一次投入使用长达3万小时，LED灯具3万小时使用总成本约48万元 。

工厂照明应综合考虑经济性、节能性、合理性要求，经济性上不能紧着眼于初期投入多少，而应考虑使用周期总的照明费用（设备折旧费、年维护费用、照明电费总和），在照度同一级别下应当选用最省电的光源灯具。目前LED价格偏高，前期投资相对传统灯具较高，但在电费和维护等方面节约的费用远远超出灯具增加的投入成本，从3万小时运行成本可以看出，LED灯具在长期的投资使用中可获得显著的经济效益和减排效益。

4 减排效益分析

根据国家节能部门提供的数据，每节省1度电，可相当于减少使用标准煤0.35kg，减少使用纯净水4kg，减少排放CO2（二氧化碳）0.78kg，减少排放SO2（二氧化硫）0.0263kg，减少排放NOX（氮氧化物）0.0131kg，减少TSP（总悬浮物颗粒）0.238k。由此可得河北宣工齿轮箱加工车间每年减少标准煤14.2t，减少温室气体排放31.6t。应用LED灯在工厂照明领域将对企业响应国家节能减排，低碳经济有重大推动作用，市场发展前景巨大。

图2 齿轮箱加工车间一跨全部安装LED灯具（105W）

图3 齿轮箱加工车间一跨混装LED 灯具（105W）和金卤（270W）

[1]北京照明学会照明设计专业委员会编.照明设计手册.北京：中国电力出版社，2006.

[2]中国四联集团.重庆四联光电科技有限公司.应用产品手册.

[3]科技部《十城万盏参政》.中华人民共和国科学技术部.