LED光源应用于高大厂房照明的关键技术

李　鹏，高小平，孙　斌

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海　200063)



LED光源应用于高大厂房照明的关键技术

李鹏，高小平，孙斌

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063)

摘要：为了探索LED照明在高大厂房中的应用，讨论了LED光源和灯具在高大厂房中的应用要求。结合高大厂房照明计算简化公式的使用，总结了LED光源应用于高大厂房照明的关键技术，提出了高大厂房LED照明设计要点，并通过典型高大厂房的LED照明应用案例验证了其照明效果和节能效果，对高大厂房照明节能设计和节能改造具有指导意义。

关键词：高大厂房；LED照明；技术要求；节能设计；节能改造

引言

高大厂房是工业建筑中常见的建筑类型，如船厂厂房、飞机装配车间等。高大厂房层高很高、面积巨大，照明能耗相应地很高，照明灯具的要求也不同于其他建筑。目前LED照明没有在高大厂房中得到普遍应用，一个重要原因是LED照明应用于高大厂房的相关研究开展甚少，技术上的可行性还有待验证。

研究LED照明应用于高大厂房的关键技术，探索适合其特点的LED照明产品，应当引起我国船厂等企业节能减排工作的关注。若LED照明广泛应用到高大厂房中，则造船业等行业的节能效果会非常可观，这将有利于我国节能减排工作的深入开展。

选择合适的LED灯具是高大厂房照明节能设计的关键。本文首先对适合高大厂房的LED光源提出要求，然后讨论LED工厂灯的选择，并结合高大厂房照明计算特点，得出高大厂房选用LED工厂灯的要点。最后，通过LED照明在典型高大厂房案例中的应用，阐述LED照明关键技术的应用方法。

1LED光源要求

LED灯具通常是一整套设备[1]，光源是其核心部分。

1.1功率要求

高大厂房通常选用400W～1000W金卤灯。假设选用PW的金卤灯作为对照光源。对比传统光源，LED光源具有高光通维持率和高灯具出光效率[2]。金卤灯光通维持率有70%和50%之分，美国能源之星(Energy Star)和我国的节能产品要求按照光通维持率70%的寿命为灯寿命，即L70的标示。实际灯具出光效率不高，高大厂房通常在60%左右[2]。金卤灯光源光效通常为80lm/W，高大厂房维护系数为0.7[3]。因此，高大厂房每盏PW金卤灯的出光光通量为PW×80lm/W×70%×60%×0.7=23.5Plm。

经过充分调研，市场上大功率LED工厂灯光效可以达到100lm/W；且其有效光效非常可观。其光通维持率通常高于90%，灯具出光效率可以达到95%以上。因此，对于出光光通量为23.5Plm的LED灯具的功率为23.5Plm/(100lm/W×90%×95%×0.7)=0.393PW。

因此，选用约0.4PWLED灯具可以满足光通量要求。根据厂商推荐数据与设计经验，厂房高度与金卤灯选用功率通常存在对应关系，如表1所示。

表1　厂房高度与灯具类型及功率的对应表

1.2光线穿透性要求

高大厂房在生产过程中还会产生焊烟和扬尘等烟尘问题，这使得LED光源光线穿透性问题备受关注。

LED光线穿透性与光源色温有关[4]。LED光源光线穿透性不应低于常用的金卤灯，即LED色温应至少不高于常用的金卤灯色温5000K。

1.3显色性要求

照明规范中对Ra做了规定[3]，但是LED光源还应该满足更多要求。R9对生产活动中工作人员的心理状态是有影响的，LED光源还应对R9的数据提出要求。现在业内已基本形成统一看法，即R9>0。

1.4散热要求

高大厂房选用的LED灯具属于大功率LED灯具，其散热问题尤其值得关注[5]。

大功率LED封装技术的优劣很大程度上决定了LED芯片的散热性能。优秀的LED封装技术是LED灯具散热问题解决的关键。

2LED工厂灯灯具要求

结合高大厂房相应特点，根据应用环境对LED工厂灯提出特定要求，可以总结得到高大厂房用LED工厂灯灯具的具体要求。

2.1散热问题和驱动电源技术要求

LED整灯通常采用加装散热片的方式散热。LED芯片通过良好的封装工艺将产生的热量传导给散热片，并通过散热片将热量发散到周围空气中。散热片与LED颗粒的连接情况，散热片有效散热面积的大小，以及散热片材质的选择都会影响LED整灯的散热效果。

驱动电源技术是LED照明技术的短板之一，市场上LED灯具故障中电源故障居首。大功率LED灯具需要电源提供更大的电流，对电源稳定性的要求更高。因此，大功率LED灯具的驱动电源技术是决定性能优劣的重要参考指标。

2.2灯具外壳要求

考虑到工厂灯工作环境位于室内，通常其灯具外壳并无特殊要求。高大厂房内生产环境通常较为恶劣，如产品部件导入堆场时产生的扬尘、切割工艺产生的焊烟等经常出现，这就要求照明灯具具有良好的密封性，以防止烟尘等进入灯具玻璃罩内影响灯具出光效率。

为防止扬尘进入，依照我国对低压电器外壳防护等级的规定[7]，LED灯具外壳应具备IP5X以上的防护等级。而对于船厂切割工场、钢材预处理工场、部件工场、舾装车间、装焊工场、涂装工场等生产过程会产生焊烟的高大厂房，由于焊烟颗粒较小，LED灯具外壳应具备IP6X的防护等级，以防止烟尘进入。

2.3灯具安装要求

高大厂房通常空间巨大，墙壁很少，如果室外出现大风天气，厂房内空气流动也会非常剧烈，因此要求安装照明灯具时予以考虑，以防止出现摇晃剧烈的现象。通常LED灯具整体重量较轻，可以采用刚性连接的方式安装在厂房钢梁上。如果LED灯具使用了厚度较厚的散热片，导致整灯重量较重，应要求再额外增加重量，达到即使有剧烈空气流动也无法将其摇晃的目的，同时LED灯具应采用紧凑型结构，避免出现异响影响到生产活动。

2.4灯具配光曲线要求

高大厂房选用LED灯具应该满足灯具配光曲线的要求[8]。

目前通常采用透镜折射来解决LED灯具二次配光的问题[9]。采用组合配光的二次配光方式能够提高LED灯具配光的灵活性和准确性[10]。

3高大厂房照明计算简化公式的使用

GB 50034—2013《建筑照明设计标准》对照明计算中工作面高度的规定为0.75m[3]，而高大厂房层高通常大于15m，相比之下工作面高度可以忽略。对整个照明计算过程进行整理，可以得到高大厂房照明计算简化公式，如式(1)所示[11]。

(1)

式中，Φ为灯具的总光通量，a、b、H分别为建筑物空间的长、宽和高，Ewall为墙壁平均照度值[12]，Kx为维护系数，Ework为工作面照度。

用灯具总光通量Φ除以选定灯具的单灯光通量φ，即可得到选用灯具的数目n，即

(2)

通过仿真的方法对高大厂房照明计算简化公式进行验证，能够证明简化公式可以实际应用在高大厂房照明计算中[13]。按照利用系数法的计算要求，照明计算过程繁琐[9]，通过采用高大厂房照明计算简化公式，简化照明计算方法变得简单明了，方便易用，便于在高大厂房的照明设计中推广。

4LED灯具选择技术要点

高大厂房采用LED灯具进行照明设计，是未来的一个重要趋势。设计要点归纳如下：

1)如果是节能改造项目，可以利用LED灯具一对一替代原设计使用的金卤灯灯具，功率替换倍数为0.4；

2)如果是新建项目，则利用式(1)计算得到厂房所需总光通量，参考表1确定LED灯具功率，并根据式(2)确定灯具数目；

3)根据灯具数目确定布置方案，并由布置方案中灯具的距高比确定灯具配光曲线的要求；

4)确定LED光源参数，包括LED光线穿透性要求、LED显色性要求和LED芯片封装散热要求；

5)确定LED灯具要求，包括LED灯具散热片散热要求、驱动电源技术要求、灯具外壳防护等级要求、灯具防止摇晃的措施。

5应用案例

本文以节能改造项目为例，将高大厂房中LED照明的应用步骤展开论述。典型高大厂房的照明节能改造，涉及到改造区域的选择、LED灯具的选择，以及对相关区域电气线路的改造。为比较能耗使用状况，可设置对照组，对比节能效果，还需要记录不同照明灯具的照明指标，对比照明效果。

5.1案例介绍

广州龙穴造船基地切割车间面积将近15万平方米，层高19米，是整个船厂生产环节的前端部分。车间平时生产任务较为繁重，通常采用两班制甚至三班制的生产模式，车间照明开启时间较长，能耗突出。以广州龙穴基地切割车间作为研究对象，将现有金卤灯照明节能改造为LED照明，便于展开高大厂房照明节能改造的相关研究。图1为切割车间16～34轴照明平面图。

图1　切割车间16～34轴照明平面图Fig.1　Lighting plan of 16～34 axis for curve plant

选择车间部分区域进行实验性改造，既可以探索LED照明在高大厂房应用的可行性，又可以避免大面积设备安装带来的不确定性和对生产进度的干扰。为了防止工人在工作过程中受到区域间照明差异的影响，要求改造区域相对独立，相关区域的工人工作过程并不经常性前往其他区域。经过调查发现，A～B轴之间，22～26轴区域(图1中下部靠左云线圈定区域)为切割钢板整理堆放区域，27～31轴区域(图1中下部靠右云线圈定区域)为钢板局部切割作业区域，工人工作过程都相对独立；且该两个区域都各有1000W金卤灯15盏，安装高度15.4m，对改造工作的经济性要求适中。在此选择27～31轴区域作为改造对象，选择22～26轴区域作为对照组。

高大厂房节能改造，首先需要选择替代传统光源的新型节能光源，这里选择LED光源；然后整理待改造区域照明的电气线路，以研究其照明特点和能耗情况；最后针对计量方式的改造，统计和比较改造前后的能耗。

5.2LED灯具的选择

5.2.1LED工厂灯选用要求

龙穴切割车间采用了1000W金卤灯，因此选用LED灯具功率为0.4×1000W=400W。

工程需要选用400W LED灯具，属于典型的大功率LED灯具，其散热问题尤其值得注意。

切割车间工业生产过程中会产生焊烟等巨大的烟尘，工程选用的LED灯具要求外壳具备IP6X的防护等级。另外，灯具应采取相应措施，以避免高大厂房中剧烈空气流动产生的摇晃。

参照图1，切割车间金卤灯选择灯具配光曲线关键参照指标是灯具1/2照度角。经过计算，灯具1/2照度角θ为

(3)

式(3)中，灯具安装高度h=15.4m，安装距离s=11.25m。因此，切割车间选用金卤灯光源光通量和最大光强值集中在θ=20°的范围内，属于深照型配光曲线[9]。因此，改造工程应用的LED灯具透镜的选用需要经过相关计算和测试，以使LED灯具具有符合要求的深照型配光曲线。

工程改造选择灯具时还要对LED灯具光线等透性和显色性问题进行考察。

5.2.2选用的LED灯具介绍

按照相关要求，改造工程考察了市场上多家企业的LED照明产品，并通过招投标方式确定了某公司的LED工厂灯产品，型号为WDSWII-LED400W。

通过配合工程的相关要求，该LED工厂灯经过部分改进后性能指标满足了各项技术规定，具体指标包括：灯具功率为400W，LED芯片采用美国普瑞公司产品，LED频谱连续，显色性满足CRI要求，且R9>0；LED封装由某公司自行完成，其封装技术良好地解决了LED芯片的散热问题；产品散热片采用导热性高的80片厚度为1mm铜合金暨片材料，辅以导热铜管贯穿中心，使整灯散热更快，温升更低；灯具采用双电源供电，均衡供电电流，有效减轻电路负载，提高设备工作的高可靠性；灯具整体经过防水、防尘、防腐处理，灯具出光部分采用5mm钢化安全玻璃，灯具电器一体化，外壳防护等级为IP65，具有深照型配光曲线；灯具总重量为8kg，属于重量较轻的产品，可采用与厂房钢梁刚性连接的安装方式。产品色温为5000K，透光性良好。WDSWII-LED400W型LED工厂灯外观如图2所示。

图2　WDSWII-LED400W型LED工厂灯外观Fig.2　LED luminaire facade of WDSWII-LED400W type

5.3电气线路改造

确定了LED灯具产品，便可对改造区域进行线路改造。通过线路改造一方面方便计量能耗，另一方面可以通过灵活的区域控制完成照明效果对比。为满足要求，待改造区域和对照组区域照明应由独立配电箱负责，由此须将原配电方式改动。

原设计中，负责为待改造和对照组区域配电的配电箱安装位置如图1所示的中下部小区域云线标示。改造工程选用的400W LED工厂灯可一对一替换原有的1000W金卤灯，将改造区域灯具设置独立配电箱，并附带计量表计，使用编号ALED。对照组区域具有相同数量的1000W金卤灯，设置配电箱编号为AMHL。

线路改造工作需要配合生产进度，于切割车间相应区域生产任务较少时安排，并于日间进行。线路改造和随后的照明灯具更换工作，相关车间不应有工人在现场工作，设备也应处于停机状态。

5.4照明效果对比

以切割车间南侧入口为视角，节能改造前后的实景照片，如图3和图4所示。

图3　切割车间照明节能改造前实景照片Fig.3　Picture of curve plant before energy-saving rebuild

图4　切割车间照明节能改造后实景照片Fig.4　Picture of curve plant after energy-saving rebuild

从图3～图4中地面参照物可以看出，使用LED灯具的照明效果较为优秀。根据GB/T 5700—2008《照明测量方法》[14]，通过对相关区域的照度测试，ALED箱区域平均照度为218lx，而AMHL箱区域平均照度仅为91lx。根据切割车间施工图设计要求，本车间设计照度值为150lx。ALED箱区域为新安装的照明灯具，考虑维护系数0.7[3]，充分运行时照度值约为153lx，照度值能够满足设计要求。

附近使用传统金卤灯的区域照度值不能满足设计要求的原因有很多：切割车间烟尘巨大，影响了灯具的出光效率；金卤灯已运行多年，光源本身光衰非常严重；最初购置时未对光源和灯具相关指标做出应用环境下的具体要求。从图3中也可以看出，节能改造前已使用多年的金卤灯出现了明显亮度不一的现象。

5.5节能效果对比

节能改造工程对ALED箱和AMHL箱设置了计量表计，可以方便的得到两者的能耗数据。切割车间照明由工作人员手动控制，每天照明开启和关闭时间随天气、季节、工作状况等因素变动很大，两个箱体因工作区域照明要求不同开关灯具的时间也有差别，因此在箱体内安装了计时钟，以方便准确记录。

线路改造完毕计时钟表底调整为零，经过一段时间的计量，两个箱柜每天使用时长均在14小时左右，其中ALED箱平均每小时耗电量约为5.7kW·h，而AMHL箱平均每小时耗电量约为12.3kW·h。可见，平均每小时ALED箱比AMHL箱耗电量约低54%，节能效果显著。

AMHL箱负荷为15盏1kW金卤灯，装机容量为15kW，考虑上镇流器的功率，其总功率应更大；而实测功率约为12.3kW，可见金卤灯在运行多年的情况下问题已很严重。

5.6节能改造总结

高大厂房照明节能改造，节能灯具的选用是关键，大量的前期调研工作是灯具选用的基础；节能改造工作应先示范后推广，改造区域的选择也要依靠前期的调研工作；电气线路的改造关系到照明效果和节能效果两个主要指标的获得，对照组的选择十分必要。通过将两种光源进行照明效果和节能效果对比，可知LED光源应用于高大厂房照明效果优秀，节能效果显著。针对已有高大厂房照明的节能改造，对新建厂房选用节能型灯具有重要的参考价值。

6结束语

我国船厂基建工作已接近尾声，照明灯具的设计安装工作也已使用传统光源完成。目前，有些已投产使用的船厂企业有相关节能需求，希望通过节能改造将船厂车间中已有的传统光源改造为LED光源。这就为LED照明在高大厂房的应用拓展了空间。

本文提出的技术要点建立在大量的数据采集和设计经验基础上，尚未经过严格的推理论证，而且有些要求可能随着技术的成熟而变得无关紧要。不过在现阶段的LED技术水准下，本文提出的技术要求对于高大厂房照明节能设计和节能改造具有明确的指导意义。

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The Key Technology for LED Lighting Application on High and Large Plant

Li Peng, Gao Xiaoping, Sun Bin

(ChinaShipbuildingNDRIEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200063,China)

Abstract：To search the application of LED lighting in high and large plant, the essay discusses the requirements of the LED light source and LED luminaire on high and large plant. With the cooperation of simplified formula of lighting computation on high and large plant, the key technology for LED Lighting application and the key points of LED lighting design on high and large plant are summed up, which may guide the energy-saving design and energy-saving rebuild of high and large plant. The essay has an example of LED lighting application on high and large plant, and its lighting effect and energy-saving effect of LED lighting are both verified.

Key words:high and large plant; LED lighting; technical requirements; energy-saving design; energy-saving rebuild

中图分类号：TU113.6+6

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.006

基金项目：工业和信息化部——船舶企业能耗评价及监控管理系统研究(船舶节能措施和节能技术研究)