基于LED光源在矿山深井照明升级改造中的应用

马建伟 雷建波

（1 云南省节能监察中心 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

绿色照明不仅有利于经济效益，更是着眼于生产安全、生产效率提高、资源利用和环保的重大课题。照明质量和水平是现代化程度的重要标志。企业实施“绿色照明”改造是把原有低效的照明光源、器具和不适应节能的照明控制系统用高效的光源、器具及节能适用控制系统替代，以达到节约用电，降低用能成本，创建安全、经济、高效、舒适的照明环境，从而实现节能减碳。

1 LED 光源发展、特点及选择

1.1 LED光源发展状况

LED 光源是现代高效一体化点光源，是白炽灯、荧光灯、气体放电灯后取得的重大科技成果。早期的LED 光源因其功率小、开关特性优越而主要用做指示灯。得益于科技进步，LED 技术的也取得迅速发展，特别是LED 白光技术研究成功，不断推出LED 光源系列产品。另外随着LED 发光流量及效率迅速提高、白光技术取得新突破促使发光颜色种类增加、单灯功率加大、生产成本快速下降，为研发生产功能不同的LED 光源和与之相配套的照明器具创造了良好的环境条件。LED 光源比传统光源发光效率高、寿命长、光色丰富、显色性好、组合方便、造型式样多、节能激发了人们研发推广应用的兴趣和动力。

1.2 LED光源特点

LED 光源是第四代高效照明产品，其特点如下：体积小，重量轻，可以制作为任意形状，方便与灯具的匹配、造型、布置。开关特性好，响应速度快，其响应时间为纳秒级。无频闪、无紫外线，LED 使用低压电源，单颗电压在1.9-4V 之间，比使用220V电源更安全。LED 光谱主要集中在可见光区域，产品光色丰富，显色性好。LED 采用环氧树脂进行密封，耐震动，密闭性好，防水、防尘，环境适应能力强，寿命长（8-10）×104h，光衰慢，抗冲击性强方便运输。绿色环保，LED 采用无污染的材料制作而成，不含汞，环保性能优，而且其废弃物还可以回收利用。亮度可调易控制，LED 发光亮度可以根据电流大小进行有效控制。投光性好，LED 所发出的光线是定向的，能直接投射到工作面。发光效率高，耗电量少，工作温度低，在相同照度下，耗电是白炽灯的五分之一，荧光灯的三分之一。LED 整体密封设计，电子短路保护、防静电外壳，防爆性好[10]。LED 生产成本已大幅下降，性价比高。

1.3 面向矿山深井的LED光源灯具选择与管理

绿色照明的实施高效光源、灯具选用是首要因素。（1）一般根据光源的光效、色温、显色指数、寿命和价格选择高效光源[1]。在满足照度条件下，单位面积照明安装功率最小，尽量减少眩光的影响。以前使用的节能灯、金卤灯、气体放电灯因光照指向性比LED 差，眩光严重，相对耗能，此次改造选用光效≥90Lm/W的LED 光源。（2）为节约电能，照明器具及线路等应达到以下要求：按经济运行原则选择照明器具，选用配光合理、反射效率高、眩光少、防水、防尘、防震、防腐蚀、防护耐久性好，电器附件协调配套的灯具[1][3]。（3）照明用电管理。电压过高或偏低，不仅影响光源、电器的正常寿命，而且不利于LED 光通量正常输出。为此，可采用单独的照明变压器或采用自动调压装置等实行供电，消除照明负荷不对称现象，将不对称接线改为对称接线，保证在额定电压下运行，延长光源、电器的使用寿命[4]。（4）照明器具的管理。光源和照明灯具，使用一定时间以后，光源的光通量和灯具的投光效率会逐步衰减，特别是照明灯具不洁导致反射的光通量大大减少[7]。例如720 米运输平台没有对照明灯具进行清洁，其光通量下降40-60%。如果不定期清洁，又要确保必要的照度，就只有加大光源的功率或降低安装高度或增加安装数量[8]。

2 矿山深井照明升级改造的模式

用LED 高效光源对井下照明系统实施绿色照明升级改造，不仅降低能耗，而且提升照明质量，为生产安全、提高生产效率和身心健康提供更加舒适的照明环境和条件。在符合照明设计标准下，应当降低单位面积照明安装功率。根据现场实际使用情况、环境特点并听取采纳运行、维护人员建议、要求，合理布置照明点，适当降低照明高度，采用优质高效LED、照明器具，采用集中、分段与独立相结合的控制方式提高用电效率，节约用电。

2.1 矿山深井照明现状

目前针对矿山深井的特点，开展绿色照明升级改造的案例较少，本文研究对象为Y 省某矿业公司绿色照明升级改造s 期，其照明原用光源为金卤灯、无极灯、节能灯因使用年限较长存在照明器具老化严重且维护不到位，投光效率降低，单灯功率大，眩光严重；部分光源裸露在恶劣的环境中，光衰严重、照度不够、电能浪费等缺陷。供电线路标准低、控制方法单一落后，部分照明已无法正常使用，存在安全隐患。不符合“绿色照明工程”及“照明标准”的要求。整个照明系统存在较大的节能降耗空间，急需进行照明节能升级改造。

2.2 工作照度的确定

依据不同作业的环境特点及实际需要，确定科学的照度和照明方法，既保障生产安全，保护视力，提升效率、确保产品质量，又避免电能浪费，实现节能目的。按《建筑照明设计标准》确定生产各区域的照明标准，适当增加余量，弥补LED 发光效率降低以及灯具因积尘等投光效率下降、光通量减弱，照度不足等影响[9]。

2.3 照明改造融资形式

目前照明改造的融资形式主要有两种，一是企业自主筹资以节能技改的形式实施，二是以合同能源管理（EMC）服务形式实施。本项目采用合同能源管理节能效益分享服务形式，项目总投资897 万元，节能服务公司投资比例100%。

2.4 合理确定照明方式、降低照明负荷

一般因生产或工作要求不同，按各自的特点确定不同的照明方式。采用高效LED 及投光效率高的器具，减少单位面积照明安装功率，降低照明负荷。（1）一般照明，照明器具均点布置，照射方向无特殊要求，工作面照度基本均匀的照明；（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，一般照明与局部照明合成的照明[1]。混合照明选用时，要考虑工作区域与周围环境的照度差不应过大。

3 效果对比分析

按视觉作业特性把生产场所分为车间、工段、隧道、硐室等。改造后路面、顶部和四周的照度均匀性、线路规范性、整体舒适度比改造前更好，为行人、运输、维护以及预防冒顶片帮提供较好的照明环境。

3.1 改造前后光源参数及性能对比

光源的作用是将电能转化为可见光，并以电磁波形式向周围空间传播。改造前后使用的光源产品性能参数对比如表1 所示。

表1 光源产品的性能参数对比（改造前后）[5][6][8]

3.2 原灯具安装位置与改造后对比

考虑到日常维护、管理及工人的要求建议，在保证照度情况下，遵循降低安装高度原则，适当调整灯具的位置和投光方向。改造后灯具安装高度总体比改前降低。此次绿色照明升级改造新增了顶板照明以备更好的预防冒顶片帮，保障职工及设备安全。

3.3 照明线路改造前后对比

原照明系统有安全隐患，乱搭乱拉的临时照明普遍存在，各生产区域依需要任意安装照明点，控制方式点多且乱，线路损耗、电压下降影响了照明质量。改造后，照明线路穿管布置、分段控制、集中控制与独立控制相结合，确保用电安全与节约用能[8]。

3.4 照明效果（改造前后）对比

表2 绿色照明改造前后照度测试对比表

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。在改造过程中，根据深井隧道的环境特点，确定不同的照明标准，既保证生产的正常运行，又改善工作环境[8]。

4 取得的成果

改造以满足生产实际、维护方便及节约能源为原则，选用效率高、寿命长的LED 及安全性能稳定的照明灯具。改造后既达到设计照度要求，又创造舒适、安全、经济的照明环境，提高劳动生产和工作效率，节约能源、降低成本。通过改造取得下列成果：（1）选用LED 光源和投光效率高的照明器具，陶汰低效光源及灯具；（2）照度达到照明设计标准，提升照明水平；（3）在相同照度比较下，改后比改前节电率达到77.4%；（4）线路规范、安全，控制方式满足生产和节能的要求；（5）灯具安装位置更合理，适用方便，照度均匀舒适；（6）提高生产效率，消除安全隐患，维护方便，降低维护成本，反映效果良好；（7）项目年节电543.75 万kWh，年节能量等价值1674.74tce/a[2]，实际节电率77.4%。年节能效益233.81 万元，投资回收期3 年零10 个月。

表3 测试计算表（改造前后）[8]

结语

照明节能并不是简单的通过降低照明标准去实现，而是满足对照明质量和视觉环境条件的更高要求，对照明设计、选型、实施、运行也提出了更高的要求。实施照明改造，节约电能，减少了化石能源的使用，从而减少碳排放，对节能减排、气候变化、碳达峰、碳中和以及生态文明建设都具有积极和现实意义。