LED 照明在工业厂房中的应用分析

王德辉 黄伟

（天津光电华典科技有限公司 天津 300211）

1 厂房照明的特点

一般工业厂房的照明设计主要依据《GB50034－2004 建筑照明设计标准》，并结合国家现行相关行业的规范标准，通过科学、合理的设计方法实现工业厂房照明。

工业厂房是生产重地，其结构高大、灯具悬挂高、照明空间大、灯具数目多、用电量大。因此，其基本要求是：

1.1 保证车间有足够的亮度，以满足提高工效和安全生产的需要；

1.2 按识别对象的不同，照明方式要合理，照明质量要高。如照度均匀性高、色温舒适、显色指数高、眩光小等；

1.3 电光源和灯具寿命长、安全可靠、故障少、维护措施简单，以减少维护工作量、节约运行维护成本；

1.4 高效节能、减少用电量，提高经济效益和社会效益。

2 照明应用分析

2.1 金卤灯的发光原理

金卤灯电弧管内充有汞、惰性气体和一种以上的金属卤化物。工作时，汞蒸发，电弧管内汞蒸汽气压达几个大气压(零点几个兆帕) ，卤化物也从管壁上蒸发，扩散进入高温电弧柱内分解，金属原子被电离激发，辐射出特征谱线。当金属离子扩散返回管壁时，在靠近管壁的较冷区域中与卤原子相遇，并且重新结合生成卤化物分子。这种循环过程不断地向电弧提供金属蒸汽，金属原子被电离激发，辐射出特征谱线而发光[1]。

2.2 LED 灯具的发光原理

LED 照明灯具的核心器件是发光二极管，它是由p 型半导体和n 型半导体组成的可发光晶片。当的PN 结中注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以发光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。LED 芯片理论上每瓦的发光效率高达370 LM/W，目前商业化批量的白光LED 光效已经超过每瓦150LM，是目前所有发光材料中发光效率最高的。

2.3 金卤灯与LED 灯具的性能对比

为了比较方便突出金卤灯与LED 灯具的性能差异，下面通过表1 进行对比说明。

表1 金卤灯与LED 灯具的性能对比

2.4 照明结果分析

为了更好地说明LED 工矿灯在厂房中的应用，本文选用天津市滨海新区一新建电缆厂房为例进行说明。本案例中厂房设计长度约为171.35m，宽度约为96m，长度的面积为1.6×104m2，设计为钢结构厂房，厂房为单层设计，层顶高9.15m。设计只考虑厂房内部照明。按照国家的线缆厂房的照明规范，车间平均照度值为300lux。

初步布灯根据利用系数法计算

式中，Eav 为工作面上的平均照度；Φ 为单个光源光通量；N为光源数量；U为利用系数；A为工作面面积；K为灯具的维护系数。

根据厂房平均照度要求，灯具数量的计算公式为：

式中，维护系数取0.8，面积为16416m2。

本设计采用400 W 大功率金卤工矿灯进行设计，单个灯具光通量36 000 lm，根据厂家灯具资料，选取利用系数为0.6。

用Eav=300 lx 计算得灯具数目为280 盏。考虑到灯具安装问题，以每跨每区间挂1 盏灯计算，总灯具数为23×12 盏=276盏，照度计算值为290 lx，大于要求平均照度的90%，因此该厂房设计灯具数量为276 盏。

相比之下若采用我公司LED 工矿灯灯具进行同等数量和位置替换，根据我公司现在的LED 灯具资料，可计算出所需要的单灯光通量为18000lm。按照目前我公司的产品可选用150W 的LED 工矿灯（实际光通量17800lm）就可以代替。

2.5 DIAlux 软件的仿真结果

DIALux 由德国DIAL Gmbh 公司开发，是一款为了模拟计算室内室外照明需求，为实际配置具提供比较准确的参考信息的仿真软件。该软件采用制造商定制数据库，通过运用设计方案中将要采用的灯具的配光曲线文件进行照度计算，来得出一些关键的照明指标，仿真数据计算准确。

按照利用系数法计算所得的灯具布置，并导入DIAlux 软件进行仿真，获取灯具布局图如图1 所示。

图1 LED 工矿灯布局图

图2 金卤灯仿真等照度图

2.5.1 将灯具设置为400W 金卤灯后进行模拟仿真，仿真结果如图2 所示。

从仿真结果可见，使用400W 的金卤灯，可以使车间的平均照度达到293lux，最小照度为121lux，最大照度327lux，照度均匀度0。41，LDP 值6。97W/m2。

2.5.2 将灯具设置为400WLED 灯后进行模拟仿真，仿真结果如图3所示：

从仿真结果可见，使用150W 的LED 灯，可以使车间的平均照度达到304lux，最小照度为240lux，最大照度427lux，照度均匀度0.79，LDP 值2。52W/m2。

图3 LED 灯仿真等照度图

2.6 照明质量比较

照明质量主要有照度水平、照度均匀度和显色性等评价标准，以下从三个方面对两种不同光源进行比较。

综上各种因素，朝藿定B、朝藿定A、朝藿定C、淫羊藿苷、木犀草素、槲皮素、川陈皮素、山柰酚、宝藿苷Ifs/i的RSD依次为0.30%、0.81%、1.11%、0.79%、2.24%、0.80%、2.96%、0.57%和1.35%，表明该方法各成分fs/i耐用性较好。

2.6.1 照度水平

从仿真等照度图可以看出两种方案的平均照度均达到了300lx 的标准，偏差不大于10%。从照度水平的角度说，两种方案都是满足要求的。

2.6.2 照度均匀度

建筑照明设计标准要求工业建筑作业区域内的一般照明照度均匀度不应小于0.7，而作业面邻近周围的照度均匀度不应小于0.5。两种方案中金卤灯的整体照度均匀度为0.41，不能满足照明要求，但除去四周暗区，仅从作业区域考虑，其照度均匀性大于0.7，基本满足照明要求；LED 灯具的照度均匀度为0.79，可以满足照明要求。

2.6.3 显色性

建筑照明设计标准中大部分工业生产厂房根据工艺不同，显色指数Ra 要求为60～80。金属卤化物光源根据不同产品、显色指数Ra 从60 至90 不等。LED 显色指数Ra 大于75，可以满足照明要求。

从以上各照明质量评价标准可知两种布置方案均满足规范要求，可以达到厂房需要的照明效果。

3 节能效果与经济效益分析

3.1 金卤灯与LED 工矿灯的节能对比

假设整个厂房使用276 个400W 的金卤灯，实际一个金卤灯消耗的功率为450W。按照每天照明24h，每月工作22d 计算，全年的耗电量为：

如整个厂房使用276 个150W 的LED 工矿灯，实际一个LED灯整消耗的功率为157W。按照每天照明24h，每月工作22d 计算，全年的耗电量为：

276×0.157×24×22×12=274551 度电

相比之下，使用LED 工矿灯比使用400W 金卤灯年节电512380 度电，节能65%以上。

3.2 金卤灯与LED 工矿灯的经济效益对比

3.2.1 初期投入费用对比

单个金卤灯成本为400 元，276 个金卤灯费用为22.08 万元；单个LED 工矿灯成本为2000 元，276 个LED 工矿灯费用为55.2万元。

3.2.2 运行费用对比

按每度电0.8 元计算，使用金卤灯一年花费62.95 万元电费；使用LED 一年花费21.96 万元电费。此后，每年可节省电费40.99万元。

3.2.3 维护费用对比

金卤灯的灯泡使用寿命约为3000 h，每年需更换两次，按一个灯泡150 元计算，一年费用8.28 万元。假设，更换一个灯泡人员50 元，则全年需要的人工费用为2.76 万元，合计维护费用11.04 万元。

因为LED 工矿灯寿命在50000 h 以上，无须维护和更换。

表2 金卤灯与LED 工矿灯的经济效益对比

从表中看出，400W 金卤灯第一年灯具及电费共需要96.04万元，LED 工矿灯使用1 年，灯具用电费共需要77.16 万元。使用5 年之后可节省费用总计227 万元。

3.3 金卤灯与LED 工矿灯的社会效益对比

使用LED 工矿灯较使用金卤灯还有着显著的社会效益。

表3 金卤灯与LED 工矿灯的经济效益对比

4 结语

随着LED 照明技术的迅猛发展，LED 灯具在工业厂房中的应用也得到了越来越多企业和认可。使用LED 灯具照明不仅改善了厂房的照明环境，还可以大大提高能源利用率，大幅度降低能源损耗，从而为工厂高效的生产提供保障。因此，今后将LED照明在工业厂房中必将得广泛的应用。

［1］张志刚,楼润瑜,朱浩冰.金属卤化物灯工作原理及其紫外防护［J］.科技创新导报,2010,31(187)：247-248．

［2］窦林平.国内LED 照明应用探讨［J］.照明工程学报,2011,22(6):51-58．

［3］朱澄文,许作明.LED 灯具在车间照明的应用［J］.装备维修技术,2012,4(14):54-56．

［4］姚家祎.照明设计手册,2 版［M］.北京:中国电力出版社,2006．

［5］胡国剑,郝洛西.照明计算软件DIALux 与Agi32 的比较分析［J］.照明工程学报，2005,16(3):52-55．

[6]徐晨辉,王勇.关于LED 照明灯节能与应用的分析[J].电气应用,2012（18）.