李　鵬，高小平，孫　斌

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海　200063)

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LED光源應(yīng)用于高大廠房照明的關(guān)鍵技術(shù)

李鵬，高小平，孫斌

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海200063)

摘要：為了探索LED照明在高大廠房中的應(yīng)用，討論了LED光源和燈具在高大廠房中的應(yīng)用要求。結(jié)合高大廠房照明計算簡化公式的使用，總結(jié)了LED光源應(yīng)用于高大廠房照明的關(guān)鍵技術(shù)，提出了高大廠房LED照明設(shè)計要點，并通過典型高大廠房的LED照明應(yīng)用案例驗證了其照明效果和節(jié)能效果，對高大廠房照明節(jié)能設(shè)計和節(jié)能改造具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：高大廠房；LED照明；技術(shù)要求；節(jié)能設(shè)計；節(jié)能改造

引言

高大廠房是工業(yè)建筑中常見的建筑類型，如船廠廠房、飛機(jī)裝配車間等。高大廠房層高很高、面積巨大，照明能耗相應(yīng)地很高，照明燈具的要求也不同于其他建筑。目前LED照明沒有在高大廠房中得到普遍應(yīng)用，一個重要原因是LED照明應(yīng)用于高大廠房的相關(guān)研究開展甚少，技術(shù)上的可行性還有待驗證。

研究LED照明應(yīng)用于高大廠房的關(guān)鍵技術(shù)，探索適合其特點的LED照明產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)引起我國船廠等企業(yè)節(jié)能減排工作的關(guān)注。若LED照明廣泛應(yīng)用到高大廠房中，則造船業(yè)等行業(yè)的節(jié)能效果會非?？捎^，這將有利于我國節(jié)能減排工作的深入開展。

選擇合適的LED燈具是高大廠房照明節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵。本文首先對適合高大廠房的LED光源提出要求，然后討論LED工廠燈的選擇，并結(jié)合高大廠房照明計算特點，得出高大廠房選用LED工廠燈的要點。最后，通過LED照明在典型高大廠房案例中的應(yīng)用，闡述LED照明關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用方法。

1LED光源要求

LED燈具通常是一整套設(shè)備[1]，光源是其核心部分。

1.1功率要求

高大廠房通常選用400W～1000W金鹵燈。假設(shè)選用PW的金鹵燈作為對照光源。對比傳統(tǒng)光源，LED光源具有高光通維持率和高燈具出光效率[2]。金鹵燈光通維持率有70%和50%之分，美國能源之星(Energy Star)和我國的節(jié)能產(chǎn)品要求按照光通維持率70%的壽命為燈壽命，即L70的標(biāo)示。實際燈具出光效率不高，高大廠房通常在60%左右[2]。金鹵燈光源光效通常為80lm/W，高大廠房維護(hù)系數(shù)為0.7[3]。因此，高大廠房每盞PW金鹵燈的出光光通量為PW×80lm/W×70%×60%×0.7=23.5Plm。

經(jīng)過充分調(diào)研，市場上大功率LED工廠燈光效可以達(dá)到100lm/W；且其有效光效非?？捎^。其光通維持率通常高于90%，燈具出光效率可以達(dá)到95%以上。因此，對于出光光通量為23.5Plm的LED燈具的功率為23.5Plm/(100lm/W×90%×95%×0.7)=0.393PW。

因此，選用約0.4PWLED燈具可以滿足光通量要求。根據(jù)廠商推薦數(shù)據(jù)與設(shè)計經(jīng)驗，廠房高度與金鹵燈選用功率通常存在對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1　廠房高度與燈具類型及功率的對應(yīng)表

1.2光線穿透性要求

高大廠房在生產(chǎn)過程中還會產(chǎn)生焊煙和揚塵等煙塵問題，這使得LED光源光線穿透性問題備受關(guān)注。

LED光線穿透性與光源色溫有關(guān)[4]。LED光源光線穿透性不應(yīng)低于常用的金鹵燈，即LED色溫應(yīng)至少不高于常用的金鹵燈色溫5000K。

1.3顯色性要求

照明規(guī)范中對Ra做了規(guī)定[3]，但是LED光源還應(yīng)該滿足更多要求。R9對生產(chǎn)活動中工作人員的心理狀態(tài)是有影響的，LED光源還應(yīng)對R9的數(shù)據(jù)提出要求?，F(xiàn)在業(yè)內(nèi)已基本形成統(tǒng)一看法，即R9>0。

1.4散熱要求

高大廠房選用的LED燈具屬于大功率LED燈具，其散熱問題尤其值得關(guān)注[5]。

大功率LED封裝技術(shù)的優(yōu)劣很大程度上決定了LED芯片的散熱性能。優(yōu)秀的LED封裝技術(shù)是LED燈具散熱問題解決的關(guān)鍵。

2LED工廠燈燈具要求

結(jié)合高大廠房相應(yīng)特點，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境對LED工廠燈提出特定要求，可以總結(jié)得到高大廠房用LED工廠燈燈具的具體要求。

2.1散熱問題和驅(qū)動電源技術(shù)要求

LED整燈通常采用加裝散熱片的方式散熱。LED芯片通過良好的封裝工藝將產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)給散熱片，并通過散熱片將熱量發(fā)散到周圍空氣中。散熱片與LED顆粒的連接情況，散熱片有效散熱面積的大小，以及散熱片材質(zhì)的選擇都會影響LED整燈的散熱效果。

驅(qū)動電源技術(shù)是LED照明技術(shù)的短板之一，市場上LED燈具故障中電源故障居首。大功率LED燈具需要電源提供更大的電流，對電源穩(wěn)定性的要求更高。因此，大功率LED燈具的驅(qū)動電源技術(shù)是決定性能優(yōu)劣的重要參考指標(biāo)。

2.2燈具外殼要求

考慮到工廠燈工作環(huán)境位于室內(nèi)，通常其燈具外殼并無特殊要求。高大廠房內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境通常較為惡劣，如產(chǎn)品部件導(dǎo)入堆場時產(chǎn)生的揚塵、切割工藝產(chǎn)生的焊煙等經(jīng)常出現(xiàn)，這就要求照明燈具具有良好的密封性，以防止煙塵等進(jìn)入燈具玻璃罩內(nèi)影響燈具出光效率。

為防止揚塵進(jìn)入，依照我國對低壓電器外殼防護(hù)等級的規(guī)定[7]，LED燈具外殼應(yīng)具備IP5X以上的防護(hù)等級。而對于船廠切割工場、鋼材預(yù)處理工場、部件工場、舾裝車間、裝焊工場、涂裝工場等生產(chǎn)過程會產(chǎn)生焊煙的高大廠房，由于焊煙顆粒較小，LED燈具外殼應(yīng)具備IP6X的防護(hù)等級，以防止煙塵進(jìn)入。

2.3燈具安裝要求

高大廠房通?？臻g巨大，墻壁很少，如果室外出現(xiàn)大風(fēng)天氣，廠房內(nèi)空氣流動也會非常劇烈，因此要求安裝照明燈具時予以考慮，以防止出現(xiàn)搖晃劇烈的現(xiàn)象。通常LED燈具整體重量較輕，可以采用剛性連接的方式安裝在廠房鋼梁上。如果LED燈具使用了厚度較厚的散熱片，導(dǎo)致整燈重量較重，應(yīng)要求再額外增加重量，達(dá)到即使有劇烈空氣流動也無法將其搖晃的目的，同時LED燈具應(yīng)采用緊湊型結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)異響影響到生產(chǎn)活動。

2.4燈具配光曲線要求

高大廠房選用LED燈具應(yīng)該滿足燈具配光曲線的要求[8]。

目前通常采用透鏡折射來解決LED燈具二次配光的問題[9]。采用組合配光的二次配光方式能夠提高LED燈具配光的靈活性和準(zhǔn)確性[10]。

3高大廠房照明計算簡化公式的使用

GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對照明計算中工作面高度的規(guī)定為0.75m[3]，而高大廠房層高通常大于15m，相比之下工作面高度可以忽略。對整個照明計算過程進(jìn)行整理，可以得到高大廠房照明計算簡化公式，如式(1)所示[11]。

(1)

式中，Φ為燈具的總光通量，a、b、H分別為建筑物空間的長、寬和高，Ewall為墻壁平均照度值[12]，Kx為維護(hù)系數(shù)，Ework為工作面照度。

用燈具總光通量Φ除以選定燈具的單燈光通量φ，即可得到選用燈具的數(shù)目n，即

(2)

通過仿真的方法對高大廠房照明計算簡化公式進(jìn)行驗證，能夠證明簡化公式可以實際應(yīng)用在高大廠房照明計算中[13]。按照利用系數(shù)法的計算要求，照明計算過程繁瑣[9]，通過采用高大廠房照明計算簡化公式，簡化照明計算方法變得簡單明了，方便易用，便于在高大廠房的照明設(shè)計中推廣。

4LED燈具選擇技術(shù)要點

高大廠房采用LED燈具進(jìn)行照明設(shè)計，是未來的一個重要趨勢。設(shè)計要點歸納如下：

1)如果是節(jié)能改造項目，可以利用LED燈具一對一替代原設(shè)計使用的金鹵燈燈具，功率替換倍數(shù)為0.4；

2)如果是新建項目，則利用式(1)計算得到廠房所需總光通量，參考表1確定LED燈具功率，并根據(jù)式(2)確定燈具數(shù)目；

3)根據(jù)燈具數(shù)目確定布置方案，并由布置方案中燈具的距高比確定燈具配光曲線的要求；

4)確定LED光源參數(shù)，包括LED光線穿透性要求、LED顯色性要求和LED芯片封裝散熱要求；

5)確定LED燈具要求，包括LED燈具散熱片散熱要求、驅(qū)動電源技術(shù)要求、燈具外殼防護(hù)等級要求、燈具防止搖晃的措施。

5應(yīng)用案例

本文以節(jié)能改造項目為例，將高大廠房中LED照明的應(yīng)用步驟展開論述。典型高大廠房的照明節(jié)能改造，涉及到改造區(qū)域的選擇、LED燈具的選擇，以及對相關(guān)區(qū)域電氣線路的改造。為比較能耗使用狀況，可設(shè)置對照組，對比節(jié)能效果，還需要記錄不同照明燈具的照明指標(biāo)，對比照明效果。

5.1案例介紹

廣州龍穴造船基地切割車間面積將近15萬平方米，層高19米，是整個船廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)的前端部分。車間平時生產(chǎn)任務(wù)較為繁重，通常采用兩班制甚至三班制的生產(chǎn)模式，車間照明開啟時間較長，能耗突出。以廣州龍穴基地切割車間作為研究對象，將現(xiàn)有金鹵燈照明節(jié)能改造為LED照明，便于展開高大廠房照明節(jié)能改造的相關(guān)研究。圖1為切割車間16～34軸照明平面圖。

圖1　切割車間16～34軸照明平面圖Fig.1　Lighting plan of 16～34 axis for curve plant

選擇車間部分區(qū)域進(jìn)行實驗性改造，既可以探索LED照明在高大廠房應(yīng)用的可行性，又可以避免大面積設(shè)備安裝帶來的不確定性和對生產(chǎn)進(jìn)度的干擾。為了防止工人在工作過程中受到區(qū)域間照明差異的影響，要求改造區(qū)域相對獨立，相關(guān)區(qū)域的工人工作過程并不經(jīng)常性前往其他區(qū)域。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，A～B軸之間，22～26軸區(qū)域(圖1中下部靠左云線圈定區(qū)域)為切割鋼板整理堆放區(qū)域，27～31軸區(qū)域(圖1中下部靠右云線圈定區(qū)域)為鋼板局部切割作業(yè)區(qū)域，工人工作過程都相對獨立；且該兩個區(qū)域都各有1000W金鹵燈15盞，安裝高度15.4m，對改造工作的經(jīng)濟(jì)性要求適中。在此選擇27～31軸區(qū)域作為改造對象，選擇22～26軸區(qū)域作為對照組。

高大廠房節(jié)能改造，首先需要選擇替代傳統(tǒng)光源的新型節(jié)能光源，這里選擇LED光源；然后整理待改造區(qū)域照明的電氣線路，以研究其照明特點和能耗情況；最后針對計量方式的改造，統(tǒng)計和比較改造前后的能耗。

5.2LED燈具的選擇

5.2.1LED工廠燈選用要求

龍穴切割車間采用了1000W金鹵燈，因此選用LED燈具功率為0.4×1000W=400W。

工程需要選用400W LED燈具，屬于典型的大功率LED燈具，其散熱問題尤其值得注意。

切割車間工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生焊煙等巨大的煙塵，工程選用的LED燈具要求外殼具備IP6X的防護(hù)等級。另外，燈具應(yīng)采取相應(yīng)措施，以避免高大廠房中劇烈空氣流動產(chǎn)生的搖晃。

參照圖1，切割車間金鹵燈選擇燈具配光曲線關(guān)鍵參照指標(biāo)是燈具1/2照度角。經(jīng)過計算，燈具1/2照度角θ為

(3)

式(3)中，燈具安裝高度h=15.4m，安裝距離s=11.25m。因此，切割車間選用金鹵燈光源光通量和最大光強(qiáng)值集中在θ=20°的范圍內(nèi)，屬于深照型配光曲線[9]。因此，改造工程應(yīng)用的LED燈具透鏡的選用需要經(jīng)過相關(guān)計算和測試，以使LED燈具具有符合要求的深照型配光曲線。

工程改造選擇燈具時還要對LED燈具光線等透性和顯色性問題進(jìn)行考察。

5.2.2選用的LED燈具介紹

按照相關(guān)要求，改造工程考察了市場上多家企業(yè)的LED照明產(chǎn)品，并通過招投標(biāo)方式確定了某公司的LED工廠燈產(chǎn)品，型號為WDSWII-LED400W。

通過配合工程的相關(guān)要求，該LED工廠燈經(jīng)過部分改進(jìn)后性能指標(biāo)滿足了各項技術(shù)規(guī)定，具體指標(biāo)包括：燈具功率為400W，LED芯片采用美國普瑞公司產(chǎn)品，LED頻譜連續(xù)，顯色性滿足CRI要求，且R9>0；LED封裝由某公司自行完成，其封裝技術(shù)良好地解決了LED芯片的散熱問題；產(chǎn)品散熱片采用導(dǎo)熱性高的80片厚度為1mm銅合金暨片材料，輔以導(dǎo)熱銅管貫穿中心，使整燈散熱更快，溫升更低；燈具采用雙電源供電，均衡供電電流，有效減輕電路負(fù)載，提高設(shè)備工作的高可靠性；燈具整體經(jīng)過防水、防塵、防腐處理，燈具出光部分采用5mm鋼化安全玻璃，燈具電器一體化，外殼防護(hù)等級為IP65，具有深照型配光曲線；燈具總重量為8kg，屬于重量較輕的產(chǎn)品，可采用與廠房鋼梁剛性連接的安裝方式。產(chǎn)品色溫為5000K，透光性良好。WDSWII-LED400W型LED工廠燈外觀如圖2所示。

圖2　WDSWII-LED400W型LED工廠燈外觀Fig.2　LED luminaire facade of WDSWII-LED400W type

5.3電氣線路改造

確定了LED燈具產(chǎn)品，便可對改造區(qū)域進(jìn)行線路改造。通過線路改造一方面方便計量能耗，另一方面可以通過靈活的區(qū)域控制完成照明效果對比。為滿足要求，待改造區(qū)域和對照組區(qū)域照明應(yīng)由獨立配電箱負(fù)責(zé)，由此須將原配電方式改動。

原設(shè)計中，負(fù)責(zé)為待改造和對照組區(qū)域配電的配電箱安裝位置如圖1所示的中下部小區(qū)域云線標(biāo)示。改造工程選用的400W LED工廠燈可一對一替換原有的1000W金鹵燈，將改造區(qū)域燈具設(shè)置獨立配電箱，并附帶計量表計，使用編號ALED。對照組區(qū)域具有相同數(shù)量的1000W金鹵燈，設(shè)置配電箱編號為AMHL。

線路改造工作需要配合生產(chǎn)進(jìn)度，于切割車間相應(yīng)區(qū)域生產(chǎn)任務(wù)較少時安排，并于日間進(jìn)行。線路改造和隨后的照明燈具更換工作，相關(guān)車間不應(yīng)有工人在現(xiàn)場工作，設(shè)備也應(yīng)處于停機(jī)狀態(tài)。

5.4照明效果對比

以切割車間南側(cè)入口為視角，節(jié)能改造前后的實景照片，如圖3和圖4所示。

圖3　切割車間照明節(jié)能改造前實景照片F(xiàn)ig.3　Picture of curve plant before energy-saving rebuild

圖4　切割車間照明節(jié)能改造后實景照片F(xiàn)ig.4　Picture of curve plant after energy-saving rebuild

從圖3～圖4中地面參照物可以看出，使用LED燈具的照明效果較為優(yōu)秀。根據(jù)GB/T 5700—2008《照明測量方法》[14]，通過對相關(guān)區(qū)域的照度測試，ALED箱區(qū)域平均照度為218lx，而AMHL箱區(qū)域平均照度僅為91lx。根據(jù)切割車間施工圖設(shè)計要求，本車間設(shè)計照度值為150lx。ALED箱區(qū)域為新安裝的照明燈具，考慮維護(hù)系數(shù)0.7[3]，充分運行時照度值約為153lx，照度值能夠滿足設(shè)計要求。

附近使用傳統(tǒng)金鹵燈的區(qū)域照度值不能滿足設(shè)計要求的原因有很多：切割車間煙塵巨大，影響了燈具的出光效率；金鹵燈已運行多年，光源本身光衰非常嚴(yán)重；最初購置時未對光源和燈具相關(guān)指標(biāo)做出應(yīng)用環(huán)境下的具體要求。從圖3中也可以看出，節(jié)能改造前已使用多年的金鹵燈出現(xiàn)了明顯亮度不一的現(xiàn)象。

5.5節(jié)能效果對比

節(jié)能改造工程對ALED箱和AMHL箱設(shè)置了計量表計，可以方便的得到兩者的能耗數(shù)據(jù)。切割車間照明由工作人員手動控制，每天照明開啟和關(guān)閉時間隨天氣、季節(jié)、工作狀況等因素變動很大，兩個箱體因工作區(qū)域照明要求不同開關(guān)燈具的時間也有差別，因此在箱體內(nèi)安裝了計時鐘，以方便準(zhǔn)確記錄。

線路改造完畢計時鐘表底調(diào)整為零，經(jīng)過一段時間的計量，兩個箱柜每天使用時長均在14小時左右，其中ALED箱平均每小時耗電量約為5.7kW·h，而AMHL箱平均每小時耗電量約為12.3kW·h。可見，平均每小時ALED箱比AMHL箱耗電量約低54%，節(jié)能效果顯著。

AMHL箱負(fù)荷為15盞1kW金鹵燈，裝機(jī)容量為15kW，考慮上鎮(zhèn)流器的功率，其總功率應(yīng)更大；而實測功率約為12.3kW，可見金鹵燈在運行多年的情況下問題已很嚴(yán)重。

5.6節(jié)能改造總結(jié)

高大廠房照明節(jié)能改造，節(jié)能燈具的選用是關(guān)鍵，大量的前期調(diào)研工作是燈具選用的基礎(chǔ)；節(jié)能改造工作應(yīng)先示范后推廣，改造區(qū)域的選擇也要依靠前期的調(diào)研工作；電氣線路的改造關(guān)系到照明效果和節(jié)能效果兩個主要指標(biāo)的獲得，對照組的選擇十分必要。通過將兩種光源進(jìn)行照明效果和節(jié)能效果對比，可知LED光源應(yīng)用于高大廠房照明效果優(yōu)秀，節(jié)能效果顯著。針對已有高大廠房照明的節(jié)能改造，對新建廠房選用節(jié)能型燈具有重要的參考價值。

6結(jié)束語

我國船廠基建工作已接近尾聲，照明燈具的設(shè)計安裝工作也已使用傳統(tǒng)光源完成。目前，有些已投產(chǎn)使用的船廠企業(yè)有相關(guān)節(jié)能需求，希望通過節(jié)能改造將船廠車間中已有的傳統(tǒng)光源改造為LED光源。這就為LED照明在高大廠房的應(yīng)用拓展了空間。

本文提出的技術(shù)要點建立在大量的數(shù)據(jù)采集和設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上，尚未經(jīng)過嚴(yán)格的推理論證，而且有些要求可能隨著技術(shù)的成熟而變得無關(guān)緊要。不過在現(xiàn)階段的LED技術(shù)水準(zhǔn)下，本文提出的技術(shù)要求對于高大廠房照明節(jié)能設(shè)計和節(jié)能改造具有明確的指導(dǎo)意義。

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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

中圖分類號：TU113.6+6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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

基金項目：工業(yè)和信息化部——船舶企業(yè)能耗評價及監(jiān)控管理系統(tǒng)研究(船舶節(jié)能措施和節(jié)能技術(shù)研究)