降低铁路客站照明“全寿命”成本的探索及应用

2021-04-22中国铁路上海局集团有限公司土地房产部

上海铁道增刊 2021年1期

关键词：结温客站照明灯

李钢中国铁路上海局集团有限公司土地房产部

照明的全寿命周期（LCC-LED）理论就是灯具从采购-安装-寿命终结的全部过程，全寿命周期成本包含照明系统设置费（采购、安装）和维持费（运营）两大部分。

1 客站照明灯具使用现状

目前，中国铁路上海局集团有限公司共有办理客运高铁客站199 座，普铁客站552 座。随着使用年限的增加，客站的照明设施由于照度不足也经过了几轮的更换，铁路客站主要在用得照明灯具主要分为两类：传统光源和新型光源。

（1）传统光源：金卤灯、高压钠灯、荧光灯等。

（2）新型光源：LED灯。

以杭州东站为例，杭州东站目前灯具主要为金卤灯、钠灯和荧光灯三种，平均光通量已降到初始值的70%以下，特别是雨棚、候车室等高大空间灯具损坏后维修极其困难。这些原因使得高架候车室、站台雨棚、出站通道等主要旅客通行场所无法达到原设计照度标准要求，对旅客进出站及候车有较大影响。因此选择照明效率更高，寿命更长的照明灯具显得至关重要。

2 传统光源和新型光源对比

LED 灯具是以“发光二极管”技术生产的灯具，具有亮度高、能耗小的特点。LED 可以直接把电能转化为光能，相对于传统灯具的独立照明工作系统而言，LED 灯具内部的光源部分很小，容易固定，且具有很好的稳定性。

2.1 LED灯具性能优点

相对于传统灯具，LED 灯具主要有4大优势。

（1）节能环保。目前LED 灯具发光效率已达到120 lm/W，是白炽灯的八倍，是金卤灯的两倍。

（2）保护眼睛。LED 灯具实现了交流电向直流电的转化，无频闪现象。

（3）使用寿命长。LED 寿命可达5万小时以上，是白炽灯的50 倍，日光灯、节能灯的10倍。

（4）坚固耐用。LED 属于固体光源，具有很好的稳定性、抗震性。

2.2 LED灯具性能缺点

相对于传统灯具，LED 灯具也有部分缺点。

（1）电光转换效率低、发热量大。其输入的电能其实只有24%～34%会转化成需要的光能，其余的会有很大一部分会以非辐射符合的形式转变为热量。

（2）价格高。LED 是一类高科技产品，当前LED 芯片技术被少数国际巨头所垄断，造成LED 灯具的价格整体偏高。

3 客站全寿命周期模型

客站照明全寿命周期的模型目的主要是为了实现客站照明寿命周期内的总费用最优，从数据的角度，挑选出影响成本的关键因素，从而加以控制，达到进一步减少更换和运营成本。

灯具全寿命成本评价模型：简称LCC 模型，是以一个灯具更换周期为计算基础，全面考虑客站照明灯具系统设置（采购、安装）和维持（运营）两大部分，使全寿命周期内成本值最低。公式如下：

灯具全寿命成本：

式中C11 为照明灯具灯具采购成本，C12 为照明灯具灯具安装成本，C21为用电成本

3.1 铁路客站照明更换情况

目前铁路系统客站的灯具安装高度较高的能达到20 m 以上，尤其是大型及以上客站，故灯具的更换都需使用到高空平台作业车等施工机具，由于铁路运输的特殊性，每日施工时间仅为3-4 个小时左右，施工时间短，人工降效严重，一次灯具更换得到成本往往灯具本身的费用还要高。

以杭州东站照明灯具整治为例：使用传统灯具，安装费用约占总成本的55%，采购费用占比约为45%；使用LED灯具，安装费用占比约为53%，采购费用占比约为47%。因此无论是选用传统灯具还是选用LED 灯具，其安装费用基本已经持平于灯具本身的采购费用，灯具本身费用的敏感性已经比较低了，而灯具的单位总成本就更为重要。

3.2 降低的途径

从上述灯具全寿命周期成本模型来看，想要进一步降低全寿命周期成本LCC-LED 值，可从三个方面进行考虑。一是降低C11 照明灯具灯具采购成本，但目前LED 灯具价格总体上高于传统的灯具，无法降低；二是降低C12 照明灯具灯具安装成本，目前铁路客站，尤其是大型客站施工难度较高，且无论更换何种灯具，安装成本无法有效降低；三是降低C21 用电成本，目前同等照度下，LED与传统灯具相比有着明显的节能降耗的优势，可以有效做到降低单位能耗，降低寿命周期内的使用成本。

但其实在灯具全寿命成本评价模型中，C11为照明灯具灯具采购成本与C12为照明灯具安装成本是存在一定联系的，如图1 所示，每盏灯具的采购成本与安装成本可折算为单位使用成本，公式如下：

式中D 为单位使用成本，n 为使用年。

图1 杭州东站灯具单位灯具使用成本趋势分析图

如图1 所示，灯具单位使用成本总体上呈幂函数分布，刚开始3-4 年，随着年份的降低，单位使用成本有一个比较明显的降低过程，但随着年份继续增加，降低趋势区域缓和，最终趋于平缓。

以杭州东站灯具更换为例，假设灯具使用年限为10年，那使用到第6年时，其单位使用成本为250 元左右；第10 年时，其单位使用成本为150 元左右。假设灯具使用年限为5年，那对比看来前5年使用成本一致，第6 年以后，由于其灯具重新更换，新的安装费用与采购费用的增加，导致在第6 年时，其单位使用成本骤然增加到1 800 元左右，差价达到1 550 元左右；到第10 年时，其单位使用成本为450 元左右，差价仅剩300 元左右。说明，使用的时间越久，其单位使用成本越趋于平衡，降低空间越小。但从图中阴影部分可以看出，其重新更换增加的单位成本依然很巨大。

可以得出，当灯具的使用寿命可以被有效延长时，灯具的采购成本与安装成本也就变相的降低了，想要有效的降低全寿命周期成本LCC-LED 值，可通过提高采购产品的质量，延长寿命来实现。

4 影响LED灯具寿命的因素

从我们的应用和分析来看，影响因素有以下四点。

4.1 光源芯片质量对LED 灯具寿命的影响

光源芯片作为LED 灯具的核心，其质量差异直接影响LED 灯具寿命，质量好的光源芯片具有更低光衰，更高的裸晶亮度，更好的白平衡效果，更佳的色彩还原性。光源的光衰代表了其本身的寿命，行业内部标准为当光源的光衰超过30%时，代表光源寿命的终结，需对灯具进行更换。质量好的光源具有更长的光衰周期，使用时间更长。所以，在采购LED 灯具时，需对灯具的光源进行第一步把控，采购到质量上乘的光源芯片是把控好LED灯具质量的第一步。

4.2 散热效果对于LED 灯具寿命的实际影响

散热效果对于LED 灯具来说是非常重要的，散热不佳，会直接导致很多部件出现失灵的情况，严重的还会直接诱发危险情况的出现。功率较大的LED灯具，灯珠相对集中，产生热量更大，当LED 灯具中产生了大量的热量，而当这些热量无法及时的传导出时，灯具内部就会处于高温状态，而LED 作为半导体材料，对温度相对比较敏感，长期高温状态会导致LED 灯具内部的部件（芯片等）加速老化和损坏，直接造成LED 灯具寿命短缩。所以，想要延长LED 灯具的寿命，就必须让其拥有良好的散热途径。通过对LED 光源结温的测试，可以很直观的了解到LED 灯具的散热情况，同等情况下，结温越高，说明散热越差，光衰越早，寿命也就越短。如图2所示。

图2 某公司某款LED光衰曲线

从图2 中可以看出，LED 的光衰与光源的结温有直接关系，所谓结温就是半导体PN 结的温度，结温越高，光衰出现的越早。当结温为105℃时，光衰30%的寿命时间有10000 小时多一点；结温为95℃时，光衰30% 的寿命时间有20000 小时了；而当结温达到75℃时，光衰30%的寿命时间有50000 小时了。所以想要进一步延长LED 灯具的使用时间，关键就是要降低光源结温。以上数据只代表某一款芯片，想要获得LED 最佳的使用寿命，须获得相应光源芯片公司的光衰曲线图作为参考，利用光衰寿命选取最佳结温范围。

4.3 控制装置对LED灯具的寿命影响

灯具的控制装置作为LED 灯具的心脏，起到将正常交流供电转化为恒定直流后对LED 芯片进行供电。由于铁路客站工作电压可能存在波动以及灯具连续工作时间较长，以及部分工作区域温度较高，对控制装置的性能要求较高，为了保证灯具的寿命，控制装置需要选用工业级产品，须具有较宽的工作电压、稳定的电流输出，较高的功率因数和转换效率，良好的电磁兼容性，可靠地短路保护、过热保护、过载保护、空载保护、防雷冲击，防浪涌，低功耗，长寿命等特性。

4.4 外部环境对于LED 灯具寿命的实际影响

当LED 灯具安装位置为室内时，受外部环境影响较小，使用寿命较长，但当LED 灯具安装位置为室外时，其受外部环境影响较大。首先，外部环境中存在大量的灰尘，当灰尘进入灯具内部长期积累后会导致灯具的散热效率降低，从而进一步降低灯具使用寿命；其次外部环境存在大量雨水，若灯具本身没有任何防水能力时，雨水等的进入将会导致灯具内部线路短路而直接烧毁灯具。所以，LED 灯具的防尘防水功能是其在室外环境使用中不可或缺的功能。

目前IP 等级是针对电气设备外壳对异物侵入的防护等级，来源是国际电工委员会的标准IEC60529（见表1）。

表1 电气设备外壳对异物侵入的防护等级表

从表1 中可以看出，当防尘等级达到6 时，灯具可以达到完全防止粉尘进入的等级，当防水等级达到5 时，灯具基本可以达到对室外大量雨水的安全防护等级。所以，当灯具在室外环境长期使用时，建议防护等级达到IP65 以上较为合适。

另外，大气中 CO2、SO2、NO2或盐类溶解于灯具外壳金属表面水膜时，该水膜即成为电解质溶液，此时灯具外壳金属表面便会进行电化学腐蚀。为防止产生腐蚀，一般情况下便会在灯具外壳金属表面施加保护层，起到保护作用。灯具外壳保护所能抵抗腐蚀的能力便是日常所称的防腐等级，目前共有5 个等级，如表2所示。

表2 防腐等级

从表2 中可以看出，户内型防腐等级分为F1、F2 两种，户外型防腐等级分为W、WF1、WF2。户外型防腐等级要求是强于户内型的，WF2 也代表了最高防腐等级。所以，当LED 灯具用于室外场景时，可以根据防腐的需求选用相应的等级。考虑到铁路客站雨棚使用环境的复杂性和更换的高难度性，一般建议选用最高防腐等级WF2。