1 引言

航天器試驗(yàn)廠房是衛(wèi)星和飛船研制、試驗(yàn)、總裝的主要場所，其內(nèi)部的照明環(huán)境對(duì)型號(hào)試驗(yàn)安全有序進(jìn)行起到非常重要的作用，照明系統(tǒng)是提供明亮、舒適的照明環(huán)境的重要保障設(shè)施。近年來，隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，為滿足日益增長的型號(hào)任務(wù)的需求，航天器試驗(yàn)廠房的建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，試驗(yàn)廠房燈光設(shè)備的配置也越來越多，燈光系統(tǒng)產(chǎn)生的能源消耗也越來越大。因此，如何節(jié)約能源，打造綠色航天器試驗(yàn)廠房的重要性日益凸顯。對(duì)于高大廠房燈光產(chǎn)品來說，隨著近年來LED光源技術(shù)的迅速發(fā)展，將LED光源應(yīng)用到高大廠房燈光產(chǎn)品中，已經(jīng)成為光源行業(yè)大力發(fā)展的方向。

2 照明系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

目前，航天器試驗(yàn)廠房照明系統(tǒng)主要采用大功率高壓鈉燈和金屬鹵化物燈(金鹵燈)的雙光源組合燈具，燈位距地標(biāo)高均在20m左右，最高可達(dá)25m。由于燈具的更新?lián)Q代，原雙光源產(chǎn)品購買困難，且雙光源系統(tǒng)存在發(fā)熱量大，燈具燒毀頻繁、維修更換難度大等一系列問題。部分雙光源燈具均已被單光源(金鹵燈)燈具取代。單光源照明系統(tǒng)雖解決了雙光源照明系統(tǒng)存在的部分問題，但仍存在一些問題主要表現(xiàn)如下：

1)照明質(zhì)量欠佳。

經(jīng)測量得知，航天器試驗(yàn)廠房內(nèi)最小照度為60lx，最大照度為168lx，廠房平均照度約為138.6lx，照度值已遠(yuǎn)低于QJ2574-93《衛(wèi)星總裝安全要求》及GJB2204A-2005《衛(wèi)星總裝通用規(guī)范》中“AIT大廳工作區(qū)內(nèi)照度應(yīng)不低于300lx”的要求，且單光源照明系統(tǒng)色溫不穩(wěn)定，光衰大，已無法為型號(hào)試驗(yàn)提供良好的照明環(huán)境。

2)能耗及維保成本高。

高壓鈉燈和金鹵燈均屬于高壓氣體放電光源，功率大能耗高，據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)廠房照明系統(tǒng)27盞混光燈一天的電耗約為518kWh(一天按24h計(jì)算);燈具維修更換困難，且頻繁的更換與維修需要更多的人力、物力，維護(hù)保養(yǎng)成本較高。

3)壽命短。

高壓鈉燈和金鹵燈的理論壽命約為5000小時(shí)，但電壓波動(dòng)、環(huán)境溫度、燃點(diǎn)時(shí)間等因素均會(huì)影響燈具的使用壽命。由于試驗(yàn)廠房吊頂內(nèi)溫度較高，燈具本身散熱性差，且未能做到“在24小時(shí)連續(xù)燃點(diǎn)后，每周必須關(guān)閉至少15分鐘”的使用要求，故燈具的實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于5000小時(shí)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，燈具的燈泡、鎮(zhèn)流器年燒毀率高達(dá)30%。

4)存在安全隱患。

由于金鹵燈及鎮(zhèn)流器點(diǎn)燃后要產(chǎn)生大量熱，燈具本身散熱性差，且試驗(yàn)廠房吊頂內(nèi)溫度過高等原因，使燈具、電纜等元器件的絕緣性能下降，存在火災(zāi)隱患;在更換與維修燈具的高空作業(yè)過程中存在安全隱患。

3 LED光源及優(yōu)越性

LED是“發(fā)光二極管”的縮寫，LED是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子器件，且具有二極管的特性。在一定條件下，它還具有發(fā)光特性，當(dāng)在發(fā)光二極管PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量釋放并以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)化成光能。

作為新型照明燈具，LED燈具相比于傳統(tǒng)燈具有著巨大優(yōu)勢，其主要優(yōu)點(diǎn)有：

1)發(fā)光效率高。

白熾燈光效為12-24lm/w、熒光燈50-70lm/w，大部分的耗電變成熱量損耗，而LED光效可達(dá)到50-200lm/w，而且發(fā)光的單色性好，光譜窄，無需過濾，可直接發(fā)出有色可見光。

2)節(jié)能。

LED單管功率0.03-0.06w，采用直流驅(qū)動(dòng)，單管驅(qū)動(dòng)電壓1.5-3.5v。電流15-18mA，反映速度快，可以高頻操作，用在同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈的萬分之一，熒光燈的二分之一。

3)壽命長。

白熾燈、熒光燈都是采用電子輻射發(fā)光，燈絲易燒，熱沉積、光衰減等特點(diǎn)，而LED燈體積小，重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強(qiáng)機(jī)械沖擊和震動(dòng)，不易破碎，平均壽命達(dá)10萬小時(shí)，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上。LED燈具使用壽命可達(dá)5-10年，可以大大降低燈具的維護(hù)費(fèi)用避免經(jīng)常換燈。

4)安全可靠性強(qiáng)。

LED燈具是完全封裝在環(huán)氧樹脂里面，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點(diǎn)。發(fā)熱量低、無熱輻射性，能精確控制光型及發(fā)光角度、光色、眩光、不含汞，鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。

4 應(yīng)用措施

LED照明在景觀照明中應(yīng)用較多，且技術(shù)較為成熟，但在高大廠房中應(yīng)用仍處于初級(jí)階段。為確保收獲良好的應(yīng)用效果，特將本次應(yīng)用安裝分階段進(jìn)行，嚴(yán)格按照方案論證、產(chǎn)品安裝、照度測試、數(shù)據(jù)分析幾步完成。

方案論證。為確保應(yīng)用方案的可行性，在安裝前對(duì)試驗(yàn)廠房進(jìn)行區(qū)域劃分與測量點(diǎn)布置，并對(duì)現(xiàn)有燈具的照度進(jìn)行了測量。并采用照明計(jì)算軟件DIALux對(duì)試驗(yàn)廠房LED照明系統(tǒng)的照度進(jìn)行模擬。將試驗(yàn)廠房幾何尺寸、燈具參數(shù)作為輸入，并選擇四角布點(diǎn)法對(duì)照度進(jìn)行測量，選取168個(gè)測量點(diǎn)，通過軟件模擬得出試驗(yàn)廠房各測量點(diǎn)的照度值，照度模擬效果見圖1。

圖1 照度模擬效果圖

產(chǎn)品安裝。對(duì)燈具進(jìn)行安裝調(diào)試。選用燈具產(chǎn)品為BGK300W-A型LED高懸掛燈，具體參數(shù)見表1。

表1 LED高懸掛燈參數(shù)表

安裝采取維持原燈孔數(shù)量及位置不變的方法，采用原有吊頂嵌入式暗裝對(duì)LED高懸掛燈進(jìn)行安裝，燈位平面圖見圖2。燈具的控制方式及導(dǎo)線均不做改動(dòng)。

圖2 燈位平面圖

照度測試。針對(duì)試驗(yàn)廠房測量區(qū)域采取“四角布點(diǎn)法”進(jìn)行測量。即在照度測量區(qū)域內(nèi)將測量區(qū)域劃分成矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格為邊長為3m的正方形，在矩形網(wǎng)格4個(gè)角點(diǎn)上測量照度，網(wǎng)格四角布點(diǎn)示意圖如圖3所示。

圖3 四角布點(diǎn)示意圖

針對(duì)測量區(qū)域而言，四角點(diǎn)指測量區(qū)域四個(gè)角落，共4個(gè)測量點(diǎn);邊線點(diǎn)指測量區(qū)域四條外邊線上的點(diǎn)，每條邊線上選取6個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)之間距離約為3米，共有24個(gè)測量點(diǎn);場內(nèi)點(diǎn)指對(duì)測量區(qū)域四條外邊線內(nèi)的測量點(diǎn)，每點(diǎn)之間距離約為3米，共有114個(gè)測量點(diǎn)。針對(duì)已布置好的測量點(diǎn)，嚴(yán)格按照測量條件在夜晚對(duì)照度進(jìn)行測量，按測量數(shù)據(jù)填寫照度測量計(jì)量表。由于新照明燈具存在散熱、光衰等問題，故本次測量試驗(yàn)需持續(xù)一段時(shí)間，擬定每周測量2次，至少持續(xù)8周。以保證把新?lián)Q燈具的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)充分暴露出來，以達(dá)到測量的目的。

數(shù)據(jù)分析。對(duì)照度測量值嚴(yán)格按四角布點(diǎn)法計(jì)算公式計(jì)算出平均照度及照度均勻度，并對(duì)不同燈具的參數(shù)、照明效果、節(jié)能效益進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析。

四角布點(diǎn)法的平均照度按式(1)計(jì)算：

式(1)

式中：

E——平均照度，單位為勒克斯(lx);

M——縱向網(wǎng)格數(shù);

N——橫向網(wǎng)格數(shù);

E□——測試區(qū)域四個(gè)角處的測點(diǎn)照度，單位為勒克斯(1x);

EΔ——除E□外，四條外邊上的測點(diǎn)照度，單位為勒克斯(1x);

Eo——四條外邊以內(nèi)的測點(diǎn)照度，單位為勒克斯(1x)。

照度均勻度按式(2)計(jì)算：

式(2)

式中：

U——照度均勻度(均差);

Em——最小照度，單位為勒克斯(1x);

E——平均照度，單位為勒克斯(lx)。

計(jì)算結(jié)果顯示采用LED高懸掛燈后工作面最大照度達(dá)470 lx，平均照度達(dá)到310lx。由此可見，試驗(yàn)廠房的照明質(zhì)量顯著提高，不僅保證了試驗(yàn)廠房照度值滿足QJ574-93《衛(wèi)星總裝安全要求》，而且色溫及顯色指數(shù)更加宜人，長期使用不會(huì)出現(xiàn)色差變化，無偏色現(xiàn)象。

5 節(jié)能分析

經(jīng)計(jì)算，在保證試驗(yàn)廠房照度要求的情況下，新型LED燈具用電功率大幅降低，節(jié)電率高達(dá)62.5%，節(jié)能效益分析見表2，最大限度的節(jié)省了電費(fèi)開支，且新型燈具的壽命成倍延長，大幅降低了燈具維修更換的人力、物力成本。

表2 LED燈與原燈具節(jié)能效益分析

通過以上計(jì)算得知，改用新型LED燈具后，由于用電功率大幅降低，該大廳每年可節(jié)省照明電費(fèi)約10.88萬元，維護(hù)費(fèi)1.5萬元，每年可節(jié)約總費(fèi)用達(dá)12.38萬元。

6 結(jié)束語

隨著LED光源技術(shù)的迅猛發(fā)展，LED光源在高大廠房中的應(yīng)用也得到了長足的進(jìn)步。不僅改善了航天器試驗(yàn)廠房的照明環(huán)境，加速了陳舊用電設(shè)備、落后工藝的更新?lián)Q代，還可以大大提高能源利用率，大幅度的降低能源損耗，從而高效地為型號(hào)試驗(yàn)保駕護(hù)航，使有限的能源用于更多的科研生產(chǎn)。若今后將LED照明技術(shù)與調(diào)光技術(shù)相結(jié)合，LED技術(shù)在航天器試驗(yàn)廠房中的應(yīng)用必將得到更大的發(fā)展。