道路照明设计过程中光源的应用

2016-03-25张继强唐恺亮

城市道桥与防洪 2016年1期

关键词：显色性钠灯灯杆

张继强，唐恺亮

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司第十设计院，甘肃兰州73000）

道路照明设计过程中光源的应用

张继强，唐恺亮

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司第十设计院，甘肃兰州73000）

针对道路照明设计过程中光源选择与道路等级问题，通过对各类光源特性做简单分析比较，了解其适用范围，着重比较第二代光源高压钠光源与第三代光源LED光源在道路照明中应用的优缺点，并提出了相对应的解决方案。

道路照明；光源选择；道路等级；照明设计

0　引言

道路照明设计是建设城市功能照明的基础，为了城市道路照明获得较好的效果，满足《城市道路照明设计标准》（CJJ 45—2006）中照明设计指标对主干路、次干路及支路的相关要求，应避免城市道路照明采用光效差、节能效果不好、光色使用不当、舒适度差、使用寿命短、维护不方便的光源。对于设计人员正确了解光源特点是十分必要的。

本文通过对各类光源特性做简单分析比较，了解其适用范围，着重比较第二代光源高压钠光源与第三代光源LED光源在道路照明中应用的优缺点。

1　各类灯光源特点分析

1.1传统的高压钠灯光源

高压钠灯使用时发出金白色光，它具有发光效率高、耗电少、寿命长、雨雾天透雾能力强、不诱虫的优点，且价格比较便宜，运用比较成熟、光色为偏暖色。缺点是整灯光效低、显色性较差。广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明。

（1）对于开阔的道路、道路交叉口，由于高压钠灯瓦数越大光效越高的特点，因此适合采用大功率、高光效的高压钠灯光源路灯及中杆灯进行照明。对于宽阔、人员密集、照度标准高的中心广场，可采用大功率、高光效的高压钠灯光源的高杆灯进行照明。狭窄的道路、次干路、支路、公园等对照明指标要求较低的场所，采用小功率高压钠灯优势不明显，因为高压钠灯瓦数越小光效越低。除了采用小功率高压钠灯外，还可采用LED灯、金属卤化物灯、节能灯、无极灯等小功率高光效的灯具。

（2）寿命长、透雾能力强。高压钠灯使用寿命相对较长，平均寿命为24 000～40 000 h。实际上，用不同的材料做灯丝，会发出不同波长的光，当用钠做灯丝时，发出的光在同样的光强下，经实验其透雾性、透机动车尾气、透尘灰较大的空气都是相对较强的，因此高压钠灯适合做道路照明。

（3）高压钠灯相对于LED灯、太阳能LED灯比较便宜，目前LED灯价格是高压钠灯的1.3～2倍，太阳能LED灯价格是高压钠灯的2～3倍。

（4）高压钠灯的缺点是显色性较差，道路照明宜采用高显色性高光效高压钠灯。

1.2LED灯光源

LED灯作为路灯主要优点有：LED路灯作为第三代光源，属于新生事物，随着科技进步，其各项指标不断改进和提高，性价比也不断提高，在国家节能环保政策支持下，会广泛应用到道路照明中。

LED灯作为路灯主要缺点：第一，光衰较大。第二，发光效率还不够高。目前虽然试验室水平大功率白光LED的发光效率已经超过了100 lm/W，但量产的、性价比高的大功率白光LED发光效率还在80～100 lm/W，节能优势还没有充分发挥出来。第三，地面对LED光的反射率低。由于目前白光LED光谱特征，路面及周边物体对其反射率低，所以路面的亮度较低，与钠灯的黄光相比，这是它的一个弱点。第四，LED发出的光与自然光仍有一定的差距。白炽灯具有非常强的黄色光的成分，给人一种温暖的感觉，而白光 LED发出的白光带有蓝色光的成分，在这种光的照明下，人们的视觉不很自然。第五，虽然目前初步解决了LED路灯的散热问题，但半导体光源路灯目前正处于产业发展的开始阶段，在提高散热效率、驱动控制系统优化、配光设计方面还有非常大的提升空间，还有大量的研发工作需要深入开展。

1.3陶瓷金属卤化物灯光源

陶瓷金属卤化物灯简称陶瓷金卤灯，它是高压汞灯和高压钠灯相结合的产物，是在石英金卤灯基础上发展起来的，历经几十年的研发，产品已经很成熟。陶瓷金卤灯的主要特点有：（1）光效高、光衰小，视不同功率和结构，发光效率一般都在80～100 lm/W，且发光稳定。（2）显色性好。显色指数（Ra）一般都在65～95，且为暖白色。（3）色温稳定。色温3 000～5 600 K，且色偏差小，无论电源电压和使用环境如何变化，在寿命期内其色温变化小于200 K。（4）寿命较长。使用寿命可达15 000 h以上。

1.4无极灯光源

无极灯的主要特点有：

（1）光效较高、光衰小。视不同功率和结构，发光效率一般都在70～83 lm/W，且发光稳定。

（2）显色性好。显色指数（Ra）一般都在80以上。

（3）无论电源电压和使用环境如何变化，光通量变化小，很适合电压降变化较大、距离变压器较远的场所。

（4）寿命很长。使用寿命可达60 000 h，是所有成熟灯具中使用寿命最长的。

（5）功率为15～200 W，适合次干路或支路、公园照度不高的场所。

1.5低压钠灯光源

低压钠灯除了具有高压钠灯的一些特点外，与高压钠灯差别有：

（1）光效高、光衰小。视不同功率和结构，发光效率一般都在100～200 lm/W，且发光稳定。

（2）显色性差，发出黄光，适用于显色性要求不高的场所。

（3）功率为18～180 W，适合较大公园照度要求较高、显色性要求不高的场所。

1.6太阳能路灯光源

太阳能照明其实是一个光电转换系统，专业领域称为“硅晶片地面光伏组件”。工作原理是通过硅晶片接收太阳光线后转变为电能，然后储存在蓄电池中，再由光感开关进行控制。当天黑时能够自动点亮，天亮时又自动熄灭。太阳能灯是光电转换技术的一种应用产品，具有节能、环保、无需布线、智能控制、随时变换位置等特点。单晶硅或多晶硅太阳能组件的质量保证期为20 a，系统设计时每天10 h以上供电，考虑到当地阴雨天气，将平均多余的电能储存到蓄电池内，确保用户连续阴雨天有足够的电能使用等优点。主要缺点是由于蓄电池使用寿命平均为5 a左右，成为制约太阳能路灯普及的主要因素。

2　高压钠灯光源与LED光源比较

近年来，国内LED照明应用发展迅速，很多厂家相继推出了大功率LED路灯，并作为节能产品越来越多地应用于道路照明中。目前大功率LED路灯真的可以取代传统光源（主要是高压钠灯）吗？以下对大功率LED路灯的应用进行分析。

2.1LED路灯的节电效果

在很多采用LED路灯取代高压钠灯的案例中，节电是一个重要的因素。

从发光效率的比较来看，目前实际应用的大功率LED路灯的发光效率（80～100 lm/W）远低于高压钠灯（100～138 lm/W）。

从灯具效率的比较来看，LED是定向发光，高压钠灯通过反射膜将光聚集到地面，光线在灯具内反射过程中，要损失20%～30%，由此看来，LED灯具效率高于高压钠灯。

因发光效率低，LED路灯灯具（高端产品）综合能效比标准高压钠灯（低端产品）高20%左右，与高光效高显色性高压钠灯（高端产品）相当；LED路灯灯具（低端产品）综合能效与标准高压钠灯（低端产品）相当，比高光效高显色性高压钠灯（高端产品）低20%左右。在一些证明LED路灯取代高压钠灯获得节电效果的案例中，据分析，这些案例往往是原有路灯功率偏高（亮度严重超标）或灯具效率低，光源严重衰减。目前LED路灯产品质量参差不齐，缺乏必要标准和参数，简单推断所有LED路灯节电并不科学，只有在光效进一步提高，配套技术进一步改进，达到国际主流品牌标准时，才能谈得上节电，但从发展的观点看，LED路灯有良好前景。

2.2LED路灯的光色问题

目前大功率LED路灯基本上是采用5000～6000K色温的白光，作为道路照明光源，在视觉感觉上过分阴冷，下雨天、雾天，LED灯光线穿雾能力不强，同时远视时眼睛的观察能力会下降，在这方面的一些研究中证明，低于3 000 K的黄光或暖白光是比较适合道路照明的，因此高色温的LED路灯不适合做路灯。因此，LED路灯推广不宜激进，不宜全面替换（特别是主干道），恐引发后遗症，在遇到极端天气或同时大批量坏灯或严重光衰时，影响道路安全。

2.3LED路灯目前的成本还远于高压钠灯

一款全进口飞利浦整套100 W/LED光源灯具3 100元+11 m灯杆1 500元=4 600元；全进口飞利浦整套150 W/LED光源灯具3 960元+11 m灯杆1 500元=5 460元；全进口飞利浦整套180 W/LED光源灯具4 500元+11 m灯杆1 500元=6 000元；交叉口用的大功率全进口飞利浦整套210 W/LED光源灯具5 000元+13 m灯杆1 900元=6 900元。

另一款半进口（驱动电源及芯片）飞利浦整套100 W/LED光源灯具1 600元+11 m灯杆1 500元= 3 100元；半进口（驱动电源及芯片）飞利浦整套150 W/LED光源灯具2 500元+11 m灯杆1 500元= 4 000元；半进口（驱动电源及芯片）飞利浦整套180 W/LED光源灯具3 040元+11 m灯杆1 500元= 4 540元；交叉口用的大功率半进口飞利浦整套210 W/LED光源灯具3 580元+13 m灯杆1 900元=5 480元。

对于高端高压钠灯产品，有一款全进口飞利浦整套100 W/高光效高显色性高压钠灯光源灯具900元+11 m灯杆1 500元=2 400元；全进口采用飞利浦整套150 W/高光效高显色性高压钠灯光源灯具1 200元+11 m灯杆1 500元=2 700元；全进口飞利浦整套250 W/高光效高显色性高压钠灯光源灯具1 500元+11 m灯杆1 500元=3 000元；交叉口用的大功率全进口采用飞利浦整套400 W/高光效高显色性高压钠灯光源灯具2 100元+13 m灯杆1 900元=4 000元。

对于低端普通高压钠灯产品，有一款国产品牌100 W/标准高显色性高压钠灯光源灯具600元+11 m灯杆1 500元=2 100元；国产品牌150 W/标准高显色性高压钠灯光源灯具800元+11 m灯杆1 500元=2 300元；国产品牌250 W/标准高显色性高压钠灯光源灯具1 100元+11 m灯杆1 500元= 2 600元，交叉口用的大功率国产品牌400 W/标准高显色性高压钠灯光源灯具1 500元+13 m灯杆1 900元=3 400元。

目前一套进口品牌的高压钠灯（含灯具、成套电器光源）价格在2 400～4 000元，一套进口品牌的LED灯价格在3 000～8 000元，甚至更高，平均价格是全进口LED路灯的1/2，是半进口LED路灯的0.75倍左右。

由于高端LED路灯的价格是低端普通高压钠灯的1.6～2倍，即使LED路灯的耗电量仅是高压钠灯的2/3，但由于价格比高压钠灯高许多，用LED代替高压钠灯成本回收周期仍然会很长。

2.4使用寿命比较

LED路灯标称使用寿命是5万h以上，这是芯片的理想寿命，芯片的封装、灯具散热等因素都可能光衰减，还有驱动电路（以电子元器件为主）的寿命显然也不能达到5万h，许多国产LED驱动电路装置寿命只有1万h左右。在曾经试用的部分LED路灯中，就发现半个月不到，灯具的衰减已经非常明显。高压钠灯标称寿命目前已经超过2.8万h，实际应用3～4 a问题不大，相比之下，LED灯由于其芯片等部件的“短板”，其寿命上的问题更多。对光源的维护，高压钠灯要容易得多，可在现场直接更换光源电器，成本也较低，而对于LED路灯则需要整灯拆卸，修复故障后重新安装，现场维护无法进行。

2.5LED路灯的配光问题

目前LED路灯的配光技术已经有了很大发展，有些厂家已经开发出二次配光系统，而不再是单纯依靠芯片排列来配光。对灯具间距布局较大时，二次配光采用矩形配光或蝙蝠翼型配光；对路面亮度和均匀度均有要求时，采用朗伯型配光，向路面投射矩形光束；对交叉口，用大功率光源，采用聚光型配光，向交叉口中心投射光束。综合来看，配光还不能做到完全合理。曾观察一款灯具，在道路侧的配光较亮，均匀度也满足要求，但人行道侧亮度明显不足，环境比（SR）值明显不符合要求，人行道需要增设LED灯光源。

2.6LED路灯的规格问题

LED路灯在产品规格方面缺少统一的技术标准，目前还没有统一的LED路灯生产技术标准，只有地方标准。标准滞后，每个厂家按自己的标准生产自己的产品，彼此间是很难通用的，另外LED路灯多芯片组装工作的特性使芯片和灯具捆绑在一起，难以维护，维护时必须使用原厂产品。高压钠灯由于技术标准的统一，灯具、光源、电器方面通用性较强，不同厂家之间的产品是可以互用的，从维护角度考虑，这是非常重要的，而维护对于路灯管理单位来说则又是重中之重，只有这样才可以及时对熄灭路灯进行维护，保证高的亮灯率（上级部门对路灯管理考核中最重要的一项内容），同时大大降低维护成本。

2.7款式比较

传统高压钠灯功率可选性差，只有1 000 W、400 W、250 W、150 W、100 W、70 W，不能针对不同道路等级、不同路宽，采用相应的光源，造成能源的浪费或不足。LED路灯款式多种多样，可根据需要任意配置，主要款式有240 W、210 W、180 W、150 W、120 W、100 W、80 W、60 W、50 W、40 W、30 W、20 W，能针对不同道路等级、不同路宽，采用相应的光源，不造成能源的浪费。这也是LED路灯的优点。

从目前的发展状况来看，LED路灯是无法维护的，一旦出现故障，只能整个灯具进行更换，除了高额成本外，维护的时间也要大大延长，这对使用单位来说是非常不利的。LED照明是一项正在发展的技术，其光效在不断的提高、成本不断下降，但目前要全面取代传统高压钠灯作为路灯照明还不是时候，所以在建设部颁发的《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》、城市道路照明专业委员会《贯彻“十一五”城市绿色照明工程规划纲要实施细则》等政策性文件中，明确路灯节能光源还是以高压钠灯为主，LED则推荐在城市景观照明中应用。

2.8经济技术比较

高压钠灯为气体放电灯，具有功率越高光效越高的特点，而LED路灯光效不随功率变化而变化，一般与整体配置有关，目前绝大部分产品光效为80～100 lm/W，极少有120 lm/W。

从经济、节能角度出发，对于路宽25 m以上的主干路平均照度需要达到20 lx以上，推荐采用250 W、400 W高光效高显色性高压钠灯光源；对于20～25 m路宽的主干路平均照度需要达到20 lx以上，推荐采用250 W以上高光效高显色性高压钠灯光源或采用国际主流品牌高光效180 W/LED灯光源（高端产品）；对于路宽14～16 m的支路平均照度需要达到10 lx，采用150 W以下普通高压钠灯，因光效较低，综合能耗较高，推荐采用国际主流品牌高光效100 lm/W的LED灯光源（高端产品）；对于路宽7～14 m的支路平均照度需要达到10 lx，采用100 W以下普通高压钠灯，因光效较低，综合能耗较高，推荐采用国际主流品牌高光效100 lm/W的LED灯光源（高端产品）。

LED路灯作为第三代光源，属于新生事物，在节能、环保、绿色的趋势下，在政府的大力支持下，在性价比不断提高下，在关键技术日趋成熟的情况下，二次配光和散热等研究已引起厂家更多重视，主流企业把LED路灯作为自己的主业，加强科技投入，并取得了可观的工程经验。随着科技进步，LED路灯将逐步成为路灯的主流产品，推荐采用国际主流品牌高光效100 lm/W以上/LED路灯。