LED道路照明燈具光度數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析 (續(xù)篇)

王曄 陳超中 施曉紅

(國家燈具質量監(jiān)督檢驗中心 國家電光源質量監(jiān)督檢驗中心 (上海)上海時代之光照明電器檢測有限公司，上海 200233)

本文對2009年下半年的100個LED路燈的光性能質量進行持續(xù)性的統(tǒng)計分析，是2009年度中期“LED道路照明燈具光度數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析”的續(xù)篇。這些數(shù)據(jù)是評價LED路燈光度性能質量現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎。希望能用發(fā)展的角度去看待LED路燈的現(xiàn)有水平，為提高和改進我國的LED路燈的質量提供一些相關信息，為各級道路設施管理部門的規(guī)劃提供客觀的參考數(shù)據(jù)。統(tǒng)計工作的總結已表明，對LED路燈進行持續(xù)性的數(shù)據(jù)總結是非常必要的。從出現(xiàn)LED路燈到目前為止僅3年時間，雖然LED路燈在各方面的進步非?？欤容^已使用近半個世紀的高壓鈉燈和金屬鹵化物燈來說，LED路燈應該經(jīng)受更長時間的考驗，不斷改善質量，才能逐漸被照明行業(yè)認可。本文的數(shù)據(jù)歸類統(tǒng)計的方法仍使用美國能源部 (DOE)出版的SSL燈具符合能源之星的合格判據(jù)。

本文的分析涉及LED路燈的光度學性能，包括燈具的光輸出、沿道路的縱向光分布、沿道路的橫向光分布、C－90°和 C－270°的配光對稱性、光束均勻度和截光水平，同時還分析了燈具的能效。本文未涉及LED路燈的色度性能和光輸出維持率。

本文的數(shù)據(jù)來自我們在2007年至2009年年底所測得的200個功率在50W～200W左右、機動車道用、桿高8m及以上的懸臂式LED道路照明燈具的光度學數(shù)據(jù)，這些LED路燈所涉及的功率分布見圖1。圖1將LED路燈的功率由高至低分成四檔，其中除了100W～150W的燈具比例在提高，其他三檔都在持續(xù)降低，到目前為止，這個功率范圍的路燈已占有最高比例。

本次統(tǒng)計增加了來自深圳、遼寧和芬蘭的路燈，這些樣本數(shù)據(jù)對于反映LED路燈的情況具有代表性，樣本產(chǎn)地覆蓋的地區(qū)及數(shù)量分布見圖2。

圖1 燈具功率分布

圖2 覆蓋的地區(qū)及數(shù)量分布

1 被測燈具的光輸出

光輸出也稱光通量，研究LED的光通量是為了分析目前LED燈具光輸出能力，并根據(jù)道路照明國家標準規(guī)定的照明標準值，對相關LED路燈光輸出值所適用的道路條件進行預測。

檢測數(shù)據(jù)的說明

城市中的機動車道路分為快速路或主干路、次干路和支路。路燈的光通量是保證路面達到道路照明標準要求的照明水平的基本條件。

根據(jù)國家標準對各類道路照明水平的要求，我們將LED路燈的光輸出 (單位lm)分為<2300、2300～4000、4000～5000、5000～7500、7500～9000、9000 ～10500、10500 ～12000、12000～13500、13500～15000和 >15000 10個區(qū)段，檢測結果給出的落在各個區(qū)段的LED路燈的數(shù)量及其統(tǒng)計見表1和圖3，要說明的是光通量最小值2300lm也參考了DOE給出的LED路燈光通量的最小值。

圖3 光輸出水平統(tǒng)計

表1 光輸出的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

●最小值2300 lm:支路是次干路與居住區(qū)道路之間的連接道路。滿足雙車道支路的照明水平，燈具的初始光通量應達到2300 lm。

●2300～4000 lm:次干路是城市中與主干路結合組成路網(wǎng)、起集散交通作用的道路，其照度要求達到10lx。滿足次干路二車道至三車道的照明水平，燈具的初始光通量應達到2300～4000lm。

●4000～5000lm:滿足次干路四車道的照明水平，燈具的初始光通量應達到4000～5000lm。

●5000～7500lm:主干路是連接城市各主要分區(qū)的干路，采取機動車與非機動車分隔形式。機動車在主干路上的行駛速度比次干路快，照明水平比次干路高，其照度要求達到20lx。滿足主干路二車道的照明水平，燈具的初始光通量應達到5000～7500lm。

●7500～9000lm:滿足主干路三車道的照明水平，燈具的初始光通量應達到5000～7500lm。

●>9000lm:達到主干路四車道的照明水平，燈具的初始光通量應達到9000lm以上。以照度達到30lx計，路燈單側布置時，燈間距 (D)為12m，則光通量為:［30×D× (2×3.5+2×3.5)+15×D× (5+5)=9000×0.8］，以雙側對稱布置時，燈間距為24m。以此類推，大于10500lm的光通水平達到五車道的照明需求，大于12000lm的光通水平達到六車道的照明需求。

根據(jù)2009年下半年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計的需要，又增加四個光通量水平的統(tǒng)計類別，它們是:10500～12000lm、12000～13500lm、13500～15000 lm、>15000 lm。在這增加的光通量范圍內(nèi)，燈具占有的比例總共達到13%，這些LED路燈的光通量水平已能達到六車道甚至八車道的需求。

從2007年至2009年總的趨勢來看，小于5000lm的路燈比例在不斷減少，從2007年占有80%，2008年占46.3%，2009年上半年 22.4%，至2009年下半年下降至16%，下降速率約50%。

5000～7500lm是滿足主干路兩車道照明需求的最低光通量，目前處于這個光通量區(qū)域的燈具比例在不斷提高，達到最高比例34%。

2 被測燈具的光分布情況

按IES對燈具光度分布的分類方法，路燈的縱向光分布可按短投射配光、中投射配光或長投射配光分類，沿道路的橫向配光的分類的方法是以50%最大光強的曲線覆蓋區(qū)域的位置進行的，沿道路橫跨線，將道路表面分割成四個縱向寬度，即Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類。圖4是各種光分布燈具用于車行道的示意圖，圖5是一個Ⅲ類－中投射燈具的在半空間和道路上的等光強圖例。

LED路燈的光分布應按照IESNA的分類方法。

2.1 被測燈具縱向光分布的情況

圖6和表2是被測燈具縱向配光情況的統(tǒng)計。

圖4 用不同類型燈具的車行道正視圖 (部分來自第9版IESNA照明手冊的圖22－6)

圖5 一個Ⅲ類-中投射燈具的在半球和道路上等光強圖 (部分來自第9版IESNA照明手冊的圖22-7)

圖6 沿道路縱向的配光類型統(tǒng)計

表2 沿道路縱向的配光的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

延續(xù)了2008年至2009年上半年的趨勢，2009年下半年短投射的比例又有所提高，近投射的比例再次出現(xiàn)降低。但總的來說，近投射的路燈仍超過一半，它們不適于用作道路照明。數(shù)據(jù)反映中投射路燈的數(shù)量太低，檢測樣本中暫無長投射路燈。

2.2 被測燈具沿道路的橫向光分布的情況

圖7和表3是橫向配光的情況。

(1)車道數(shù)與橫向配光

道路照明燈具的橫向配光決定了燈具適用的車道數(shù)。

●光束照到Ⅰ類縱向寬度，路燈可以用于2車道;

●光束照到Ⅱ類縱向寬度，路燈可以用于4車道;

●光束照到Ⅲ類縱向寬度，路燈可以用于6車道;

●寬過Ⅲ類寬度的是第Ⅳ類，路燈可用于超過6車道。

圖7 道路橫向的配光類型統(tǒng)計

表3 橫向配光的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

應按車道的數(shù)量配用適宜的橫向配光類型的路燈，如某一Ⅱ類橫向配光的路燈的正確應用是4車道，那么如果錯誤的用于2車道，就會有較大比例的光通量照射到道路以外的區(qū)域，光通量的利用率降低，LPD值會受到影響。

(2)目前LED路燈的橫向配光情況

2009年下半年較2009年上半年，窄配光的比例再次降低，比例值減少4%，Ⅱ型配光的比例提高4.8%。令人欣喜的是出現(xiàn)了達到Ⅲ型配光水平的路燈。但是，窄配光的路燈仍然占有半數(shù)以上，這些路燈的照明質量難以滿足要求。

2.3 C-90°和 C －270°的配光對稱性

道路的縱向延伸特性，以及路邊區(qū)域和屋邊區(qū)域的不同照明需求，使得路燈應具有特殊的配光形式。滿足道路被照亮的同時、道路邊界線旁的屋邊也適當照亮的要求，體現(xiàn)在道路照明標準中的SR值。

路邊需要的光通量多，而屋邊需要的少，所以路燈在滿足上述光度特性以外，還應合理分配路邊和屋邊的光通量，即 C-90°和 C-270°的光通量。測量得到的燈具配光圖中 C-90°和 C-270°平面的配光曲線不能簡單得處理成對稱形式，否則，將造成燈具光通量分配不合理、利用系數(shù)不高，從而降低燈具的照明效率。

至2009年下半年，非對稱的配光比例與上半年比較有提高，保持著持續(xù)上升的勢頭，如圖8所示。2009年下半年非對稱占有43.4%，且最大光強全部投向路邊，但對稱型配光仍然超過一半。對稱型配光適用于懸吊在道路中間的路燈，而且需要相應的安裝結構，對于燈桿式路燈來說，這種配光是不合理的，造成光通量的浪費，如果通過提高仰角來改善路邊、屋邊的光通比，也會因此增加眩光的程度。

圖8 配光對稱性統(tǒng)計

3 光束均勻度

3.1 最大光強的γ角

最大光強的γ角位置與道路照明的均勻度有關，包括照度均勻度和亮度均勻度。DOE給出的標桿是最大光強處于55°～65°區(qū)域內(nèi)。

與路面照度相比，路面亮度均勻度能對駕駛員觀察結果產(chǎn)生更客觀的影響。路面亮度與觀察角度有關，還與路面材料有關，當最大光強在垂直面內(nèi)的投射角度達到65°～75°時，路面的亮度均勻度可達到比較高的水平。

圖9和表4是測得的道路燈具最大光強所在γ角位置的數(shù)據(jù)。

圖9 最大光強在γ角的位置統(tǒng)計

數(shù)據(jù)分析表明，國內(nèi)的LED路燈最大光強所在的γ角偏小，達到等照度配光要求，最大光強所在的γ角位于55°～75°的數(shù)量只占23.5%。特別是在2009年以前，LED路燈中絕大多數(shù)的最大光強投射角度都比較小。幾年的數(shù)據(jù)表明達到55°～65°的比例在逐步上升，2007年和2008年只占10.0%和4.9%。2009年上半年則快速提高到了22.4%，2009年下半年，最大光強 γ角的數(shù)據(jù)又有提高，55° ～ 65°、65° ～ 75°水 平 的 路 燈 兩 者 比例之和由2009年上半年的26.5%提高至31%。最大光強γ角較低的路燈比例由2009年上半年的73.5%降低至69%，仍占有較大比例。但就從這一類γ角較低的路燈里去分析，也能看到數(shù)據(jù)是在進步的。比如，其中 45°～55°路燈的比例增加了6.6%，而0°～45°的比例是在降低的。

表4 最大光強的γ角位置的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2 燈下點附近25°范圍內(nèi)的光強和最大光強的比值 I0－25/Imax

圖10和表5是I0－25/Imax測試結果的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖10 I0－25/Imax 統(tǒng)計

表5 I0－25/Imax的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

I0－25/Imax和最大光強的γ角是評價照明均勻度的兩個方面。雖然最大光強的γ角55°～65°、65°～75°的路燈比例不斷的提高 (見圖10)，但2009年下半年的數(shù)據(jù)顯示I0－25/Imax的值位于之間的比例升至 87% ，I0－25/Imax的水平在降低，I0－25/Imax為 0.5 ～1路燈的配光里有許多光通量集中在了0°～25°的燈下區(qū)域內(nèi)，光強變化不夠大，將降低照度均勻度和亮度均勻度。

由于光強的變化不夠大，此類配光形式會導致下述情況:

●每個路燈的照射面積較小;

●燈下點較亮，燈下點周圍較暗。

●為得到均勻的照明效果，將導致LPD值的升高。

4 截光水平

4.1 截光水平的相關概念

眩光來源于路燈直接射入眼睛的光線。為了改善眩光對視覺的不良影響，要求道路照明燈具具有截光控制措施。從駕駛員的觀察位置和觀察方向分析，路燈垂直面上80°～90°的光輸出會直接射入眼睛造成眩光，所以應將這個區(qū)域的光通量限制在10%以內(nèi)。

4.2 80°～90°的環(huán)帶光通

統(tǒng)計樣本的檢測數(shù)據(jù)表明，LED路燈垂直面上80°～90°的光通量 φ80－90的比例基本低于總光通∑φ的10%，如圖 11和表6所示。2009年下半年，LED路燈的 φ80－90>10%的比例有增大的現(xiàn)象，主要原因是最大光強投射角度提高的同時增大了φ80－90。

表6 80°～ 90°環(huán)帶光通 φ80－90的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4.3 80°～90°的光強

造成燈具眩光的另一個重要因素是垂直面上80°～90°的光強太大。DOE給出的標桿是 80°～90°的光強I80－90不超過最大光強Imax的5%。

檢測統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，到2009年下半年53%的LED路燈滿足 I80－90/Imax≤5%，幾年來第一次超過I80－90/Imax>5%的比例。圖 12和表 7是 80°～90°光強測試結果的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖11 80°～90°環(huán)帶光通統(tǒng)計

圖12 I80－90/Imax統(tǒng)計

表7 80°～90°光強的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5 燈具能效

5.1 燈具能效的概念

燈具能效 (EOL)是指在燈具的聲稱使用條件下，燈具發(fā)出的總光通量與其所消耗的電功率之比。假設傳統(tǒng)150W及以下高壓鈉燈燈具的照明利用系數(shù)為0.7、燈具效率為0.7時，燈具能效約為50 lm/W，DOE提出LED路燈的EOL應不小于50lm/W，它是LED路燈能與傳統(tǒng)光源路燈比較的門檻。

5.2 檢測數(shù)據(jù)分析

a.LED燈具的能效水平正在提高

從2007年至2009年下半年，低能效的路燈比例在不斷地下降，到目前為止，EOL<40和40≤EOL<50的路燈比例已降低至4%和17%，如圖13和表8所示。2009年下半年的數(shù)據(jù)顯示，60≤EOL<70的路燈比例由16.3%提高至27%。另有2%的LED路燈能效超過了80lm/W。

表8 燈具能效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖13 燈具光效統(tǒng)計

6 總結

在2009年下半年的100個LED路燈中，有一個LED路燈滿足了上述路燈的所有要求。此路燈的功率是84.1W，光通量達到5500lm，配光類型屬于短投射、Ⅰ類，光效達到65.5lm/W，配光圖見圖14。

在之前統(tǒng)計的100個LED路燈中，達到上述光度性能指標的LED路燈有兩個。比起上一次統(tǒng)計結果，2009年下半年的合格數(shù)沒有提高，反而是降低的。

圖14 達到標桿要求的燈具配光

2009年下半年，雖然大多數(shù)路燈的質量參數(shù)在不斷提高，卻很少有路燈能符合所有的路燈配光要求。有許多有潛力的燈具都只有一項未符合要求。從下半年的數(shù)據(jù)分析，有三種情況造成某項參數(shù)的不符合:

其一，在垂直角度0°～25°的區(qū)域內(nèi)光通量比較高，I0－25/Imax的值達到0.5～1.0的比例占有87%。有一些路燈的最大光強γ角、截光水平、光效和縱向、橫向配光類型都符合要求，卻忽略燈下點附近光通量的控制。

其二，最大光強γ角在不斷提高的同時，給80°～90°區(qū)域內(nèi)的光強控制增加了難度。一些不合格路燈的情況是靠近80°位置的光強值超出了截光水平。

其三，C-90°(路邊)和 C-270°(屋邊)對稱的配光占有較大的比例。有不少路燈的縱向、橫向配光類型可以達到要求，最大光強γ角和照明均勻度的指標也都能達到要求。卻將配光簡單地設計成

C-90°和C-270°對稱形式，沒有考慮道路的特殊照明要求。

總之，在2007年至2009年檢測的200個LED路燈中，共有3個LED路燈能夠滿足上述的全部要求，合格率僅為1.5%。所測的LED路燈質量離DOE的標桿要求相差甚遠，有待大大地提高。

［1］王曄，陳超中，施曉紅.LED道路照明燈具光度數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析.照明工程學報，2009，20(3)

［2］GB/T24827—2009.道路和街路照明燈具性能要求