LED路燈節(jié)能改造工程的實測與分析

張　航，陳國福，宋開偉

(重慶市建筑科學研究院，重慶　400015)

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LED路燈節(jié)能改造工程的實測與分析

張航，陳國福，宋開偉

(重慶市建筑科學研究院，重慶400015)

摘要：重慶市渝北區(qū)對轄區(qū)范圍內(nèi)的部分主、次干道高壓鈉燈進行了LED節(jié)能改造。本文針對道路現(xiàn)場燈具更換前后的照度、亮度、實際節(jié)電率等進行了測量和分析，對比研究得出了LED與高壓鈉燈的實際使用效果。研究表明，經(jīng)LED路燈節(jié)能改造后，道路照明情況改善，照度、亮度及均勻度提高，實際節(jié)電率達50%以上。

關鍵詞：節(jié)能；LED路燈；照度；均勻度；節(jié)電率

引言

重慶市是國家科技部推出的“十城萬盞”半導體照明應用示范試點城市之一，為了積極響應并推行節(jié)能減排、發(fā)展綠色照明，渝北區(qū)于2014年初啟動了LED路燈節(jié)能改造工程，并委托重慶市建筑科技研究院(以下簡稱“我院”)對部分重點道路改造前后的照明質(zhì)量及節(jié)能效果進行了現(xiàn)場測試。

城市道路照明關系到車輛和行人安全、社會治安安全、市容景觀環(huán)境形象等，是影響城市居民生產(chǎn)生活質(zhì)量的民生工程。以LED路燈為代表的半導體照明技術日新月異，產(chǎn)品種類繁多，但用于城市主、次干道等重點道路，其是否滿足CJJ45—2006《城市道路照明設計標準》[1]，與高壓鈉燈相比照明、節(jié)能效果如何，只有通過現(xiàn)場測量、對比分析才能發(fā)現(xiàn)。本文對渝北區(qū)LED路燈節(jié)能改造工程進行實測分析，為適用于重慶市道路照明的LED產(chǎn)品設計選型和工程建設積累經(jīng)驗。

1現(xiàn)場實測

1.1工程概況

渝北區(qū)路燈LED節(jié)能改造工程包括回興片區(qū)、兩路片區(qū)、龍溪片區(qū)、空港工業(yè)園區(qū)、臺商工業(yè)園區(qū)、農(nóng)業(yè)科技園區(qū)、空港新城等7大區(qū)塊，共計16條重點道路。城區(qū)道路原有燈具為：400W鈉燈約11063盞、250W鈉燈約7479盞、150W鈉燈約235盞，共計約18777盞。根據(jù)該工程設計文件，節(jié)能改造方案不改變原有布燈方式、燈桿間距和布燈高度，僅采用相匹配的LED燈具進行一比一替換原有燈具，與原有400W、250W、150W鈉燈匹配替換的LED燈依次為240W、120W、80W，LED燈具由重慶某公司生產(chǎn)。以400W鈉燈和240W LED燈為例，燈具的光學性能如表1所示。我院現(xiàn)階段已完成5條重點道路的照明測試，道路基本信息如表2所示。

表1　燈具的光學性能

表2　實測道路基本信息

1.2測試方案

根據(jù)《城市道路照明設計標準》(CJJ 45—2006)和《城市照明節(jié)能評價標準》(JGJ/T 307—2013)[2]，選擇路面平均照度、照度均勻度、平均亮度、亮度總均勻度、亮度縱向均勻度、實際節(jié)電率作為測量指標。照度、亮度等照明參數(shù)以每條道路2個測區(qū)所測值的平均值作為最終值，實際節(jié)電率以單側連續(xù)30根燈桿所形成回路的改造前后實際消耗功率之比確定，單側不足30根的以實際燈桿數(shù)為準。根據(jù)所測道路相應指標是否符合設計要求、與改造前相比提高率等評價道路照明效果。

1.3組織實施

我院于2014年6月—12月對改造前后的5條重點道路進行了現(xiàn)場測試，根據(jù)《照明測量方法》(GB/T 5700—2008)[3]中相關要求，道路現(xiàn)場照明測量范圍選擇在燈具的間距、高度、懸挑、仰角和光源的一致性等方面能代表被測道路的典型路段，同一側兩根燈桿之間為一個測區(qū)，橫向根據(jù)路寬和布燈方式選取，采用中心布點法，以矩形網(wǎng)格為單位測區(qū)(長=燈桿間距/10，寬=單車道寬度/3)，改造前、后測區(qū)一一對應。測區(qū)劃分、照度、亮度、功率測試見圖1～圖4。測量所用主要儀器設備：50m皮尺、XYI-Ⅲ一級全數(shù)字照度計、XYL-Ⅲ一級全數(shù)字亮度計、智能電量測量儀等。

圖1　照度、亮度測區(qū)劃分示意圖Fig.1　The test area’s diagram illumination and brightness

圖2　照度測量Fig.2　Illumination measurement

圖3　亮度測量Fig.3　Brightness measurement

圖4　實際消耗功率測量Fig.4　Real power consuonption measurement

2結果與討論

2.1照度

2.1.1平均照度

每條道路有2個測區(qū)，以相鄰兩燈桿的燈桿編號表示，各測區(qū)平均照度值為該測區(qū)所有測點照度的平均值。根據(jù)相應的道路等級，參照CJJ 45—2006選擇設計值，平均照度提高率為2個測區(qū)的平均值。改造前后各道路平均照度實測值及平均照度提高率試驗結果見表3所示。

表3　改造前后各道路平均照度Eav試驗結果

注：表中“/”左側為低檔值，右側為高檔值。

常用照度的計算值為平均照度，CJJ45中規(guī)定的平均照度(或亮度)值是維持值，它是在計入光源計劃更換時光通量的衰減以及燈具因污染造成效率下降等因素后設計計算所采用的平均照度值，即更換光源前的照度值。該工程所使用的鈉燈和LED燈防護等級均為IP65，其初始照度按維護系數(shù)0.7來計算應為更換光源時照度值的1.43倍。同時，相關研究表明[4]，維持值是滿足機動車駕駛員視覺作業(yè)要求的合理數(shù)值，再提高路面照度或亮度水平對駕駛員的視覺作業(yè)沒有太多的幫助，反而會造成能源浪費、光污染、光干擾等負面問題，因此，該工程主干路初始照度應為28.6lx/42.9lx，次干路應為14.3lx/21.5lx，才能滿足相應道路照明所需要的維持值。由表3可以看出：1)改造前路燈為高壓鈉燈時，寶桐路、空港大道、蘭馨大道3條主干路的平均照度值均不能滿足初始照度低檔值要求，渝航路、黃龍路2條次干路的平均照度值高于初始照度高檔值要求；2)改造后路燈為LED燈時，3條主干路的平均照度值均滿足初始照度要求，2條次干路平均照度值超出初始照度高檔值1倍；3)與改造前相比，平均照度顯著提高，最高達150%。

高壓鈉燈更換為LED燈后，主干路初始照度顯著提高，平均照度值適中，由于改造沒有涉及布燈方式、燈桿間距、布燈高度等，因此，次干路平均照度值過高的問題依然存在。結合表2中的道路條件、光源功率、燈具布置可以看出，采用LED光源的路燈對道路平均照度的提升效果隨著燈桿間距、高度及道路寬度的增加而增加，但是當燈桿間距、路寬過大時提升效果下降。可以看出，對于不同類型的道路均存在與LED路燈的配光曲線相適應的燈桿及燈具布置方式。

2.1.2照度均勻度

改造前后各道路照度均勻度實測值及提高率試驗結果見表4。

從照度均勻度的定義可知，均勻度越接近1，光線分布越均勻，視覺感受越舒服，照度越好；反之均勻度越小越增加視覺疲勞。由表4可以看出：1)改造前，除蘭馨大道外，其它道路的照度均勻度普遍不能滿足設計要求；2)改造后，5條道路的照度均勻度均能滿足相應道路等級的設計要求；3)與改造前相比，照度均勻度顯著提高，最高可達87%。更換路燈后，不僅照度提高了，路面的光線分布均勻程度也大幅提高，主要原因可能是：一方面，鈉燈的顯色指數(shù)低，Ra通常只有20～30左右，光線顯得昏暗，顏色還原能力差，而LED燈顯色指數(shù)高，Ra一般在70～85之間[5]；另一方面，鈉燈配光性差，水滴型光斑效果使得很多無用光透射到馬路以外很遠的地方，而LED燈的蝙蝠翼配光曲線具有更理想的光斑效果，可以照亮馬路以及兩側一定的范圍[6]。

表4　改造前后各道路照度均勻度UE試驗結果

2.2亮度

2.2.1平均亮度

亮度是道路表面單位面積上反射出的光量，其分布與照度分布有相當大的差別，僅采用路面照度作為道路照明指標不能給出視感條件的真實情況，將亮度納入道路照明評價系統(tǒng)，與國際接軌，是未來的趨勢。改造前后各道路平均亮度實測值及提高率試驗結果見表5所示。

表5　改造前后各道路平均亮度Lav試驗結果

注：表5中“/”左側為低檔值，右側為高檔值。

道路照明中，直觀的進入人眼睛的是亮度，雖然照度與亮度密切相關，但是路面材料、路面磨損、燈具配光等因素的影響使二者之間的定量關系難以確定，因此，國際上更多使用亮度作為道路照明評價系統(tǒng)，CIE115—2010[7]中規(guī)定了適用于不同道路照明等級的路面平均亮度，M1級路為2 cd/m2，M6級路為0.3 cd/m2。由表5可以看出：改造前，次干路平均亮度滿足設計要求，主干路不滿足；經(jīng)LED改造后，主、次干路平均亮度均能滿足設計要求，且亮度顯著增加，較照度提升更為明顯。

2.2.2亮度總均勻度

改造前后各道路亮度總均勻度實測值及提高率試驗結果見表6。

表6　改造前后各道路亮度總均勻度U0試驗結果

由表6可以看出：改造前，次干路亮度總均勻度不滿足設計要求，主干路滿足，經(jīng)LED改造后，主、次干路平均亮度均能滿足設計要求，且均勻度顯著增加。對比改造前主、次干道的亮度及均勻度可以看出，路燈為高壓鈉燈時不能同時保證亮度和亮度均勻度均符合設計要求。

2.2.3亮度縱向均勻度

從現(xiàn)場照明效果看，亮度縱向均勻度非常重要，過低就會出現(xiàn)“斑馬線”現(xiàn)象。改造前后各道路亮度縱向均勻度實測值及提高率試驗結果見表7所示。

由表7可以看出：改造前道路的亮度縱向均勻度較差，遠低于設計值，改造后縱向均勻度顯著提高，但是與設計值仍然有明顯的差距。分析原因可能有兩個方面：1)在不改變燈桿間距、燈桿高度、配電線纜的條件下，僅更換燈頭，可能影響了LED照明效果的發(fā)揮，同時道路兩旁的綠化、光污染等對縱向均勻度的測試結果也有明顯影響；2)吳春海等[8]研究認為LED路燈的配光設計普遍沒有充分考慮光的入射角度和路面的反射性能，通過路面反射進入駕駛者眼睛的有效光并不多，亮度分布不均勻，特別是縱向均勻度較低。

表7　改造前后各道路亮度縱向均勻度UL試驗結果

2.3實際節(jié)電率

《城市照明節(jié)能評價標準》(JGJ/T 307—2013)將節(jié)電率作為一個重要的評價指標。由于該道路照明改造工程僅針對燈具，即采用LED燈具替代傳統(tǒng)鈉燈，未涉及照明線路及配套設施，相比與傳統(tǒng)鈉燈，LED燈具的實際消耗功率與額定功率相差較小，因此理論節(jié)電率不能真實反映實際節(jié)能效果，所以采用智能電量測量儀對代表性路段進行實際節(jié)電率檢測，實際節(jié)電率通過選定路段在改造前、后實際能耗的比較得出。改造前后各道路實際節(jié)電率檢測結果見表8。

表8　改造前后各道路實際節(jié)電率試驗結果

由表8可以看出，與改造前相比，改造后相同燈桿回路的實際消耗功率顯著降低，降低幅度均超過50%。相關研究表明：高壓鈉燈的功率因數(shù)低，鎮(zhèn)流器損耗大，而LED功率因數(shù)高，驅(qū)動光源損耗小，例如額定功率400W的傳統(tǒng)高壓鈉燈實際功率約為500W，額定功率為240W的LED路燈實際功率約為245W。根據(jù)現(xiàn)場取樣實測發(fā)現(xiàn)，高壓鈉燈功率因數(shù)在0.42左右，LED路燈的功率因數(shù)均在0.90以上，因此在忽略線損差異的情況下，LED路燈形成回路的實際消耗功率要遠低于高壓鈉燈回路。

3結語

通過現(xiàn)場實測路面的照度、亮度及路燈實際功率，對比了新安裝LED路燈與原來傳統(tǒng)高壓鈉燈的實際使用效果。與改造前相比，經(jīng)LED路燈節(jié)能改造后，道路路面的平均照度、照度均勻度、平均亮度及亮度總均勻度提高且滿足相關標準規(guī)定，亮度縱向均勻度雖然得到改善，但是仍不能滿足相關標準規(guī)定，路燈實際消耗功率降低，節(jié)電率達50%以上。目前LED路燈的光衰是制約其應用的關鍵問題之一，現(xiàn)階段的測試結果不能反映其使用期性能的穩(wěn)定性和預測使用壽命，LED的光衰指標需要通過每年的對比檢驗來確定。

參考文獻

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[2] 城市照明節(jié)能評價標準:JGJ/T 307—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2014

[3] 照明測量方法:GB/T 5700—2008[S].北京：中國標準出版社，2009.

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[5] 鄭子偉.LED照明檢測與節(jié)能評價研究[J].中國計量,2013(12):49-58.

[6] 汪飛佳.LED路燈目前存在的問題及未來的發(fā)展前景[J].照明工程學報,2012,23(4):97-99.

[7] Lighting of roads for motor and pedestrian traffic:CIE115—2010[S].CIE，2010.

[8] 吳春海.LED路燈檢測報告的分析和建議[J].建筑電氣,2009,28(10):35-37.

Tests and Analysis of Energy-saving Renovation Project

of LED Road Lighting Lamp

Zhang Hang, Chen Guofu, Song Kaiwei

(ChongqingConstructionScienceResearchInstitute,Chongqing400015,China)

Abstract：Yubei district of Chongqing reconstructed the part of primary and secondary roads’ High voltage sodium lamps by the way of LED energy-saving within the scope of jurisdiction. The quality of road lighting and the energy saving effect after reconstruction should be appraised by practice. The site’s illuminance, brightness, the actual electricity saving rate before and after the replacement of road lamp have been measured and analyzed, obtaining the actual use effect of LED and High voltage sodium lamp by contrast. Research shows that the quality of road lighting is improved, the illuminance, brightness and evenness degree is increased and the actual energy saving rate is increased to 50% by means of energy-saving renovation via LED road lamp.

Key words:energy-saving; LED road lighting; illuminancy; evenness degree; energy saving rate

基金項目：重慶市工程建設標準制訂項目：城市道路照明工程技術標準(建標字2014第2-1-1T號)

中圖分類號：U491.5+3

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.022