道路照明設(shè)計(jì)過(guò)程中光源的應(yīng)用

張繼強(qiáng)，唐愷亮

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司第十設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州73000）

道路照明設(shè)計(jì)過(guò)程中光源的應(yīng)用

張繼強(qiáng)，唐愷亮

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司第十設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州73000）

針對(duì)道路照明設(shè)計(jì)過(guò)程中光源選擇與道路等級(jí)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)各類光源特性做簡(jiǎn)單分析比較，了解其適用范圍，著重比較第二代光源高壓鈉光源與第三代光源LED光源在道路照明中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了相對(duì)應(yīng)的解決方案。

道路照明；光源選擇；道路等級(jí)；照明設(shè)計(jì)

0　引言

道路照明設(shè)計(jì)是建設(shè)城市功能照明的基礎(chǔ)，為了城市道路照明獲得較好的效果，滿足《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 45—2006）中照明設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)主干路、次干路及支路的相關(guān)要求，應(yīng)避免城市道路照明采用光效差、節(jié)能效果不好、光色使用不當(dāng)、舒適度差、使用壽命短、維護(hù)不方便的光源。對(duì)于設(shè)計(jì)人員正確了解光源特點(diǎn)是十分必要的。

本文通過(guò)對(duì)各類光源特性做簡(jiǎn)單分析比較，了解其適用范圍，著重比較第二代光源高壓鈉光源與第三代光源LED光源在道路照明中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。

1　各類燈光源特點(diǎn)分析

1.1傳統(tǒng)的高壓鈉燈光源

高壓鈉燈使用時(shí)發(fā)出金白色光，它具有發(fā)光效率高、耗電少、壽命長(zhǎng)、雨霧天透霧能力強(qiáng)、不誘蟲(chóng)的優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格比較便宜，運(yùn)用比較成熟、光色為偏暖色。缺點(diǎn)是整燈光效低、顯色性較差。廣泛應(yīng)用于道路、高速公路、機(jī)場(chǎng)、碼頭、船塢、車站、廣場(chǎng)、街道交匯處、工礦企業(yè)、公園、庭院照明及植物栽培。高顯色高壓鈉燈主要應(yīng)用于體育館、展覽廳、娛樂(lè)場(chǎng)、百貨商店和賓館等場(chǎng)所照明。

（1）對(duì)于開(kāi)闊的道路、道路交叉口，由于高壓鈉燈瓦數(shù)越大光效越高的特點(diǎn)，因此適合采用大功率、高光效的高壓鈉燈光源路燈及中桿燈進(jìn)行照明。對(duì)于寬闊、人員密集、照度標(biāo)準(zhǔn)高的中心廣場(chǎng)，可采用大功率、高光效的高壓鈉燈光源的高桿燈進(jìn)行照明。狹窄的道路、次干路、支路、公園等對(duì)照明指標(biāo)要求較低的場(chǎng)所，采用小功率高壓鈉燈優(yōu)勢(shì)不明顯，因?yàn)楦邏衡c燈瓦數(shù)越小光效越低。除了采用小功率高壓鈉燈外，還可采用LED燈、金屬鹵化物燈、節(jié)能燈、無(wú)極燈等小功率高光效的燈具。

（2）壽命長(zhǎng)、透霧能力強(qiáng)。高壓鈉燈使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，平均壽命為24 000～40 000 h。實(shí)際上，用不同的材料做燈絲，會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的光，當(dāng)用鈉做燈絲時(shí)，發(fā)出的光在同樣的光強(qiáng)下，經(jīng)實(shí)驗(yàn)其透霧性、透機(jī)動(dòng)車尾氣、透塵灰較大的空氣都是相對(duì)較強(qiáng)的，因此高壓鈉燈適合做道路照明。

（3）高壓鈉燈相對(duì)于LED燈、太陽(yáng)能LED燈比較便宜，目前LED燈價(jià)格是高壓鈉燈的1.3～2倍，太陽(yáng)能LED燈價(jià)格是高壓鈉燈的2～3倍。

（4）高壓鈉燈的缺點(diǎn)是顯色性較差，道路照明宜采用高顯色性高光效高壓鈉燈。

1.2LED燈光源

LED燈作為路燈主要優(yōu)點(diǎn)有：LED路燈作為第三代光源，屬于新生事物，隨著科技進(jìn)步，其各項(xiàng)指標(biāo)不斷改進(jìn)和提高，性價(jià)比也不斷提高，在國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策支持下，會(huì)廣泛應(yīng)用到道路照明中。

LED燈作為路燈主要缺點(diǎn)：第一，光衰較大。第二，發(fā)光效率還不夠高。目前雖然試驗(yàn)室水平大功率白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過(guò)了100 lm/W，但量產(chǎn)的、性價(jià)比高的大功率白光LED發(fā)光效率還在80～100 lm/W，節(jié)能優(yōu)勢(shì)還沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)。第三，地面對(duì)LED光的反射率低。由于目前白光LED光譜特征，路面及周邊物體對(duì)其反射率低，所以路面的亮度較低，與鈉燈的黃光相比，這是它的一個(gè)弱點(diǎn)。第四，LED發(fā)出的光與自然光仍有一定的差距。白熾燈具有非常強(qiáng)的黃色光的成分，給人一種溫暖的感覺(jué)，而白光 LED發(fā)出的白光帶有藍(lán)色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺(jué)不很自然。第五，雖然目前初步解決了LED路燈的散熱問(wèn)題，但半導(dǎo)體光源路燈目前正處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的開(kāi)始階段，在提高散熱效率、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化、配光設(shè)計(jì)方面還有非常大的提升空間，還有大量的研發(fā)工作需要深入開(kāi)展。

1.3陶瓷金屬鹵化物燈光源

陶瓷金屬鹵化物燈簡(jiǎn)稱陶瓷金鹵燈，它是高壓汞燈和高壓鈉燈相結(jié)合的產(chǎn)物，是在石英金鹵燈基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，歷經(jīng)幾十年的研發(fā)，產(chǎn)品已經(jīng)很成熟。陶瓷金鹵燈的主要特點(diǎn)有：（1）光效高、光衰小，視不同功率和結(jié)構(gòu)，發(fā)光效率一般都在80～100 lm/W，且發(fā)光穩(wěn)定。（2）顯色性好。顯色指數(shù)（Ra）一般都在65～95，且為暖白色。（3）色溫穩(wěn)定。色溫3 000～5 600 K，且色偏差小，無(wú)論電源電壓和使用環(huán)境如何變化，在壽命期內(nèi)其色溫變化小于200 K。（4）壽命較長(zhǎng)。使用壽命可達(dá)15 000 h以上。

1.4無(wú)極燈光源

無(wú)極燈的主要特點(diǎn)有：

（1）光效較高、光衰小。視不同功率和結(jié)構(gòu)，發(fā)光效率一般都在70～83 lm/W，且發(fā)光穩(wěn)定。

（2）顯色性好。顯色指數(shù)（Ra）一般都在80以上。

（3）無(wú)論電源電壓和使用環(huán)境如何變化，光通量變化小，很適合電壓降變化較大、距離變壓器較遠(yuǎn)的場(chǎng)所。

（4）壽命很長(zhǎng)。使用壽命可達(dá)60 000 h，是所有成熟燈具中使用壽命最長(zhǎng)的。

（5）功率為15～200 W，適合次干路或支路、公園照度不高的場(chǎng)所。

1.5低壓鈉燈光源

低壓鈉燈除了具有高壓鈉燈的一些特點(diǎn)外，與高壓鈉燈差別有：

（1）光效高、光衰小。視不同功率和結(jié)構(gòu)，發(fā)光效率一般都在100～200 lm/W，且發(fā)光穩(wěn)定。

（2）顯色性差，發(fā)出黃光，適用于顯色性要求不高的場(chǎng)所。

（3）功率為18～180 W，適合較大公園照度要求較高、顯色性要求不高的場(chǎng)所。

1.6太陽(yáng)能路燈光源

太陽(yáng)能照明其實(shí)是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，專業(yè)領(lǐng)域稱為“硅晶片地面光伏組件”。工作原理是通過(guò)硅晶片接收太陽(yáng)光線后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，然后?chǔ)存在蓄電池中，再由光感開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。當(dāng)天黑時(shí)能夠自動(dòng)點(diǎn)亮，天亮?xí)r又自動(dòng)熄滅。太陽(yáng)能燈是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的一種應(yīng)用產(chǎn)品，具有節(jié)能、環(huán)保、無(wú)需布線、智能控制、隨時(shí)變換位置等特點(diǎn)。單晶硅或多晶硅太陽(yáng)能組件的質(zhì)量保證期為20 a，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)每天10 h以上供電，考慮到當(dāng)?shù)仃幱晏鞖?，將平均多余的電能?chǔ)存到蓄電池內(nèi)，確保用戶連續(xù)陰雨天有足夠的電能使用等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是由于蓄電池使用壽命平均為5 a左右，成為制約太陽(yáng)能路燈普及的主要因素。

2　高壓鈉燈光源與LED光源比較

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)LED照明應(yīng)用發(fā)展迅速，很多廠家相繼推出了大功率LED路燈，并作為節(jié)能產(chǎn)品越來(lái)越多地應(yīng)用于道路照明中。目前大功率LED路燈真的可以取代傳統(tǒng)光源（主要是高壓鈉燈）嗎？以下對(duì)大功率LED路燈的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2.1LED路燈的節(jié)電效果

在很多采用LED路燈取代高壓鈉燈的案例中，節(jié)電是一個(gè)重要的因素。

從發(fā)光效率的比較來(lái)看，目前實(shí)際應(yīng)用的大功率LED路燈的發(fā)光效率（80～100 lm/W）遠(yuǎn)低于高壓鈉燈（100～138 lm/W）。

從燈具效率的比較來(lái)看，LED是定向發(fā)光，高壓鈉燈通過(guò)反射膜將光聚集到地面，光線在燈具內(nèi)反射過(guò)程中，要損失20%～30%，由此看來(lái)，LED燈具效率高于高壓鈉燈。

因發(fā)光效率低，LED路燈燈具（高端產(chǎn)品）綜合能效比標(biāo)準(zhǔn)高壓鈉燈（低端產(chǎn)品）高20%左右，與高光效高顯色性高壓鈉燈（高端產(chǎn)品）相當(dāng)；LED路燈燈具（低端產(chǎn)品）綜合能效與標(biāo)準(zhǔn)高壓鈉燈（低端產(chǎn)品）相當(dāng)，比高光效高顯色性高壓鈉燈（高端產(chǎn)品）低20%左右。在一些證明LED路燈取代高壓鈉燈獲得節(jié)電效果的案例中，據(jù)分析，這些案例往往是原有路燈功率偏高（亮度嚴(yán)重超標(biāo)）或燈具效率低，光源嚴(yán)重衰減。目前LED路燈產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，缺乏必要標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)，簡(jiǎn)單推斷所有LED路燈節(jié)電并不科學(xué)，只有在光效進(jìn)一步提高，配套技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)，達(dá)到國(guó)際主流品牌標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，才能談得上節(jié)電，但從發(fā)展的觀點(diǎn)看，LED路燈有良好前景。

2.2LED路燈的光色問(wèn)題

目前大功率LED路燈基本上是采用5000～6000K色溫的白光，作為道路照明光源，在視覺(jué)感覺(jué)上過(guò)分陰冷，下雨天、霧天，LED燈光線穿霧能力不強(qiáng)，同時(shí)遠(yuǎn)視時(shí)眼睛的觀察能力會(huì)下降，在這方面的一些研究中證明，低于3 000 K的黃光或暖白光是比較適合道路照明的，因此高色溫的LED路燈不適合做路燈。因此，LED路燈推廣不宜激進(jìn)，不宜全面替換（特別是主干道），恐引發(fā)后遺癥，在遇到極端天氣或同時(shí)大批量壞燈或嚴(yán)重光衰時(shí)，影響道路安全。

2.3LED路燈目前的成本還遠(yuǎn)于高壓鈉燈

一款全進(jìn)口飛利浦整套100 W/LED光源燈具3 100元+11 m燈桿1 500元=4 600元；全進(jìn)口飛利浦整套150 W/LED光源燈具3 960元+11 m燈桿1 500元=5 460元；全進(jìn)口飛利浦整套180 W/LED光源燈具4 500元+11 m燈桿1 500元=6 000元；交叉口用的大功率全進(jìn)口飛利浦整套210 W/LED光源燈具5 000元+13 m燈桿1 900元=6 900元。

另一款半進(jìn)口（驅(qū)動(dòng)電源及芯片）飛利浦整套100 W/LED光源燈具1 600元+11 m燈桿1 500元= 3 100元；半進(jìn)口（驅(qū)動(dòng)電源及芯片）飛利浦整套150 W/LED光源燈具2 500元+11 m燈桿1 500元= 4 000元；半進(jìn)口 （驅(qū)動(dòng)電源及芯片）飛利浦整套180 W/LED光源燈具3 040元+11 m燈桿1 500元= 4 540元；交叉口用的大功率半進(jìn)口飛利浦整套210 W/LED光源燈具3 580元+13 m燈桿1 900元=5 480元。

對(duì)于高端高壓鈉燈產(chǎn)品，有一款全進(jìn)口飛利浦整套100 W/高光效高顯色性高壓鈉燈光源燈具900元+11 m燈桿1 500元=2 400元；全進(jìn)口采用飛利浦整套150 W/高光效高顯色性高壓鈉燈光源燈具1 200元+11 m燈桿1 500元=2 700元；全進(jìn)口飛利浦整套250 W/高光效高顯色性高壓鈉燈光源燈具1 500元+11 m燈桿1 500元=3 000元；交叉口用的大功率全進(jìn)口采用飛利浦整套400 W/高光效高顯色性高壓鈉燈光源燈具2 100元+13 m燈桿1 900元=4 000元。

對(duì)于低端普通高壓鈉燈產(chǎn)品，有一款國(guó)產(chǎn)品牌100 W/標(biāo)準(zhǔn)高顯色性高壓鈉燈光源燈具600元+11 m燈桿1 500元=2 100元；國(guó)產(chǎn)品牌150 W/標(biāo)準(zhǔn)高顯色性高壓鈉燈光源燈具800元+11 m燈桿1 500元=2 300元；國(guó)產(chǎn)品牌250 W/標(biāo)準(zhǔn)高顯色性高壓鈉燈光源燈具1 100元+11 m燈桿1 500元= 2 600元，交叉口用的大功率國(guó)產(chǎn)品牌400 W/標(biāo)準(zhǔn)高顯色性高壓鈉燈光源燈具1 500元+13 m燈桿1 900元=3 400元。

目前一套進(jìn)口品牌的高壓鈉燈（含燈具、成套電器光源）價(jià)格在2 400～4 000元，一套進(jìn)口品牌的LED燈價(jià)格在3 000～8 000元，甚至更高，平均價(jià)格是全進(jìn)口LED路燈的1/2，是半進(jìn)口LED路燈的0.75倍左右。

由于高端LED路燈的價(jià)格是低端普通高壓鈉燈的1.6～2倍，即使LED路燈的耗電量?jī)H是高壓鈉燈的2/3，但由于價(jià)格比高壓鈉燈高許多，用LED代替高壓鈉燈成本回收周期仍然會(huì)很長(zhǎng)。

2.4使用壽命比較

LED路燈標(biāo)稱使用壽命是5萬(wàn)h以上，這是芯片的理想壽命，芯片的封裝、燈具散熱等因素都可能光衰減，還有驅(qū)動(dòng)電路（以電子元器件為主）的壽命顯然也不能達(dá)到5萬(wàn)h，許多國(guó)產(chǎn)LED驅(qū)動(dòng)電路裝置壽命只有1萬(wàn)h左右。在曾經(jīng)試用的部分LED路燈中，就發(fā)現(xiàn)半個(gè)月不到，燈具的衰減已經(jīng)非常明顯。高壓鈉燈標(biāo)稱壽命目前已經(jīng)超過(guò)2.8萬(wàn)h，實(shí)際應(yīng)用3～4 a問(wèn)題不大，相比之下，LED燈由于其芯片等部件的“短板”，其壽命上的問(wèn)題更多。對(duì)光源的維護(hù)，高壓鈉燈要容易得多，可在現(xiàn)場(chǎng)直接更換光源電器，成本也較低，而對(duì)于LED路燈則需要整燈拆卸，修復(fù)故障后重新安裝，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)無(wú)法進(jìn)行。

2.5LED路燈的配光問(wèn)題

目前LED路燈的配光技術(shù)已經(jīng)有了很大發(fā)展，有些廠家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出二次配光系統(tǒng)，而不再是單純依靠芯片排列來(lái)配光。對(duì)燈具間距布局較大時(shí)，二次配光采用矩形配光或蝙蝠翼型配光；對(duì)路面亮度和均勻度均有要求時(shí)，采用朗伯型配光，向路面投射矩形光束；對(duì)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。綜合來(lái)看，配光還不能做到完全合理。曾觀察一款燈具，在道路側(cè)的配光較亮，均勻度也滿足要求，但人行道側(cè)亮度明顯不足，環(huán)境比（SR）值明顯不符合要求，人行道需要增設(shè)LED燈光源。

2.6LED路燈的規(guī)格問(wèn)題

LED路燈在產(chǎn)品規(guī)格方面缺少統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的LED路燈生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，只有地方標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)滯后，每個(gè)廠家按自己的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)自己的產(chǎn)品，彼此間是很難通用的，另外LED路燈多芯片組裝工作的特性使芯片和燈具捆綁在一起，難以維護(hù)，維護(hù)時(shí)必須使用原廠產(chǎn)品。高壓鈉燈由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，燈具、光源、電器方面通用性較強(qiáng)，不同廠家之間的產(chǎn)品是可以互用的，從維護(hù)角度考慮，這是非常重要的，而維護(hù)對(duì)于路燈管理單位來(lái)說(shuō)則又是重中之重，只有這樣才可以及時(shí)對(duì)熄滅路燈進(jìn)行維護(hù)，保證高的亮燈率（上級(jí)部門對(duì)路燈管理考核中最重要的一項(xiàng)內(nèi)容），同時(shí)大大降低維護(hù)成本。

2.7款式比較

傳統(tǒng)高壓鈉燈功率可選性差，只有1 000 W、400 W、250 W、150 W、100 W、70 W，不能針對(duì)不同道路等級(jí)、不同路寬，采用相應(yīng)的光源，造成能源的浪費(fèi)或不足。LED路燈款式多種多樣，可根據(jù)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，能針對(duì)不同道路等級(jí)、不同路寬，采用相應(yīng)的光源，不造成能源的浪費(fèi)。這也是LED路燈的優(yōu)點(diǎn)。

從目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，LED路燈是無(wú)法維護(hù)的，一旦出現(xiàn)故障，只能整個(gè)燈具進(jìn)行更換，除了高額成本外，維護(hù)的時(shí)間也要大大延長(zhǎng)，這對(duì)使用單位來(lái)說(shuō)是非常不利的。LED照明是一項(xiàng)正在發(fā)展的技術(shù)，其光效在不斷的提高、成本不斷下降，但目前要全面取代傳統(tǒng)高壓鈉燈作為路燈照明還不是時(shí)候，所以在建設(shè)部頒發(fā)的《“十一五”城市綠色照明工程規(guī)劃綱要》、城市道路照明專業(yè)委員會(huì)《貫徹“十一五”城市綠色照明工程規(guī)劃綱要實(shí)施細(xì)則》等政策性文件中，明確路燈節(jié)能光源還是以高壓鈉燈為主，LED則推薦在城市景觀照明中應(yīng)用。

2.8經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

高壓鈉燈為氣體放電燈，具有功率越高光效越高的特點(diǎn)，而LED路燈光效不隨功率變化而變化，一般與整體配置有關(guān)，目前絕大部分產(chǎn)品光效為80～100 lm/W，極少有120 lm/W。

從經(jīng)濟(jì)、節(jié)能角度出發(fā)，對(duì)于路寬25 m以上的主干路平均照度需要達(dá)到20 lx以上，推薦采用250 W、400 W高光效高顯色性高壓鈉燈光源；對(duì)于20～25 m路寬的主干路平均照度需要達(dá)到20 lx以上，推薦采用250 W以上高光效高顯色性高壓鈉燈光源或采用國(guó)際主流品牌高光效180 W/LED燈光源（高端產(chǎn)品）；對(duì)于路寬14～16 m的支路平均照度需要達(dá)到10 lx，采用150 W以下普通高壓鈉燈，因光效較低，綜合能耗較高，推薦采用國(guó)際主流品牌高光效100 lm/W的LED燈光源（高端產(chǎn)品）；對(duì)于路寬7～14 m的支路平均照度需要達(dá)到10 lx，采用100 W以下普通高壓鈉燈，因光效較低，綜合能耗較高，推薦采用國(guó)際主流品牌高光效100 lm/W的LED燈光源（高端產(chǎn)品）。

LED路燈作為第三代光源，屬于新生事物，在節(jié)能、環(huán)保、綠色的趨勢(shì)下，在政府的大力支持下，在性價(jià)比不斷提高下，在關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟的情況下，二次配光和散熱等研究已引起廠家更多重視，主流企業(yè)把LED路燈作為自己的主業(yè)，加強(qiáng)科技投入，并取得了可觀的工程經(jīng)驗(yàn)。隨著科技進(jìn)步，LED路燈將逐步成為路燈的主流產(chǎn)品，推薦采用國(guó)際主流品牌高光效100 lm/W以上/LED路燈。

3　結(jié)　語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)道路照明各類常用光源的分析，著重對(duì)第二代光源傳統(tǒng)高壓鈉燈與第三代光源LED光源進(jìn)行分析比較，提出了解決這些問(wèn)題的實(shí)際對(duì)策。隨著新技術(shù)進(jìn)步、價(jià)格下降，LED光源在道路照明中的廣泛應(yīng)用成為可能。

U491.5+3

B

1009-7716（2016）01-0032-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.011

2015-07-20

張繼強(qiáng)（1966-），男，福建上杭人，工程師，從事電氣、儀表專業(yè)設(shè)計(jì)工作。