LED路燈應(yīng)用在寒地環(huán)境下的照明效果分析

陳 謙

(哈爾濱照明檢測(cè)中心，黑龍江 哈爾濱 150080)

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LED路燈應(yīng)用在寒地環(huán)境下的照明效果分析

陳 謙

(哈爾濱照明檢測(cè)中心，黑龍江 哈爾濱 150080)

LED路燈應(yīng)用在北方寒冷地區(qū)是否影響照明效果和設(shè)備穩(wěn)定性，一直是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。本文通過大量的實(shí)地采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)比對(duì)試驗(yàn)，分析LED路燈在應(yīng)用過程中，特別是在寒地低溫環(huán)境下的照明效果，客觀的反映了在時(shí)間和環(huán)境溫度的變化下對(duì)LED路燈的光參數(shù)與色度參數(shù)的影響。

寒地； LED路燈；平均照度；光衰

引言

道路照明質(zhì)量要求較高，既要保證照明在功能上保證安全的要求，又要為使用者提供舒適、可靠的視覺效果。同時(shí)道路照明環(huán)境復(fù)雜，路燈要滿足在多變惡劣環(huán)境下的適應(yīng)程度，尤其在北方寒冷地區(qū)，不僅氣候寒冷，而且冷熱溫差較大，這就給LED道路照明產(chǎn)品應(yīng)用的耐久性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

目前北方寒冷區(qū)域的LED道路照明產(chǎn)品大多數(shù)來自于南方廠商，由于地域環(huán)境氣候的特殊性，一些優(yōu)質(zhì)的LED產(chǎn)品應(yīng)用在北方寒冷區(qū)域出現(xiàn)“水土不服”的情況。國(guó)家和地方已做出了相應(yīng)的規(guī)范，但由于測(cè)試環(huán)境的限制，更多的側(cè)重于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的產(chǎn)品檢測(cè)。為了反映寒冷地區(qū)復(fù)雜環(huán)境下照明的真實(shí)效果，我們需要從寒地環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)相結(jié)合的方法入手，建立長(zhǎng)效的跟蹤機(jī)制，采集各種氣候溫度條件下的光電參數(shù)，并加以總結(jié)分析，客觀地反映LED路燈在寒地應(yīng)用環(huán)境下的照明效果。為此，我們?cè)诠枮I市區(qū)建立了LED戶外試驗(yàn)場(chǎng)，同時(shí)進(jìn)行了長(zhǎng)效的跟蹤試驗(yàn)。

目前我們已經(jīng)完成了5個(gè)月(1月—5月)的數(shù)據(jù)采集，檢測(cè)環(huán)境冬季平均溫度-14 ℃，且為冰雪路面。本文首先通過對(duì)樣品的初始狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，然后分別置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和室外試驗(yàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境中，按照正常路燈的使用時(shí)間保持兩地試驗(yàn)樣品同時(shí)開關(guān)運(yùn)行的工作狀態(tài)，同時(shí)對(duì)室外試驗(yàn)場(chǎng)樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試，最后將兩個(gè)試驗(yàn)環(huán)境下的樣品取下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。在樣品選擇上使用能夠反映當(dāng)前技術(shù)水平，應(yīng)用相對(duì)廣泛的路燈產(chǎn)品，保證同品牌產(chǎn)品盡量一致的原則。室外試驗(yàn)場(chǎng)為實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)街路，燈桿布置均勻一致。

1 總體評(píng)價(jià)

根據(jù)以上的測(cè)試方法，我們對(duì)6個(gè)規(guī)格相似、不同種類的LED路燈在相同的室外環(huán)境中采集了具有代表性的1 200多個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)。通過平均照度、燈下點(diǎn)照度和均勻度數(shù)據(jù)衡量路燈的照明效果，并針對(duì)溫度的變化對(duì)于照度的影響進(jìn)行了歸納分析。根據(jù)CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)機(jī)動(dòng)車道路照明效果的要求和測(cè)試數(shù)據(jù)，這6種樣品的總體照明效果情況如表1所示。

表1 CJJ 45—2015照明效果要求對(duì)比Table 1 Comparison of lighting effect request of CJJ 45—2015

路燈按照雙排相對(duì)的方式進(jìn)行布置，燈桿高度8 m，間距38 m。在燈具功率選擇上，為保證不降低原有環(huán)境的照明效果，除樣品2和樣品4無相應(yīng)規(guī)格外(分別為150 W和140 W)均為額定功率100 W的燈具(原有路燈功率為250 W鈉燈)，在1 516 h的燃點(diǎn)過程中，被測(cè)試的24個(gè)樣品均處于完好狀態(tài)。從表1中可以看出，試驗(yàn)路段中的LED路燈的平均照度，均滿足在次干路等級(jí)上的照明效果要求，末次測(cè)試值較首次測(cè)試值有不同程度的降低，但最低值仍然在23 lx以上，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于次干路照明的要求。

照度均勻度末次測(cè)試值較初次測(cè)試值出現(xiàn)不同程度的降低，但是整體變化不明顯。照度均勻度測(cè)試值普遍高于0.6，這與先前測(cè)試的該區(qū)域傳統(tǒng)路燈照度均勻度為0.4相比，有了較大的提高。

應(yīng)用LED路燈替代傳統(tǒng)路燈，能夠有效的降低電量消耗，在以照度和照度均勻度指標(biāo)作為依據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，照明效果有了極大提升，這得益于LED燈具較高的整體光效和更合理的配光曲線。

2 時(shí)間、溫度與光參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1)平均照度和溫度變化的關(guān)系見圖1。經(jīng)過歷時(shí)5個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)照度測(cè)試采樣，6種樣品的平均照度都出現(xiàn)了不同程度的降低，整體出現(xiàn)了照度遞減的狀態(tài)。在溫度和路燈燃點(diǎn)時(shí)間的共同影響下，沒有因?yàn)榄h(huán)境溫度的升高或降低，出現(xiàn)照度衰減趨勢(shì)的加速或減緩。相比于時(shí)間的變化，在-16 ℃～18 ℃的寒地環(huán)境中應(yīng)用LED路燈，溫度影響的照度變化并不明顯。隨著數(shù)據(jù)的不斷收集豐富，我們將繼續(xù)監(jiān)測(cè)LED路燈隨溫度變化的照明情況。

圖1 平均照度和溫度的變化關(guān)系Fig.1 The relationship between temperature and average illuminance

2)照度維持率趨勢(shì)變化見圖2。通過對(duì)每種樣品平均照度的變化情況加以分析，得到平均照度維持率變化的趨勢(shì)，在1 000 h的老煉期內(nèi)(約為到4月的燃點(diǎn)時(shí)間，按照哈爾濱路燈燃點(diǎn)時(shí)間12 h/d計(jì)算)，照度維持率均在0.90以上，其中樣品2和樣

圖2 照度維持率的變化Fig.2 Trend of illumination maintenance rate

品4的維持率接近0.95。而1個(gè)月(約360 h)后的平均照度維持率在0.87～0.92之間，僅有2類樣品在0.90以上，在這一時(shí)期內(nèi)除樣品1外，平均照度的環(huán)比衰減速度最高，均在4%以上。在測(cè)試過程中，每種樣品的照度變化大都出現(xiàn)了先下降后上升的過程，而這種情況多發(fā)生在樣品燃點(diǎn)700 h～1 000 h之間，各樣品的變化差異較大。

3)室內(nèi)與室外測(cè)試樣品光衰的比較見表2。從實(shí)驗(yàn)室老化和室外試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試樣品在燃點(diǎn)1 000 h后的結(jié)果來看，樣品3、5、6的光衰率基本相同，通過對(duì)樣品1、2、4的檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，室外試驗(yàn)場(chǎng)樣品的驅(qū)動(dòng)電源輸出功率發(fā)生的變化，是導(dǎo)致該類樣品與實(shí)驗(yàn)室樣品檢測(cè)結(jié)果差異較大的原因。

與照度維持率相比，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)室外樣品光通量計(jì)算光衰率的方式得到的結(jié)果要好于照度維持率。這是由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)環(huán)境溫度的不同，影響燈具輸出的光通量，隨著測(cè)試時(shí)間點(diǎn)氣溫的不斷升高，溫度對(duì)于LED路燈發(fā)光的影響逐漸增大，導(dǎo)致在相同燃點(diǎn)時(shí)間的條件下，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的照度衰減程度更高。

表2 室內(nèi)和室外樣品光衰比較Table 2 Compared with light degradation between two test sites

3 時(shí)間、溫度與光色度參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

相關(guān)色溫隨時(shí)間變化見圖3，一般顯色指數(shù)隨時(shí)間變化見表3。一些研究證明，暖色溫和中間色溫更適合道路照明，采用3 000 K左右的暖白色，不但保持了在有霧多塵環(huán)境下的穿透能力，又在主觀上提高了人們對(duì)路面視覺上的舒適程度。尤其在北方寒冷地區(qū)，冬季路面被冰雪覆蓋，低色溫光源照明更能夠避免造成雪盲癥的可能。所以本次試驗(yàn)選用的LED路燈的相關(guān)色溫均選用暖白光。

圖3 相關(guān)色溫和時(shí)間的變化關(guān)系Fig.3 The relationship between time and color temperature

通過對(duì)樣品相關(guān)色溫的監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然樣品的額定色溫略有不同，但是除樣品2外，其余5類樣品的相關(guān)色溫變化趨勢(shì)基本一致，均出現(xiàn)了色溫衰減的情況。

相比傳統(tǒng)路燈，LED路燈具有較高的顯色指數(shù)，在檢測(cè)的6類樣品中，除樣品2外顯色指數(shù)均在73以上，其中樣品1和樣品3保持在80以上。且在各個(gè)測(cè)試周期內(nèi)的變化程度較小。

表3 一般顯色指數(shù)隨時(shí)間的變化Table 3 The relationship between time and general colour rendering index

4 結(jié)論

綜上所述，在-16℃～18℃的溫度區(qū)間內(nèi)LED路燈能夠正常燃點(diǎn)工作，沒有出現(xiàn)溫度變化引起較大的照度變化波動(dòng)，樣品在老煉期內(nèi)處于照度衰減的情況，相對(duì)于低溫環(huán)境變化，路燈燃點(diǎn)時(shí)間對(duì)發(fā)光衰減的影響較大。

樣品在低溫環(huán)境下燃點(diǎn)1 000 h后并沒有出現(xiàn)照度相對(duì)穩(wěn)定的情況，這就需要適當(dāng)延長(zhǎng)老煉燃點(diǎn)的時(shí)間后對(duì)產(chǎn)品的初始值進(jìn)行評(píng)價(jià)，我們將通過更多的數(shù)據(jù)采樣來尋找樣品穩(wěn)定的時(shí)間。

LED路燈的光衰問題，依然是其應(yīng)用過程中的主要瓶頸，研究方向應(yīng)該以LED路燈整體及各部分組件入手。尤其在北方寒冷地區(qū)，如何提高LED路燈組件的環(huán)境適應(yīng)性、耐受性及保證在惡劣環(huán)境下運(yùn)行的穩(wěn)定性，將是減緩LED路燈光衰的研究重點(diǎn)。由于環(huán)境溫度的影響，通過光通量維持率的方式來評(píng)價(jià)的光衰值相比照度維持值的方式計(jì)算的光衰值更接近于真實(shí)的光衰率。

LED路燈作為一種新的照明產(chǎn)品，其光電和色品特性與其他光源有著較大的差異，在評(píng)價(jià)其壽命時(shí)僅以光通量維持率作為依據(jù)，顯然是不全面的，應(yīng)該同時(shí)考慮其色參數(shù)的漂移情況，并將其納入LED路燈的壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)。

[1] 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：CJJ 45—2015[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[2] 照明測(cè)量方法：GB/T 5700—2008[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3] 平立.LED路燈在寒地應(yīng)用環(huán)境下需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[J].黑龍江科技信息，2010(15)：46.

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[6] 鄒琳，李德勝，鄒念育，等.基于光通維持率和色參數(shù)漂移的LED壽命評(píng)價(jià)方法[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24(1)：85-88

[7] 梁田靜.影響半導(dǎo)體照明光衰及色衰因素的研究[D].西安：陜西科技大學(xué)，2013.

Analysis of Lighting Effect of LED Street Lamp Applied in the Cold Area

CHEN Qian

(HarbinLightingTestingCenter,Harbin150080,China)

The argument has been that application of LED lights in the northern cold region will affect the lighting effect and the stability of the equipment. This article, according to a lot of on-the-spot collected data and consequence of the Test in lab, analyses the effects of illumination of LED street lamp during its application and especially under the environment of low temperature, reflects objectively the phenomenon of light attenuation and colorimetric parameter with the change of time and environmental temperature.

cold area; LED road lighting; average illuminance; light degradation

TM923

B

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.030