無藍(lán)光、無熒光粉的金黃光LED在市政照明上的應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢*

徐 帥， 魏方興， 佟 超， 張 寧， 吳 斌，黃 浩， 楊俊寧， 王光緒，2

(1.江西金黃光智慧照明有限責(zé)任公司，南昌330096；2.南昌大學(xué)國家硅基LED工程技術(shù)研究中心，南昌330000；3.江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院，南昌330046)

0 引言

當(dāng)前市政照明燈具主要采用的是高壓鈉燈和白光LED燈。高壓鈉燈是一種黃色的光，色調(diào)柔和，透霧性較強(qiáng)，路面反射率較高，被廣泛應(yīng)用于城市道路照明和隧道口加強(qiáng)段照明[1]。正是由于高壓鈉燈這種黃色的光對市政照明的安全提供了保障，城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中也明確提到，快速路和主干路宜采用發(fā)出黃色光的高壓鈉燈[2]。然而，高壓鈉燈也存在很大的不足。例如，高壓鈉燈供電系統(tǒng)較為復(fù)雜，電纜和維護(hù)費(fèi)用比較高，且需要較長的開啟時間(5～10 min)[1]；光源體積大，光利用率低；顯色指數(shù)Ra非常低，僅有20～30，但其最大缺點(diǎn)是功耗極大，一盞普通的9m桿高壓鈉燈每年耗電量高達(dá)上千千瓦時。正是因?yàn)楦邏衡c燈的功耗極高，所以當(dāng)具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢的白光LED路燈問世之后，很多城區(qū)市政照明用的高壓鈉燈被白光LED燈所取代。白光LED燈具有高效節(jié)能的優(yōu)勢，光有效利用率和顯色指數(shù)比較高，當(dāng)前已被大量應(yīng)用于各種照明領(lǐng)域之中[3-5]。

行業(yè)資料顯示:2018年，LED已經(jīng)成為主流照明光源，替代性光源滲透率已近50%，中國LED照明行業(yè)規(guī)模從78億元擴(kuò)張超過2 550億元，LED通用照明已經(jīng)進(jìn)入成熟期[6-7]。目前市政照明所用的白光LED燈具均是采用“藍(lán)光LED芯片＋熒光粉”的方式合成的，也被稱為“熒光型LED”，這種白光LED存在許多弊端。首先，存在藍(lán)光成分過高的問題，而藍(lán)光波長短、能量高，在照明應(yīng)用中會產(chǎn)生許多危害，也就是被大家所熟知的“藍(lán)光危害”[8-10]；此外，熒光LED中需要使用稀土材料的熒光粉，光經(jīng)過熒光粉的轉(zhuǎn)換會存在一定的光效損失，而且長時間的工作會使熒光粉性能衰退產(chǎn)生光衰，影響燈具的光效和光品質(zhì)。最主要的是，高色溫的白光LED在雨、霧、塵等惡劣環(huán)境中透霧性較差，在水泥或柏油等材質(zhì)路面上容易被吸收導(dǎo)致光反射效率較低，存在一定的安全隱患，尤其是在一些快速路段。

由此可見，不管是傳統(tǒng)的高壓鈉燈還是目前市場上的白光LED燈，都存在各自的優(yōu)勢與不足，難以實(shí)現(xiàn)光品質(zhì)與節(jié)能環(huán)保的協(xié)同發(fā)展。本文將介紹一種金黃光LED應(yīng)用技術(shù)，在滿足節(jié)能環(huán)保要求的同時，還具有非常高的光品質(zhì)，能夠很好地應(yīng)用于市政照明中，提高夜間交通行駛的安全性。

1 金黃光LED技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用優(yōu)勢

金黃光LED燈具采用的是高光效的金黃光LED光源，具有無藍(lán)光、無熒光粉的優(yōu)點(diǎn)，相較于含短波(藍(lán)光)較多的光源不會導(dǎo)致過于嚴(yán)重的不適眩光效應(yīng)[11]，且可以避免在長時間使用時熒光粉導(dǎo)致的光衰。

金黃光LED在雨、霧、塵等惡劣天氣中具有非常好的透霧能力，不容易被路面吸收使其具有非常高的路面反射亮度；其固體點(diǎn)光源的特點(diǎn)使其具有非常好的方向性，可以進(jìn)行一次和二次光學(xué)設(shè)計(jì)，有效提高光的利用率；其色調(diào)與高壓鈉路燈相似，色溫較低(在2000±200K范圍內(nèi))，但相對于高壓鈉路燈具有較高的顯色指數(shù)，達(dá)到70以上；同時金黃光LED具有與白光LED相近的節(jié)能效果，光源工作電流下光效超過了150 lm/W，最高光效達(dá)到180 lm/W，見圖1檢測報(bào)告數(shù)據(jù)。

圖1 金黃光LED光源的第三方檢測報(bào)告截圖

綜上所述，金黃光LED結(jié)合了白光LED節(jié)能環(huán)保和高壓鈉燈暖色調(diào)的雙重優(yōu)點(diǎn)，適用于城市道路照明和隧道照明等市政照明應(yīng)用領(lǐng)域，能夠提升行駛過程中的安全系數(shù)。

1.1 城市道路照明應(yīng)用

金黃光LED光源在城市道路照明中主要以路燈形式應(yīng)用，且具有以下幾個優(yōu)勢。

(1)金黃光LED光源不含藍(lán)光成分，能夠避免“富藍(lán)光危害”造成的光污染問題，提升道路周邊居民的光環(huán)境品質(zhì)。此外，特別是在上坡路段和急拐彎路段，人眼更容易直視光源產(chǎn)生眩光，色溫較高的白光LED中藍(lán)光等短波長成分過高易加劇眩光程度，這無疑增加了行駛的安全風(fēng)險。金黃光LED光源中不含波長短于500 nm的藍(lán)紫光，色調(diào)柔和溫馨，能夠減少上坡或拐彎時對駕駛員眼睛造成的過度眩光，提升了道路行駛的安全性。圖2是金黃光LED路燈在上坡及拐彎路段的應(yīng)用。

圖2 金黃光LED路燈在上坡及拐彎路段的應(yīng)用

(2)據(jù)行業(yè)分析，短波長的光線在空氣中的衰減比長波長的光線要大很多[11]。這是因?yàn)?，根?jù)光的散射原理，波長越長則頻率越低，同一介質(zhì)中折射率也就越小，即波長和折射率成反比關(guān)系；研究還發(fā)現(xiàn)，色溫越低，長波段的光譜就越多[12]。因此，在塵霾比較多的路段或者雨霧較多的環(huán)境里，白光LED中波長小于500 nm的短波長藍(lán)光在空氣中散射更容易形成光幕現(xiàn)象，導(dǎo)致透霧性較差。金黃光LED光源中僅含有長波長的黃光和紅光成分，色溫極低，僅有2 000 K左右，在道路照明中，尤其是雨、霧、塵、霾等惡劣天氣中透霧能力更好。而且城市交通道路路面基本是水泥或?yàn)r青材質(zhì)，這些材料更容易吸收短波長的光，黃光和紅光等長波長的光則更容易被反射，那么使用金黃光LED路燈照射下的路面亮度更高，駕駛員就更容易看清路面行人及障礙物，提高駕駛安全系數(shù)。圖3是同一路段同樣功率的白光LED路燈和金黃光LED路燈效果對比，其中圖3(a)為改造前白光LED路燈效果；圖3(b)為改造后金黃光LED路燈效果。

(4)金黃光LED光源不使用熒光粉，而“藍(lán)光LED芯片＋熒光粉”是目前白光LED的主要實(shí)現(xiàn)方式。光在熒光粉的轉(zhuǎn)換過程中會造成一定的光效損失，而且隨著長時間的工作，熒光粉阻礙了熱量散發(fā)，高溫環(huán)境會使得熒光粉性能衰退產(chǎn)生光衰，導(dǎo)致燈具能效和光品質(zhì)的下降。金黃光LED光源是采用純LED合成的方式，不含熒光粉，從技術(shù)本質(zhì)上避免熒光粉帶來的光衰問題，保證長期使用的燈具光品質(zhì)的穩(wěn)定性。

圖3 同一路段，相同拍攝視角下金黃光LED路燈與白光LED路燈的效果對比

(5)金黃光LED路燈具有節(jié)能、環(huán)保，使用壽命長等LED所具有的普遍優(yōu)點(diǎn)，而且兼?zhèn)淞藗鹘y(tǒng)高壓鈉燈的黃光暖色調(diào)，且具有比鈉燈光更高的顯色指數(shù)，光品質(zhì)更高。

正是因?yàn)榻瘘S光LED路燈具有這些優(yōu)點(diǎn)，特別適用于快速路、主干路、高速路、機(jī)場、公園及文化街區(qū)照明。

1.2 隧道照明應(yīng)用

當(dāng)前新建隧道內(nèi)照明主要采用的是白光LED與高壓鈉燈相結(jié)合的方式，即隧道入口段和出口段采用高壓鈉燈，中間段采用白光 LED隧道燈[1，5，13-14]。 這是因?yàn)樗淼揽臻g狹窄，需要采用小功率、高密度的布燈方式，而白光LED隧道燈相對于高壓鈉燈更加節(jié)能環(huán)保，所以隧道中間段通常采用白光LED。但對于隧道入口段和出口段則必須采用與自然光之間反差值較大的光源，所以不得不采用暖色調(diào)的高壓鈉燈。金黃光LED隧道燈則可以兼顧白光LED隧道燈和高壓鈉燈的優(yōu)點(diǎn)，主要包括以下兩個方面。

(1)在隧道入口段與出口段，金黃光LED隧道燈的低色溫、暖色調(diào)光品質(zhì)能夠與隧道外的自然光形成明顯的反差，使得隧道口的物體能夠被駕駛員清晰地察覺，可有效消除隧道入口段的“黑洞效應(yīng)”和出口段的“白洞效應(yīng)”，提升了隧道交通的安全性能[1，15]。而且，相對于傳統(tǒng)的高壓鈉燈，金黃光LED隧道燈顯指和光利用率更高、使用壽命更長，更加節(jié)能，能夠大幅降低隧道內(nèi)高壓鈉燈長時間使用帶來的電能損耗。

(2)在隧道中，由于空間密閉性，隧道燈所發(fā)出的光會在隧道壁和路面上不斷反射，而長波長的金黃光在水泥和瀝青材質(zhì)表面的反射率更高，所以金黃光LED用作隧道燈比白光LED的路面反射亮度更高，駕駛安全性更強(qiáng)。此外，超強(qiáng)的反射率會增加光在隧道內(nèi)的反射次數(shù)，使得路面和隧道壁的光照分布更加均勻，有利于改善由燈具間隔引起的“斑馬線效應(yīng)”，提高人眼舒適性，提升駕駛安全性。

2 金黃光LED的應(yīng)用案例

金黃光LED路燈在實(shí)際應(yīng)用中也取得了非常好的效果，得到了用戶和周邊居民的廣泛認(rèn)可。以下具體介紹南昌市高新區(qū)中興路金黃光LED路燈改造項(xiàng)目和天津市西青經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)興華十支路金黃光LED路燈改造項(xiàng)目的工程案例。

2.1 南昌市高新區(qū)中興路金黃光LED路燈改造項(xiàng)目

圖4為南昌市高新區(qū)進(jìn)行金黃光LED照明改造前后的場景對比圖。該路段改造前后燈桿一致，路燈功率大小一致，均為130W，改造前為5 000 K的白光LED路燈，改造后為金黃光LED路燈。從圖中可以看出，在同一拍攝場景，圖4(a)的白光LED路燈照射下，路面顯得較為暗淡，物體較難識別；圖4(b)的金黃光LED路燈照射下，路面更加清晰，物體輪廓分明，視舒適性更高。

圖4 南昌市高新區(qū)中興路金黃光LED路燈改造前后現(xiàn)場對比

2.2 天津市西青經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)興華十支路金黃光LED路燈改造項(xiàng)目

興華十支路西起民和道，東至興華道，橫穿興盛道，位于天津市西青經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。原道路照明主要表現(xiàn)為亮度不足、顯色性差、功耗高，導(dǎo)致道路照明效果不佳，能源消耗嚴(yán)重，急需進(jìn)行照明改造。對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，該路段原有照明燈具是250 W高壓鈉路燈，燈桿間距為28 m，燈桿高度為9 m，測量路面寬度19 m，布桿方式為雙側(cè)對稱布燈。對該路段原有照明效果進(jìn)行照度測量，照度測試方式如圖5所示，測試結(jié)果如表1所示。

圖5 照度測量測試點(diǎn)分布圖

興華十支路照明改造前照度測試數(shù)據(jù)表 表1

對該路段進(jìn)行金黃光LED路燈改造，在原有燈桿上采用150 W金黃光LED路燈進(jìn)行更換，布燈方式不變。在上述同樣的區(qū)域采用同樣的方法進(jìn)行照度數(shù)據(jù)測量，結(jié)果如表2所示。

興華十支路照明改造后照度測試數(shù)據(jù)表 表2

圖6 興華十支路金黃光LED路燈改造前后效果圖

照明改造之后，興華十支路路面平均照度和照度均勻度均遠(yuǎn)高于原有路燈數(shù)據(jù)及國家標(biāo)準(zhǔn)，相對功耗僅為更換前高壓鈉路燈的60%，現(xiàn)場效果明顯優(yōu)于原有高壓鈉路燈及相鄰路段白光LED路燈。金黃光LED路燈照明改造前后現(xiàn)場效果如圖6所示，更換后的金黃光LED路燈效果(見圖6(b))明顯好于更換前的高壓鈉燈效果(見圖6(a))。更換前路面較為暗淡，存在較為明顯的“斑馬線效應(yīng)”；更換金黃光LED路燈后，路面明顯更為明亮，路面光照更加均勻。

3 結(jié)束語

綜上所述，金黃光LED具有無藍(lán)光、無熒光粉、低色溫、高顯指、高光效等技術(shù)特點(diǎn)，綜合了白光LED節(jié)能環(huán)保和高壓鈉燈暖色調(diào)的雙重優(yōu)勢。在市政照明中，金黃光LED路燈所發(fā)出的光透霧性強(qiáng)，路面反射亮度高光污染程度低，節(jié)能環(huán)保，非常適用于快速路、主干路、上坡路段、居民區(qū)道路等多種城市交通照明。在隧道照明中，金黃光LED隧道燈發(fā)出的黃光在隧道入口段和出口段能夠與自然光形成明顯的反差值，增強(qiáng)駕駛員的駕駛信心；在隧道中間段，金黃光LED具有非常高的反射率，能夠增強(qiáng)隧道路面及隧道壁的反射亮度，避免“斑馬線效應(yīng)”的產(chǎn)生。多項(xiàng)工程案例顯示，金黃光LED在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢顯著，是市政照明較為理想的照明光源。總之，金黃光LED在市政照明應(yīng)用中具有技術(shù)上的獨(dú)特優(yōu)勢，能夠從照明方面提高交通行駛安全性，符合新時代健康照明發(fā)展的趨勢，應(yīng)用前景十分廣闊。