道路照明設計過程中光源的應用

張繼強，唐愷亮

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司第十設計院，甘肅 蘭州73000）

道路照明設計過程中光源的應用

張繼強，唐愷亮

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司第十設計院，甘肅 蘭州73000）

針對道路照明設計過程中光源選擇與道路等級問題，通過對各類光源特性做簡單分析比較，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用的優缺點，并提出了相對應的解決方案。

道路照明；光源選擇；道路等級；照明設計

0　引言

道路照明設計是建設城市功能照明的基礎，為了城市道路照明獲得較好的效果，滿足《城市道路照明設計標準》（CJJ 45—2006）中照明設計指標對主干路、次干路及支路的相關要求，應避免城市道路照明采用光效差、節能效果不好、光色使用不當、舒適度差、使用壽命短、維護不方便的光源。對于設計人員正確了解光源特點是十分必要的。

本文通過對各類光源特性做簡單分析比較，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用的優缺點。

1　各類燈光源特點分析

1.1傳統的高壓鈉燈光源

高壓鈉燈使用時發出金白色光，它具有發光效率高、耗電少、壽命長、雨霧天透霧能力強、不誘蟲的優點，且價格比較便宜，運用比較成熟、光色為偏暖色。缺點是整燈光效低、顯色性較差。廣泛應用于道路、高速公路、機場、碼頭、船塢、車站、廣場、街道交匯處、工礦企業、公園、庭院照明及植物栽培。高顯色高壓鈉燈主要應用于體育館、展覽廳、娛樂場、百貨商店和賓館等場所照明。

（1）對于開闊的道路、道路交叉口，由于高壓鈉燈瓦數越大光效越高的特點，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行照明。對于寬闊、人員密集、照度標準高的中心廣場，可采用大功率、高光效的高壓鈉燈光源的高桿燈進行照明。狹窄的道路、次干路、支路、公園等對照明指標要求較低的場所，采用小功率高壓鈉燈優勢不明顯，因為高壓鈉燈瓦數越小光效越低。除了采用小功率高壓鈉燈外，還可采用LED燈、金屬鹵化物燈、節能燈、無極燈等小功率高光效的燈具。

（2）壽命長、透霧能力強。高壓鈉燈使用壽命相對較長，平均壽命為24 000～40 000 h。實際上，用不同的材料做燈絲，會發出不同波長的光，當用鈉做燈絲時，發出的光在同樣的光強下，經實驗其透霧性、透機動車尾氣、透塵灰較大的空氣都是相對較強的，因此高壓鈉燈適合做道路照明。

（3）高壓鈉燈相對于LED燈、太陽能LED燈比較便宜，目前LED燈價格是高壓鈉燈的1.3～2倍，太陽能LED燈價格是高壓鈉燈的2～3倍。

（4）高壓鈉燈的缺點是顯色性較差，道路照明宜采用高顯色性高光效高壓鈉燈。

1.2LED燈光源

LED燈作為路燈主要優點有：LED路燈作為第三代光源，屬于新生事物，隨著科技進步，其各項指標不斷改進和提高，性價比也不斷提高，在國家節能環保政策支持下，會廣泛應用到道路照明中。

LED燈作為路燈主要缺點：第一，光衰較大。第二，發光效率還不夠高。目前雖然試驗室水平大功率白光LED的發光效率已經超過了100 lm/W，但量產的、性價比高的大功率白光LED發光效率還在80～100 lm/W，節能優勢還沒有充分發揮出來。第三，地面對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，這是它的一個弱點。第四，LED發出的光與自然光仍有一定的差距。白熾燈具有非常強的黃色光的成分，給人一種溫暖的感覺，而白光 LED發出的白光帶有藍色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺不很自然。第五，雖然目前初步解決了LED路燈的散熱問題，但半導體光源路燈目前正處于產業發展的開始階段，在提高散熱效率、驅動控制系統優化、配光設計方面還有非常大的提升空間，還有大量的研發工作需要深入開展。

1.3陶瓷金屬鹵化物燈光源

陶瓷金屬鹵化物燈簡稱陶瓷金鹵燈，它是高壓汞燈和高壓鈉燈相結合的產物，是在石英金鹵燈基礎上發展起來的，歷經幾十年的研發，產品已經很成熟。陶瓷金鹵燈的主要特點有：（1）光效高、光衰小，視不同功率和結構，發光效率一般都在80～100 lm/W，且發光穩定。（2）顯色性好。顯色指數（Ra）一般都在65～95，且為暖白色。（3）色溫穩定。色溫3 000～5 600 K，且色偏差小，無論電源電壓和使用環境如何變化，在壽命期內其色溫變化小于200 K。（4）壽命較長。使用壽命可達15 000 h以上。

1.4無極燈光源

無極燈的主要特點有：

（1）光效較高、光衰小。視不同功率和結構，發光效率一般都在70～83 lm/W，且發光穩定。

（2）顯色性好。顯色指數（Ra）一般都在80以上。

（3）無論電源電壓和使用環境如何變化，光通量變化小，很適合電壓降變化較大、距離變壓器較遠的場所。

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

（5）功率為15～200 W，適合次干路或支路、公園照度不高的場所。

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外，與高壓鈉燈差別有：

（1）光效高、光衰小。視不同功率和結構，發光效率一般都在100～200 lm/W，且發光穩定。

（2）顯色性差，發出黃光，適用于顯色性要求不高的場所。

（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所。

1.6太陽能路燈光源

太陽能照明其實是一個光電轉換系統，專業領域稱為“硅晶片地面光伏組件”。工作原理是通過硅晶片接收太陽光線后轉變為電能，然后儲存在蓄電池中，再由光感開關進行控制。當天黑時能夠自動點亮，天亮時又自動熄滅。太陽能燈是光電轉換技術的一種應用產品，具有節能、環保、無需布線、智能控制、隨時變換位置等特點。單晶硅或多晶硅太陽能組件的質量保證期為20 a，系統設計時每天10 h以上供電，考慮到當地陰雨天氣，將平均多余的電能儲存到蓄電池內，確保用戶連續陰雨天有足夠的電能使用等優點。主要缺點是由于蓄電池使用壽命平均為5 a左右，成為制約太陽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，國內LED照明應用發展迅速，很多廠家相繼推出了大功率LED路燈，并作為節能產品越來越多地應用于道路照明中。目前大功率LED路燈真的可以取代傳統光源（主要是高壓鈉燈）嗎？以下對大功率LED路燈的應用進行分析。

2.1LED路燈的節電效果

在很多采用LED路燈取代高壓鈉燈的案例中，節電是一個重要的因素。

從發光效率的比較來看，目前實際應用的大功率LED路燈的發光效率（80～100 lm/W）遠低于高壓鈉燈（100～138 lm/W）。

從燈具效率的比較來看，LED是定向發光，高壓鈉燈通過反射膜將光聚集到地面，光線在燈具內反射過程中，要損失20%～30%，由此看來，LED燈具效率高于高壓鈉燈。

因發光效率低，LED路燈燈具（高端產品）綜合能效比標準高壓鈉燈（低端產品）高20%左右，與高光效高顯色性高壓鈉燈（高端產品）相當；LED路燈燈具（低端產品）綜合能效與標準高壓鈉燈（低端產品）相當，比高光效高顯色性高壓鈉燈（高端產品）低20%左右。在一些證明LED路燈取代高壓鈉燈獲得節電效果的案例中，據分析，這些案例往往是原有路燈功率偏高（亮度嚴重超標）或燈具效率低，光源嚴重衰減。目前LED路燈產品質量參差不齊，缺乏必要標準和參數，簡單推斷所有LED路燈節電并不科學，只有在光效進一步提高，配套技術進一步改進，達到國際主流品牌標準時，才能談得上節電，但從發展的觀點看，LED路燈有良好前景。

2.2LED路燈的光色問題

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，在視覺感覺上過分陰冷，下雨天、霧天，LED燈光線穿霧能力不強，同時遠視時眼睛的觀察能力會下降，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，不宜全面替換（特別是主干道），恐引發后遺癥，在遇到極端天氣或同時大批量壞燈或嚴重光衰時，影響道路安全。

2.3LED路燈目前的成本還遠于高壓鈉燈

一款全進口飛利浦整套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。

另一款半進口（驅動電源及芯片）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；半進口（驅動電源及芯片）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；半進口 （驅動電源及芯片）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。

對于高端高壓鈉燈產品，有一款全進口飛利浦整套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。

對于低端普通高壓鈉燈產品，有一款國產品牌100 W/標準高顯色性高壓鈉燈光源燈具600元+11 m燈桿1 500元=2 100元；國產品牌150 W/標準高顯色性高壓鈉燈光源燈具800元+11 m燈桿1 500元=2 300元；國產品牌250 W/標準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產品牌400 W/標準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。

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

由于高端LED路燈的價格是低端普通高壓鈉燈的1.6～2倍，即使LED路燈的耗電量僅是高壓鈉燈的2/3，但由于價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很長。

2.4使用壽命比較

LED路燈標稱使用壽命是5萬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，還有驅動電路（以電子元器件為主）的壽命顯然也不能達到5萬h，許多國產LED驅動電路裝置壽命只有1萬h左右。在曾經試用的部分LED路燈中，就發現半個月不到，燈具的衰減已經非常明顯。高壓鈉燈標稱壽命目前已經超過2.8萬h，實際應用3～4 a問題不大，相比之下，LED燈由于其芯片等部件的“短板”，其壽命上的問題更多。對光源的維護，高壓鈉燈要容易得多，可在現場直接更換光源電器，成本也較低，而對于LED路燈則需要整燈拆卸，修復故障后重新安裝，現場維護無法進行。

2.5LED路燈的配光問題

目前LED路燈的配光技術已經有了很大發展，有些廠家已經開發出二次配光系統，而不再是單純依靠芯片排列來配光。對燈具間距布局較大時，二次配光采用矩形配光或蝙蝠翼型配光；對路面亮度和均勻度均有要求時，采用朗伯型配光，向路面投射矩形光束；對交叉口，用大功率光源，采用聚光型配光，向交叉口中心投射光束。綜合來看，配光還不能做到完全合理。曾觀察一款燈具，在道路側的配光較亮，均勻度也滿足要求，但人行道側亮度明顯不足，環境比（SR）值明顯不符合要求，人行道需要增設LED燈光源。

2.6LED路燈的規格問題

LED路燈在產品規格方面缺少統一的技術標準，目前還沒有統一的LED路燈生產技術標準，只有地方標準。標準滯后，每個廠家按自己的標準生產自己的產品，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，維護時必須使用原廠產品。高壓鈉燈由于技術標準的統一，燈具、光源、電器方面通用性較強，不同廠家之間的產品是可以互用的，從維護角度考慮，這是非常重要的，而維護對于路燈管理單位來說則又是重中之重，只有這樣才可以及時對熄滅路燈進行維護，保證高的亮燈率（上級部門對路燈管理考核中最重要的一項內容），同時大大降低維護成本。

2.7款式比較

傳統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，不能針對不同道路等級、不同路寬，采用相應的光源，造成能源的浪費或不足。LED路燈款式多種多樣，可根據需要任意配置，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，能針對不同道路等級、不同路寬，采用相應的光源，不造成能源的浪費。這也是LED路燈的優點。

從目前的發展狀況來看，LED路燈是無法維護的，一旦出現故障，只能整個燈具進行更換，除了高額成本外，維護的時間也要大大延長，這對使用單位來說是非常不利的。LED照明是一項正在發展的技術，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高壓鈉燈作為路燈照明還不是時候，所以在建設部頒發的《“十一五”城市綠色照明工程規劃綱要》、城市道路照明專業委員會《貫徹“十一五”城市綠色照明工程規劃綱要實施細則》等政策性文件中，明確路燈節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用。

2.8經濟技術比較

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

從經濟、節能角度出發，對于路寬25 m以上的主干路平均照度需要達到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；對于20～25 m路寬的主干路平均照度需要達到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際主流品牌高光效180 W/LED燈光源（高端產品）；對于路寬14～16 m的支路平均照度需要達到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，推薦采用國際主流品牌高光效100 lm/W的LED燈光源（高端產品）；對于路寬7～14 m的支路平均照度需要達到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，推薦采用國際主流品牌高光效100 lm/W的LED燈光源（高端產品）。

LED路燈作為第三代光源，屬于新生事物，在節能、環保、綠色的趨勢下，在政府的大力支持下，在性價比不斷提高下，在關鍵技術日趨成熟的情況下，二次配光和散熱等研究已引起廠家更多重視，主流企業把LED路燈作為自己的主業，加強科技投入，并取得了可觀的工程經驗。隨著科技進步，LED路燈將逐步成為路燈的主流產品，推薦采用國際主流品牌高光效100 lm/W以上/LED路燈。

3　結　語

本文通過對道路照明各類常用光源的分析，著重對第二代光源傳統高壓鈉燈與第三代光源LED光源進行分析比較，提出了解決這些問題的實際對策。隨著新技術進步、價格下降，LED光源在道路照明中的廣泛應用成為可能。

U491.5+3

B

1009-7716（2016）01-0032-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.011

2015-07-20

張繼強（1966-），男，福建上杭人，工程師，從事電氣、儀表專業設計工作。