【半月分享】道路照明设计过程中光源的应用

感谢分享作者：

上海市政工程设计研究总院

（ 集团 ） 有限公司 第十 市政 设计院

张继强 唐恺亮

摘 要：

针对道路照明设计过程中光源选择与道路等级问题 ， 通过对各类光源特性做简单分析比较 ， 了解其适用范围 ， 着重比较第二代光源髙压钠光源与第三代光源 LED 光源在道路照明中应用的优缺点 ， 并提出了相对应的解决方案。

关键词：

道路照明 光源选择 道路等级 照明设计

道路照明设计是建设城市功能照明的基础 ， 为了城市道路照明获得较好的效果 ， 满足《城市道路照明设计标准》 （CJJ 45 - 2006） 中照明设计指标对主干路 、 次干路及支路的相关要求 ， 应避免城市道路照明采用光效差 、 节能效果不好 、 光色使用不当 、 舒适度差 、 使用寿命短 、 维护不方便的光源。对于设计人员正确了解光源特点是十分必要的。

本文通过对各类光源特性做简单分析比较 ， 了解其适用范围 ， 着重比较第二代光源高压钠光源与第三代光源 LED 光源在道路照明中应用的优缺点。

2.1 传统的高压钠灯光源

高压钠灯使用时发出金白色光 ， 它具有发光效率高 、 耗电少 、 寿命长 、 雨雾天透雾能力强 、 不诱虫的优点 ， 且价格比较便宜 ， 运用比较成熟 、 光色为偏暖色。缺点是整灯光效低 、 显色性较差。广泛应用于道路 、 高速公路 、 机场 、 码头 、 船坞 、 车站 、 广场 、 街道交汇处 、 工矿企业 、 公园 、 庭院照明及植物栽培。高显色高压钠灯主要应用于体育馆 、 展览厅 、 娱乐场 、 百货商店和宾馆等场所照明。

（ 1） 对于开阔的道路 、 道路交叉口 ， 由于高压钠灯瓦数越大光效越高的特点 ， 因此适合采用大功率 、 高光效的高压钠灯光源路灯及中杆灯进行照明。对于宽阔 、 人员密集 、 照度标准高的中心广场 ， 可采用大功率 、 高光效的高压钠灯光源的高杆灯进行照明。狭窄的道路 、 次于路 、 支路 、 公园等对照明指标要求较低的场所 ， 采用小功率高压钠灯优势不明显 ， 因为高压钠灯瓦数越小光效越低。除了采用小功率高压钠灯外 ， 还可采用LED灯 、 金属卤化物灯 、 节能灯 、 无极灯等小功率高光效的灯具。

（ 2） 寿命长 、 透雾能力强。高压钠灯使用寿命相对较长 ， 平均寿命为24000—40000h。实际上 ， 用不同的材料做灯丝 ， 会发出不同波长的光 ， 当用钠做灯丝时 ， 发出的光在同样的光疆下 ， 经实验其透雾性 、 透机动车尾气 、 透尘灰较大的空气都是相对较强的 ， 因此高压钠灯适合做道路照明。

（ 3） 高压钠灯相对于LED灯 、 太阳能LED灯比较便宜 ， 目前LED灯价格是高压钠灯的1.3 ～ 2倍 ， 太阳能LED灯价格是高压钠灯的2 ～ 3倍。

（ 4） 高压钠灯的缺点是显色性较差 ， 道路照明宜采用高显色性高光效高压钠灯。

2.2 LED灯光源

LED灯作为路灯主要优点有：LED路灯作为第三代光源 ， 属于新生事物 ， 随着科技进步 ， 其各项指标不断改进和提高 ， 性价比也不断提高 ， 在国一家节能环保政策支持下 ， 会广泛应用到道路照明中。

LED灯作为路灯主要缺点：第一 ， 光衰较大。第二 ， 发光效率还不够高。目前虽然试验室水平大功率白光LED的发光效率已经超过了100 lm/W， 但量产的 、 性价比高的大功率白光LED发光效率还在80 lm/W～ 100 lm/W， 节能优势还没有充分发挥出来。第三 ， 地面对LED光的反射率低。由于目前白光LED光谱特征 ， 路面及周边物体对其反射率低 ， 所以路面的亮度较低 ， 与钠灯的黄光相比 ， 这是它的一个弱点。第四 ， LED发出的光与自然光仍有一定的差距。白炽灯具有非常强的黄色光的成分 ， 给人一种温暖的感觉 ， 而白光LED发出的白光带有蓝色光的成分 ， 在这种光的照明下 ， 人们的视觉不很自然。第五 ， 虽然目前初步解决了LED路灯的散热问题 ， 但半导体光源路灯目前正处于产业发展的开始阶段 ， 在提高散热效率 、 驱动控制系统优化 、 配光设计方面还有非常大的提升空间 ， 还有大量的研发工作需要深入开展。

2.3 陶瓷金属卤化物灯光源

陶瓷金属卤化物灯简称陶瓷金卤灯 ， 它是高压汞灯和高压钠灯相结合的产物 ， 是在石英金卤灯基础上发展起来的 ， 历经几十年的研发 ， 产品已经很成熟。陶瓷金卤灯的主要特点有：

（1） 光效高 、 光衰小 ， 视不同功率和结构 ， 发光效率一般都在80 lm/W～ 100 lm/W， 且发光稳定。 （ 2） 显色性好。显色指数 （ Ra ）一 般都在65 ～ 95 ， 且为暖白色。 （ 3） 色温稳定。色温3000 ～ 5600K ， 且色偏差小 ， 无论电源电压和使用环境如何变化 ， 在寿命期内其色温变化小于200K。 （ 4） 寿命较长。使用寿命可达15000h以上。

2.4 无极灯光源

无极灯的主要特点有：

（ 1） 光效较高 、 光衰小。视不同功率和结构 ， 发光效率一般都在 70 lm/W～ 83 lm/W 且发光稳定。

（ 2） 显色性好。显色指数 （ Ra ）一 般都在80以上。

（ 3） 无论电源电压和使用环境如何变化 ， 光通量变化小 ， 很适合电压降变化较大 、 距离变压器较远的场所。

（ 4） 寿命很长。使用寿命可达60000h ， 是所有成熟灯具中使用寿命最长的。

（ 5） 功率为 15 W～ 200 W， 适合次干路或支路 、 公园照度不高的场所。

2.5 低压钠灯光源

低压钠灯除了具有高压钠灯的一些特点外 ， 与高压钠灯差别有：

（ 1） 光效高 、 光衰小。视不同功率和结构 ， 发光效率一般都在100。200 lm/W， 且发光稳定。

（ 2） 显色性差 ， 发出黄光 ， 适用于显色性要求不高的场所。

（ 3） 功率为 18 W～ 180 W， 适合较大公园照度要求较高 、 显色性要求不高的场所。

2.6 太阳能路灯光源

太阳能照明其实是一个光电转换系统 ， 专业领域称为“硅晶片地面光伏组件”。工作原理是通过硅晶片接收太阳光线后转变为电能 ， 然后储存在蓄电池中 ， 再由光感开关进行控制。当天黑时能够自动点亮 ， 天亮时又自动熄灭。太阳能灯是光电转换技术的一种应用产品 ， 具有节能 、 环保 、 无需布线 、 智能控制 、 随时变换位置等特点。单晶硅或多晶硅太阳能组件的质量保证期为20a ， 系统设计时每天10h以上供电 ， 考虑到当地阴雨夭气 ， 将平均多余的电能储存到蓄电池内 ， 确保用户连续阴雨天有足够的电能使用等优点。主要缺点是由于蓄电池使用寿命平均为Sa左右 ， 成为制约太阳能路灯普及的主要因素。

近年来 ， 国内LED照明应用发展迅速 ， 很多厂家相继推出了大功率LED路灯 ， 并作为节能产品越来越多地应用于道路照明中。目前大功率LED路灯真的可以取代传统光源（主要是高压钠灯）吗？以下对大功率LED路灯的应用进行分析。

3.1 LED路灯的节电效果

在很多采用LED路灯取代高压钠灯的案例中 ， 节电是一个重要的因素。

从发光效率的比较来看 ， 目前实际应用的大功率LED路灯的发光效率 （ 80 lm/W～ 100 lm/W） 远低于高压钠灯 （ 100 lm/W～ 138 lm/W）。

从灯具效率的比较来看 ， LED是定向发光 ， 高压钠灯通过反射膜将光聚集到地面 ， 光线在灯具内反射过程中 ， 要损失20 ％～ 30 ％， 由此看来 ， LED灯具效率高于高压钠灯。

因发光效率低 ， LED路灯灯具 （ 高端产品 ） 综合能效比标准高压钠灯 （ 低端产品 ） 高20 ％ 左右 ， 与高光效高显色性高压钠灯 （ 高端产品 ） 相当；LED路灯灯具 （ 低端产品 ） 综合能效与标准高压钠灯 （ 低端产品 ） 相当 ， 比高光效高显色性高压钠灯 （高 端产品 ） 低20 ％ 左右。在一些证明LED路灯取代高压钠灯获得节电效果的案例中 ， 据分析 ， 这些案例往往是原有路灯功率偏高 （ 亮度严重超标 ） 或灯具效率低 ， 光源严重衰减。目前LED路灯产品质量参差不齐 ， 缺乏必要标准和参数 ， 简单推断所有LED路灯节电并不科学 ， 只有在光效进一步提高 ， 配套技术进一步改进 ， 达到国际主流品牌标准时 ， 才能谈得上节电 ， 但从发展的观点看 ， LED路灯有良好前景。

3.2 LED路灯的光色问题

目前大功率LED路灯基本上是采用5000K ～ 6000K色温的白光 ， 作为道路照明光源 ， 在视觉感觉上过分阴冷 ， 下雨天 、 雾天 ， LED灯光线穿雾能力不强 ， 同时远视时眼睛的观察能力会下降 ， 在这方面的一些研究中证明 ， 低于3000K的黄光或暖白光是比较适合道路照明的 ， 因此高色温的LED路灯不适合做路灯。因此 ， LED路灯推广不宜激进 ， 不宜全面替换 （ 特别是主干道 ）， 恐引发后遗症 ， 在遇到极端天气或同时大批量坏灯或严重光衰时 ， 影响道路安全。

3.3 LED路灯目前的成本还远于高压钠灯

一款全进口飞利浦整套100W/LED光源灯具3100元+11m灯杆1500元=4600元；全进口飞利浦整套150W/LED光源灯具3960元+11m灯杆1500元=5460元；全进口飞利浦整套180W/LED光源灯具4500元+11m灯杆1500元=6000元；交叉口用的大功率全进口飞利浦整套210W/LED光源灯具5000元+13m灯杆1900元=6900元。

另一款半进口（驱动电源及芯片）飞利浦整套100W/LED光源灯具1600元+11m灯杆1500元=3100元；半进口（驱动电源及芯片）飞利浦整套150W/LED光源灯具2500元+11m灯杆1500元=4000元；半进口（驱动咆源及芯片）飞利浦整套180W/LED光源灯具3040元+11m灯杆1500元=4540元；交叉口用的大功率半进口飞利浦整套210W/LED光源灯具3580元+13m灯杆1900元=5 4 80元。

对于高端高压钠灯产品 ， 有一款全进口飞利浦整套100W/高光效高显色性高压钠灯光源灯具900元+11m灯杆1500元=2400元；全进口采用飞利浦整套150W/高光效高显色性高压钠灯光源灯具l200元+11m灯杆l500元=2700元；全进口飞利浦整套250W/高光效高显色性高压钠灯光源灯具1500元+11m灯杆1500元=3000元：交叉口用的大功率全进口采用飞利浦整套400W/高光效高显色性高压钠灯光源灯具2100元+13m灯杆l900元=4000元。

对于低端普通高压钠灯产品 ， 有一款国产品牌100W/标准高显色性高压钠灯光源灯具600元+11m灯杆1500元=2100元；国产品牌150W/标准高显色性高压钠灯光源灯具800元+11m灯杆1500元=2300元；国产品牌250W/标准高显色性高压钠灯光源灯具1100元+11m灯杆1500元=2600元 ， 交叉口用的大功率国产品牌400W/标准高显色牲高压钠灯光源灯具1500元+13m灯杆1900元=3400元。

目前一套进口品牌的高压钠灯 （ 含灯具 、 成套电器光源 ） 价格在2400元～4000元 ， 一套进口品牌的LED灯价格在3000元～8000元 ， 甚至更高 ， 平均价格是全进口LED路灯的1/2 ， 是半进口LED路灯的0.75倍左右。

由于高端LED路灯的价格是低端普通高压钠灯的1.6～2倍 ， 即使LED路灯的耗电量仅是高压钠灯的2/3 ， 但由于价格比高压钠灯高许多 ， 用LED代替高压钠灯成本回收周期仍然会很长。

3.4 使用寿命比较

LED路灯标称使用寿命是 50000 h以上 ， 这是芯片的理想寿命 ， 芯片的封装 、 灯具散热等因素都可能光衰减 ， 还有驱动电路 （ 以电子元器件为主 ） 的寿命显然也不能达到 50000 h ， 许多国产LED驱动电路装置寿命只有 10000 h左右。在曾经试用的部分LED路灯中 ， 就发现半个月不到 ， 灯具的衰减已经非常明显。高压钠灯标称寿命目前已经超过 28000 h ， 实际应用3—4a问题不大 ， 相比之下 ， LED灯由于其芯片等部件的“短板” ， 其寿命上的问题更多。对光源的维护 ， 高压钠灯要容易得多 ， 可在现场直接更换光源电器 ， 成本也较低 ， 而对于LED路灯则需要整灯拆卸 ， 修复故障后重新安装 ， 现场维护无法进行。

3.5 LED路灯的配光间题

目前LED路灯的配光技术已经有了很大发展 ， 有些厂家已经开发出二次配光系统 ， 而不再是单纯依靠芯片排列来配光。对灯具间距布局较大时 ， 二次配光采用矩形配光或蝙蝠翼型配光；对路面亮度和均匀度均有要求时 ， 采用朗伯型配光 ， 向路面投射矩形光束；对交叉口 ， 用大功率光源 ， 采用聚光型配光 ， 向交叉口中心投射光束。综合来看 ， 配光还不能做到完全合理。曾观察一款灯具 ， 在道路侧的配光较亮 ， 均匀度也满足要求 ， 但人行道侧亮度明显不足 ， 环境比 （ SR ） 值明显不符合要求 ， 人行道需要增设LED灯光源。

3.6 LED路灯的规格问题

LED路灯在产品规格方面缺少统一的技术标准 ， 目前还没有统一的LED路灯生产技术标准 ， 只有地方标准。标准滞后 ， 每个厂家按自己的标准生产自己的产品 ， 彼此间是很难通用的 ， 另外LED路灯多芯片组装工作的特性使芯片和灯具捆绑在一起 ， 难以维护 ， 维护时必须使用原厂产品。高压钠灯由于技术标准的统一 ， 灯具 、 光源 、 电器方面通用性较强 ， 不同厂家之间的产品是可以互用的 ， 从维护角度考虑 ， 这是非常重要的 ， 而维护对于路灯管理单位来说则又是重中之重 ， 只有这样才可以及时对熄灭路灯进行维护 ， 保证高的亮灯率 （ 上级部门对路灯管理考核中最重要的一项内容 ）， 同时大大降低维护成本。

3.7 款式比较

传统高压钠灯功率可选性差 ， 只有1000 W、 400 W、 250 W、 150 W、 100 W、 70 W， 不能针对不同道路等级 、 不同路宽 ， 采用相应的光源 ， 造成能源的浪费或不足。LED路灯款式多种多样 ， 可根据需要任意配置 ， 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， 能针对不同道路等级 、 不同路宽 ， 采用相应的光源 ， 不造成能源的浪费。这也是LED路灯的优点。

从目前的发展状况来看 ， LED路灯是无法维护的 ， 一旦出现故障 ， 只能整个灯具进行更换 ， 除了高额成本外 ， 维护的时间也要大大延长 ， 这对使用单位来说是非常不利的。LED照明是一项正在发展的技术 ， 其光效在不断的提高 、 成本不断下降 ， 但目前要全面取代传统高压钠灯作为路灯照明还不是时候 ， 所以在建设部颁发的《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》 、 城市道路照阴专业委员会《贯彻“十一五”城市绿色照明工程规划纲要实施细则》等政策性文件中 ， 明确路灯节能光源还是以高压钠灯为主 ， LED则推荐在城市景观照明中应用。

3.8 经济技术比较

高压钠灯为气体放电灯 ， 具有功率越高光效越高的特点 ， 而LED路灯光效不随功率变化而变化 ， 一般与整体配置有关 ， 目前绝大部分产品光效为80 lm/W～ 100 lm/W， 极少有120 lm/W 。

从经济 、 节能角度出发 ， 对于路宽25 m 以上的主干路平均照度需要达到20lx以上 ， 推荐采用250 W、 400 W 高光效高显色性高压钠灯光源；对于20 m～ 25 m 路宽的主干路平均照度需要达到20lx以上 ， 推荐采用250 W 以上高光效高显色性高压钠灯光源或采用国际主流品牌高光效180 W /LED灯光源 （ 高端产品 ）； 对于路宽14 m～ 16 m 的支路平均照度需要达到10lx ， 采用150 W 以下普通高压钠灯 ， 因光效较低 ， 综合能耗较高 ， 推荐采用国际主流品牌高光效100 lm/W 的LED灯光源 （ 高端产品 ）； 对于路宽7 m～ 14 m 的支路平均照度需要达到10lx ， 采用100 W 以下普通高压钠灯 ， 因光效较低 ， 综合能耗较高 ， 推荐采用国际主流品牌高光效100 lm/W 的LED灯光源 （ 高端产品 ）。

LED路灯作为第兰代光源 ， 属于新生事物 ， 在节能 、 环保 、 绿色的趋势下 ， 在政府的大力支持下 ， 在性价比不断提高下 ， 在关键技术日趋成熟的情况下 ， 二次配光和散热等研究已引起厂家更多重视 ， 主流企业把LED路灯作为自己的主业 ， 加强科技投入 ， 并取得了可观的工程经验。随着科技进步 ， LED路灯将逐步成为路灯的主流产品 ， 推荐采用国际主流品牌高光效100 lm/W 以上/LED路灯。

本文通过对道路照明各类常用光源的分析 ， 着重对第二代光源传统高压钠灯与第三代光源LED光源进行分析比较 ， 提出了解决这些问题的实际对策。随着新技术进步 、 价格下降 ， LED光源在道路照明中的广泛应用成为可能。