LED路灯节能改造工程的实测与分析

张　航，陈国福，宋开伟

(重庆市建筑科学研究院，重庆　400015)



LED路灯节能改造工程的实测与分析

张航，陈国福，宋开伟

(重庆市建筑科学研究院，重庆400015)

摘要：重庆市渝北区对辖区范围内的部分主、次干道高压钠灯进行了LED节能改造。本文针对道路现场灯具更换前后的照度、亮度、实际节电率等进行了测量和分析，对比研究得出了LED与高压钠灯的实际使用效果。研究表明，经LED路灯节能改造后，道路照明情况改善，照度、亮度及均匀度提高，实际节电率达50%以上。

关键词：节能；LED路灯；照度；均匀度；节电率

引言

重庆市是国家科技部推出的“十城万盏”半导体照明应用示范试点城市之一，为了积极响应并推行节能减排、发展绿色照明，渝北区于2014年初启动了LED路灯节能改造工程，并委托重庆市建筑科技研究院(以下简称“我院”)对部分重点道路改造前后的照明质量及节能效果进行了现场测试。

城市道路照明关系到车辆和行人安全、社会治安安全、市容景观环境形象等，是影响城市居民生产生活质量的民生工程。以LED路灯为代表的半导体照明技术日新月异，产品种类繁多，但用于城市主、次干道等重点道路，其是否满足CJJ45—2006《城市道路照明设计标准》[1]，与高压钠灯相比照明、节能效果如何，只有通过现场测量、对比分析才能发现。本文对渝北区LED路灯节能改造工程进行实测分析，为适用于重庆市道路照明的LED产品设计选型和工程建设积累经验。

1现场实测

1.1工程概况

渝北区路灯LED节能改造工程包括回兴片区、两路片区、龙溪片区、空港工业园区、台商工业园区、农业科技园区、空港新城等7大区块，共计16条重点道路。城区道路原有灯具为：400W钠灯约11063盏、250W钠灯约7479盏、150W钠灯约235盏，共计约18777盏。根据该工程设计文件，节能改造方案不改变原有布灯方式、灯杆间距和布灯高度，仅采用相匹配的LED灯具进行一比一替换原有灯具，与原有400W、250W、150W钠灯匹配替换的LED灯依次为240W、120W、80W，LED灯具由重庆某公司生产。以400W钠灯和240W LED灯为例，灯具的光学性能如表1所示。我院现阶段已完成5条重点道路的照明测试，道路基本信息如表2所示。

表1　灯具的光学性能

表2　实测道路基本信息

1.2测试方案

根据《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2006)和《城市照明节能评价标准》(JGJ/T 307—2013)[2]，选择路面平均照度、照度均匀度、平均亮度、亮度总均匀度、亮度纵向均匀度、实际节电率作为测量指标。照度、亮度等照明参数以每条道路2个测区所测值的平均值作为最终值，实际节电率以单侧连续30根灯杆所形成回路的改造前后实际消耗功率之比确定，单侧不足30根的以实际灯杆数为准。根据所测道路相应指标是否符合设计要求、与改造前相比提高率等评价道路照明效果。

1.3组织实施

我院于2014年6月—12月对改造前后的5条重点道路进行了现场测试，根据《照明测量方法》(GB/T 5700—2008)[3]中相关要求，道路现场照明测量范围选择在灯具的间距、高度、悬挑、仰角和光源的一致性等方面能代表被测道路的典型路段，同一侧两根灯杆之间为一个测区，横向根据路宽和布灯方式选取，采用中心布点法，以矩形网格为单位测区(长=灯杆间距/10，宽=单车道宽度/3)，改造前、后测区一一对应。测区划分、照度、亮度、功率测试见图1～图4。测量所用主要仪器设备：50m皮尺、XYI-Ⅲ一级全数字照度计、XYL-Ⅲ一级全数字亮度计、智能电量测量仪等。

图1　照度、亮度测区划分示意图Fig.1　The test area’s diagram illumination and brightness

图2　照度测量Fig.2　Illumination measurement

图3　亮度测量Fig.3　Brightness measurement

图4　实际消耗功率测量Fig.4　Real power consuonption measurement

2结果与讨论

2.1照度

2.1.1平均照度

每条道路有2个测区，以相邻两灯杆的灯杆编号表示，各测区平均照度值为该测区所有测点照度的平均值。根据相应的道路等级，参照CJJ 45—2006选择设计值，平均照度提高率为2个测区的平均值。改造前后各道路平均照度实测值及平均照度提高率试验结果见表3所示。

表3　改造前后各道路平均照度Eav试验结果

注：表中“/”左侧为低档值，右侧为高档值。

常用照度的计算值为平均照度，CJJ45中规定的平均照度(或亮度)值是维持值，它是在计入光源计划更换时光通量的衰减以及灯具因污染造成效率下降等因素后设计计算所采用的平均照度值，即更换光源前的照度值。该工程所使用的钠灯和LED灯防护等级均为IP65，其初始照度按维护系数0.7来计算应为更换光源时照度值的1.43倍。同时，相关研究表明[4]，维持值是满足机动车驾驶员视觉作业要求的合理数值，再提高路面照度或亮度水平对驾驶员的视觉作业没有太多的帮助，反而会造成能源浪费、光污染、光干扰等负面问题，因此，该工程主干路初始照度应为28.6lx/42.9lx，次干路应为14.3lx/21.5lx，才能满足相应道路照明所需要的维持值。由表3可以看出：1)改造前路灯为高压钠灯时，宝桐路、空港大道、兰馨大道3条主干路的平均照度值均不能满足初始照度低档值要求，渝航路、黄龙路2条次干路的平均照度值高于初始照度高档值要求；2)改造后路灯为LED灯时，3条主干路的平均照度值均满足初始照度要求，2条次干路平均照度值超出初始照度高档值1倍；3)与改造前相比，平均照度显著提高，最高达150%。

高压钠灯更换为LED灯后，主干路初始照度显著提高，平均照度值适中，由于改造没有涉及布灯方式、灯杆间距、布灯高度等，因此，次干路平均照度值过高的问题依然存在。结合表2中的道路条件、光源功率、灯具布置可以看出，采用LED光源的路灯对道路平均照度的提升效果随着灯杆间距、高度及道路宽度的增加而增加，但是当灯杆间距、路宽过大时提升效果下降。可以看出，对于不同类型的道路均存在与LED路灯的配光曲线相适应的灯杆及灯具布置方式。

2.1.2照度均匀度

改造前后各道路照度均匀度实测值及提高率试验结果见表4。

从照度均匀度的定义可知，均匀度越接近1，光线分布越均匀，视觉感受越舒服，照度越好；反之均匀度越小越增加视觉疲劳。由表4可以看出：1)改造前，除兰馨大道外，其它道路的照度均匀度普遍不能满足设计要求；2)改造后，5条道路的照度均匀度均能满足相应道路等级的设计要求；3)与改造前相比，照度均匀度显著提高，最高可达87%。更换路灯后，不仅照度提高了，路面的光线分布均匀程度也大幅提高，主要原因可能是：一方面，钠灯的显色指数低，Ra通常只有20～30左右，光线显得昏暗，颜色还原能力差，而LED灯显色指数高，Ra一般在70～85之间[5]；另一方面，钠灯配光性差，水滴型光斑效果使得很多无用光透射到马路以外很远的地方，而LED灯的蝙蝠翼配光曲线具有更理想的光斑效果，可以照亮马路以及两侧一定的范围[6]。

表4　改造前后各道路照度均匀度UE试验结果

2.2亮度

2.2.1平均亮度

亮度是道路表面单位面积上反射出的光量，其分布与照度分布有相当大的差别，仅采用路面照度作为道路照明指标不能给出视感条件的真实情况，将亮度纳入道路照明评价系统，与国际接轨，是未来的趋势。改造前后各道路平均亮度实测值及提高率试验结果见表5所示。

表5　改造前后各道路平均亮度Lav试验结果

注：表5中“/”左侧为低档值，右侧为高档值。

道路照明中，直观的进入人眼睛的是亮度，虽然照度与亮度密切相关，但是路面材料、路面磨损、灯具配光等因素的影响使二者之间的定量关系难以确定，因此，国际上更多使用亮度作为道路照明评价系统，CIE115—2010[7]中规定了适用于不同道路照明等级的路面平均亮度，M1级路为2 cd/m2，M6级路为0.3 cd/m2。由表5可以看出：改造前，次干路平均亮度满足设计要求，主干路不满足；经LED改造后，主、次干路平均亮度均能满足设计要求，且亮度显著增加，较照度提升更为明显。

2.2.2亮度总均匀度

改造前后各道路亮度总均匀度实测值及提高率试验结果见表6。

表6　改造前后各道路亮度总均匀度U0试验结果

由表6可以看出：改造前，次干路亮度总均匀度不满足设计要求，主干路满足，经LED改造后，主、次干路平均亮度均能满足设计要求，且均匀度显著增加。对比改造前主、次干道的亮度及均匀度可以看出，路灯为高压钠灯时不能同时保证亮度和亮度均匀度均符合设计要求。

2.2.3亮度纵向均匀度

从现场照明效果看，亮度纵向均匀度非常重要，过低就会出现“斑马线”现象。改造前后各道路亮度纵向均匀度实测值及提高率试验结果见表7所示。

由表7可以看出：改造前道路的亮度纵向均匀度较差，远低于设计值，改造后纵向均匀度显著提高，但是与设计值仍然有明显的差距。分析原因可能有两个方面：1)在不改变灯杆间距、灯杆高度、配电线缆的条件下，仅更换灯头，可能影响了LED照明效果的发挥，同时道路两旁的绿化、光污染等对纵向均匀度的测试结果也有明显影响；2)吴春海等[8]研究认为LED路灯的配光设计普遍没有充分考虑光的入射角度和路面的反射性能，通过路面反射进入驾驶者眼睛的有效光并不多，亮度分布不均匀，特别是纵向均匀度较低。

表7　改造前后各道路亮度纵向均匀度UL试验结果

2.3实际节电率

《城市照明节能评价标准》(JGJ/T 307—2013)将节电率作为一个重要的评价指标。由于该道路照明改造工程仅针对灯具，即采用LED灯具替代传统钠灯，未涉及照明线路及配套设施，相比与传统钠灯，LED灯具的实际消耗功率与额定功率相差较小，因此理论节电率不能真实反映实际节能效果，所以采用智能电量测量仪对代表性路段进行实际节电率检测，实际节电率通过选定路段在改造前、后实际能耗的比较得出。改造前后各道路实际节电率检测结果见表8。

表8　改造前后各道路实际节电率试验结果

由表8可以看出，与改造前相比，改造后相同灯杆回路的实际消耗功率显著降低，降低幅度均超过50%。相关研究表明：高压钠灯的功率因数低，镇流器损耗大，而LED功率因数高，驱动光源损耗小，例如额定功率400W的传统高压钠灯实际功率约为500W，额定功率为240W的LED路灯实际功率约为245W。根据现场取样实测发现，高压钠灯功率因数在0.42左右，LED路灯的功率因数均在0.90以上，因此在忽略线损差异的情况下，LED路灯形成回路的实际消耗功率要远低于高压钠灯回路。

3结语

通过现场实测路面的照度、亮度及路灯实际功率，对比了新安装LED路灯与原来传统高压钠灯的实际使用效果。与改造前相比，经LED路灯节能改造后，道路路面的平均照度、照度均匀度、平均亮度及亮度总均匀度提高且满足相关标准规定，亮度纵向均匀度虽然得到改善，但是仍不能满足相关标准规定，路灯实际消耗功率降低，节电率达50%以上。目前LED路灯的光衰是制约其应用的关键问题之一，现阶段的测试结果不能反映其使用期性能的稳定性和预测使用寿命，LED的光衰指标需要通过每年的对比检验来确定。

参考文献

[1] 城市道路照明设计标准:CJJ 45—2006[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 城市照明节能评价标准:JGJ/T 307—2013[S].北京：中国建筑工业出版社,2014

[3] 照明测量方法:GB/T 5700—2008[S].北京：中国标准出版社，2009.

[4] 黄珂.道路照明测量方法研究[D].重庆:重庆大学建筑技术科学系,2006.

[5] 郑子伟.LED照明检测与节能评价研究[J].中国计量,2013(12):49-58.

[6] 汪飞佳.LED路灯目前存在的问题及未来的发展前景[J].照明工程学报,2012,23(4):97-99.

[7] Lighting of roads for motor and pedestrian traffic:CIE115—2010[S].CIE，2010.

[8] 吴春海.LED路灯检测报告的分析和建议[J].建筑电气,2009,28(10):35-37.

Tests and Analysis of Energy-saving Renovation Project

of LED Road Lighting Lamp

Zhang Hang, Chen Guofu, Song Kaiwei

(ChongqingConstructionScienceResearchInstitute,Chongqing400015,China)

Abstract：Yubei district of Chongqing reconstructed the part of primary and secondary roads’ High voltage sodium lamps by the way of LED energy-saving within the scope of jurisdiction. The quality of road lighting and the energy saving effect after reconstruction should be appraised by practice. The site’s illuminance, brightness, the actual electricity saving rate before and after the replacement of road lamp have been measured and analyzed, obtaining the actual use effect of LED and High voltage sodium lamp by contrast. Research shows that the quality of road lighting is improved, the illuminance, brightness and evenness degree is increased and the actual energy saving rate is increased to 50% by means of energy-saving renovation via LED road lamp.

Key words:energy-saving; LED road lighting; illuminancy; evenness degree; energy saving rate

基金项目：重庆市工程建设标准制订项目：城市道路照明工程技术标准(建标字2014第2-1-1T号)

中图分类号：U491.5+3

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.022