王曄 陳超中 施曉紅

(國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 (上海)上海時代之光照明電器檢測有限公司，上海 200233)

本文對2009年下半年的100個LED路燈的光性能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的統(tǒng)計(jì)分析，是2009年度中期“LED道路照明燈具光度數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析”的續(xù)篇。這些數(shù)據(jù)是評價LED路燈光度性能質(zhì)量現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)。希望能用發(fā)展的角度去看待LED路燈的現(xiàn)有水平，為提高和改進(jìn)我國的LED路燈的質(zhì)量提供一些相關(guān)信息，為各級道路設(shè)施管理部門的規(guī)劃提供客觀的參考數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)工作的總結(jié)已表明，對LED路燈進(jìn)行持續(xù)性的數(shù)據(jù)總結(jié)是非常必要的。從出現(xiàn)LED路燈到目前為止僅3年時間，雖然LED路燈在各方面的進(jìn)步非?？欤容^已使用近半個世紀(jì)的高壓鈉燈和金屬鹵化物燈來說，LED路燈應(yīng)該經(jīng)受更長時間的考驗(yàn)，不斷改善質(zhì)量，才能逐漸被照明行業(yè)認(rèn)可。本文的數(shù)據(jù)歸類統(tǒng)計(jì)的方法仍使用美國能源部 (DOE)出版的SSL燈具符合能源之星的合格判據(jù)。

本文的分析涉及LED路燈的光度學(xué)性能，包括燈具的光輸出、沿道路的縱向光分布、沿道路的橫向光分布、C－90°和 C－270°的配光對稱性、光束均勻度和截光水平，同時還分析了燈具的能效。本文未涉及LED路燈的色度性能和光輸出維持率。

本文的數(shù)據(jù)來自我們在2007年至2009年年底所測得的200個功率在50W～200W左右、機(jī)動車道用、桿高8m及以上的懸臂式LED道路照明燈具的光度學(xué)數(shù)據(jù)，這些LED路燈所涉及的功率分布見圖1。圖1將LED路燈的功率由高至低分成四檔，其中除了100W～150W的燈具比例在提高，其他三檔都在持續(xù)降低，到目前為止，這個功率范圍的路燈已占有最高比例。

本次統(tǒng)計(jì)增加了來自深圳、遼寧和芬蘭的路燈，這些樣本數(shù)據(jù)對于反映LED路燈的情況具有代表性，樣本產(chǎn)地覆蓋的地區(qū)及數(shù)量分布見圖2。

圖1 燈具功率分布

圖2 覆蓋的地區(qū)及數(shù)量分布

1 被測燈具的光輸出

光輸出也稱光通量，研究LED的光通量是為了分析目前LED燈具光輸出能力，并根據(jù)道路照明國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的照明標(biāo)準(zhǔn)值，對相關(guān)LED路燈光輸出值所適用的道路條件進(jìn)行預(yù)測。

檢測數(shù)據(jù)的說明

城市中的機(jī)動車道路分為快速路或主干路、次干路和支路。路燈的光通量是保證路面達(dá)到道路照明標(biāo)準(zhǔn)要求的照明水平的基本條件。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對各類道路照明水平的要求，我們將LED路燈的光輸出 (單位lm)分為<2300、2300～4000、4000～5000、5000～7500、7500～9000、9000 ～10500、10500 ～12000、12000～13500、13500～15000和 >15000 10個區(qū)段，檢測結(jié)果給出的落在各個區(qū)段的LED路燈的數(shù)量及其統(tǒng)計(jì)見表1和圖3，要說明的是光通量最小值2300lm也參考了DOE給出的LED路燈光通量的最小值。

圖3 光輸出水平統(tǒng)計(jì)

表1 光輸出的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

●最小值2300 lm:支路是次干路與居住區(qū)道路之間的連接道路。滿足雙車道支路的照明水平，燈具的初始光通量應(yīng)達(dá)到2300 lm。

●2300～4000 lm:次干路是城市中與主干路結(jié)合組成路網(wǎng)、起集散交通作用的道路，其照度要求達(dá)到10lx。滿足次干路二車道至三車道的照明水平，燈具的初始光通量應(yīng)達(dá)到2300～4000lm。

●4000～5000lm:滿足次干路四車道的照明水平，燈具的初始光通量應(yīng)達(dá)到4000～5000lm。

●5000～7500lm:主干路是連接城市各主要分區(qū)的干路，采取機(jī)動車與非機(jī)動車分隔形式。機(jī)動車在主干路上的行駛速度比次干路快，照明水平比次干路高，其照度要求達(dá)到20lx。滿足主干路二車道的照明水平，燈具的初始光通量應(yīng)達(dá)到5000～7500lm。

●7500～9000lm:滿足主干路三車道的照明水平，燈具的初始光通量應(yīng)達(dá)到5000～7500lm。

●>9000lm:達(dá)到主干路四車道的照明水平，燈具的初始光通量應(yīng)達(dá)到9000lm以上。以照度達(dá)到30lx計(jì)，路燈單側(cè)布置時，燈間距 (D)為12m，則光通量為:［30×D× (2×3.5+2×3.5)+15×D× (5+5)=9000×0.8］，以雙側(cè)對稱布置時，燈間距為24m。以此類推，大于10500lm的光通水平達(dá)到五車道的照明需求，大于12000lm的光通水平達(dá)到六車道的照明需求。

根據(jù)2009年下半年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的需要，又增加四個光通量水平的統(tǒng)計(jì)類別，它們是:10500～12000lm、12000～13500lm、13500～15000 lm、>15000 lm。在這增加的光通量范圍內(nèi)，燈具占有的比例總共達(dá)到13%，這些LED路燈的光通量水平已能達(dá)到六車道甚至八車道的需求。

從2007年至2009年總的趨勢來看，小于5000lm的路燈比例在不斷減少，從2007年占有80%，2008年占46.3%，2009年上半年 22.4%，至2009年下半年下降至16%，下降速率約50%。

5000～7500lm是滿足主干路兩車道照明需求的最低光通量，目前處于這個光通量區(qū)域的燈具比例在不斷提高，達(dá)到最高比例34%。

2 被測燈具的光分布情況

按IES對燈具光度分布的分類方法，路燈的縱向光分布可按短投射配光、中投射配光或長投射配光分類，沿道路的橫向配光的分類的方法是以50%最大光強(qiáng)的曲線覆蓋區(qū)域的位置進(jìn)行的，沿道路橫跨線，將道路表面分割成四個縱向?qū)挾龋储耦悺ⅱ蝾?、Ⅲ類和Ⅳ類。圖4是各種光分布燈具用于車行道的示意圖，圖5是一個Ⅲ類－中投射燈具的在半空間和道路上的等光強(qiáng)圖例。

LED路燈的光分布應(yīng)按照IESNA的分類方法。

2.1 被測燈具縱向光分布的情況

圖6和表2是被測燈具縱向配光情況的統(tǒng)計(jì)。

圖4 用不同類型燈具的車行道正視圖 (部分來自第9版IESNA照明手冊的圖22－6)

圖5 一個Ⅲ類-中投射燈具的在半球和道路上等光強(qiáng)圖 (部分來自第9版IESNA照明手冊的圖22-7)

圖6 沿道路縱向的配光類型統(tǒng)計(jì)

表2 沿道路縱向的配光的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

延續(xù)了2008年至2009年上半年的趨勢，2009年下半年短投射的比例又有所提高，近投射的比例再次出現(xiàn)降低。但總的來說，近投射的路燈仍超過一半，它們不適于用作道路照明。數(shù)據(jù)反映中投射路燈的數(shù)量太低，檢測樣本中暫無長投射路燈。

2.2 被測燈具沿道路的橫向光分布的情況

圖7和表3是橫向配光的情況。

(1)車道數(shù)與橫向配光

道路照明燈具的橫向配光決定了燈具適用的車道數(shù)。

●光束照到Ⅰ類縱向?qū)挾?，路燈可以用?車道;

●光束照到Ⅱ類縱向?qū)挾?，路燈可以用?車道;

●光束照到Ⅲ類縱向?qū)挾?，路燈可以用?車道;

●寬過Ⅲ類寬度的是第Ⅳ類，路燈可用于超過6車道。

圖7 道路橫向的配光類型統(tǒng)計(jì)

表3 橫向配光的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

應(yīng)按車道的數(shù)量配用適宜的橫向配光類型的路燈，如某一Ⅱ類橫向配光的路燈的正確應(yīng)用是4車道，那么如果錯誤的用于2車道，就會有較大比例的光通量照射到道路以外的區(qū)域，光通量的利用率降低，LPD值會受到影響。

(2)目前LED路燈的橫向配光情況

2009年下半年較2009年上半年，窄配光的比例再次降低，比例值減少4%，Ⅱ型配光的比例提高4.8%。令人欣喜的是出現(xiàn)了達(dá)到Ⅲ型配光水平的路燈。但是，窄配光的路燈仍然占有半數(shù)以上，這些路燈的照明質(zhì)量難以滿足要求。

2.3 C-90°和 C －270°的配光對稱性

道路的縱向延伸特性，以及路邊區(qū)域和屋邊區(qū)域的不同照明需求，使得路燈應(yīng)具有特殊的配光形式。滿足道路被照亮的同時、道路邊界線旁的屋邊也適當(dāng)照亮的要求，體現(xiàn)在道路照明標(biāo)準(zhǔn)中的SR值。

路邊需要的光通量多，而屋邊需要的少，所以路燈在滿足上述光度特性以外，還應(yīng)合理分配路邊和屋邊的光通量，即 C-90°和 C-270°的光通量。測量得到的燈具配光圖中 C-90°和 C-270°平面的配光曲線不能簡單得處理成對稱形式，否則，將造成燈具光通量分配不合理、利用系數(shù)不高，從而降低燈具的照明效率。

至2009年下半年，非對稱的配光比例與上半年比較有提高，保持著持續(xù)上升的勢頭，如圖8所示。2009年下半年非對稱占有43.4%，且最大光強(qiáng)全部投向路邊，但對稱型配光仍然超過一半。對稱型配光適用于懸吊在道路中間的路燈，而且需要相應(yīng)的安裝結(jié)構(gòu)，對于燈桿式路燈來說，這種配光是不合理的，造成光通量的浪費(fèi)，如果通過提高仰角來改善路邊、屋邊的光通比，也會因此增加眩光的程度。

圖8 配光對稱性統(tǒng)計(jì)

3 光束均勻度

3.1 最大光強(qiáng)的γ角

最大光強(qiáng)的γ角位置與道路照明的均勻度有關(guān)，包括照度均勻度和亮度均勻度。DOE給出的標(biāo)桿是最大光強(qiáng)處于55°～65°區(qū)域內(nèi)。

與路面照度相比，路面亮度均勻度能對駕駛員觀察結(jié)果產(chǎn)生更客觀的影響。路面亮度與觀察角度有關(guān)，還與路面材料有關(guān)，當(dāng)最大光強(qiáng)在垂直面內(nèi)的投射角度達(dá)到65°～75°時，路面的亮度均勻度可達(dá)到比較高的水平。

圖9和表4是測得的道路燈具最大光強(qiáng)所在γ角位置的數(shù)據(jù)。

圖9 最大光強(qiáng)在γ角的位置統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)分析表明，國內(nèi)的LED路燈最大光強(qiáng)所在的γ角偏小，達(dá)到等照度配光要求，最大光強(qiáng)所在的γ角位于55°～75°的數(shù)量只占23.5%。特別是在2009年以前，LED路燈中絕大多數(shù)的最大光強(qiáng)投射角度都比較小。幾年的數(shù)據(jù)表明達(dá)到55°～65°的比例在逐步上升，2007年和2008年只占10.0%和4.9%。2009年上半年則快速提高到了22.4%，2009年下半年，最大光強(qiáng) γ角的數(shù)據(jù)又有提高，55° ～ 65°、65° ～ 75°水 平 的 路 燈 兩 者 比例之和由2009年上半年的26.5%提高至31%。最大光強(qiáng)γ角較低的路燈比例由2009年上半年的73.5%降低至69%，仍占有較大比例。但就從這一類γ角較低的路燈里去分析，也能看到數(shù)據(jù)是在進(jìn)步的。比如，其中 45°～55°路燈的比例增加了6.6%，而0°～45°的比例是在降低的。

表4 最大光強(qiáng)的γ角位置的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 燈下點(diǎn)附近25°范圍內(nèi)的光強(qiáng)和最大光強(qiáng)的比值 I0－25/Imax

圖10和表5是I0－25/Imax測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖10 I0－25/Imax 統(tǒng)計(jì)

表5 I0－25/Imax的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

I0－25/Imax和最大光強(qiáng)的γ角是評價照明均勻度的兩個方面。雖然最大光強(qiáng)的γ角55°～65°、65°～75°的路燈比例不斷的提高 (見圖10)，但2009年下半年的數(shù)據(jù)顯示I0－25/Imax的值位于之間的比例升至 87% ，I0－25/Imax的水平在降低，I0－25/Imax為 0.5 ～1路燈的配光里有許多光通量集中在了0°～25°的燈下區(qū)域內(nèi)，光強(qiáng)變化不夠大，將降低照度均勻度和亮度均勻度。

由于光強(qiáng)的變化不夠大，此類配光形式會導(dǎo)致下述情況:

●每個路燈的照射面積較小;

●燈下點(diǎn)較亮，燈下點(diǎn)周圍較暗。

●為得到均勻的照明效果，將導(dǎo)致LPD值的升高。

4 截光水平

4.1 截光水平的相關(guān)概念

眩光來源于路燈直接射入眼睛的光線。為了改善眩光對視覺的不良影響，要求道路照明燈具具有截光控制措施。從駕駛員的觀察位置和觀察方向分析，路燈垂直面上80°～90°的光輸出會直接射入眼睛造成眩光，所以應(yīng)將這個區(qū)域的光通量限制在10%以內(nèi)。

4.2 80°～90°的環(huán)帶光通

統(tǒng)計(jì)樣本的檢測數(shù)據(jù)表明，LED路燈垂直面上80°～90°的光通量 φ80－90的比例基本低于總光通∑φ的10%，如圖 11和表6所示。2009年下半年，LED路燈的 φ80－90>10%的比例有增大的現(xiàn)象，主要原因是最大光強(qiáng)投射角度提高的同時增大了φ80－90。

表6 80°～ 90°環(huán)帶光通 φ80－90的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.3 80°～90°的光強(qiáng)

造成燈具眩光的另一個重要因素是垂直面上80°～90°的光強(qiáng)太大。DOE給出的標(biāo)桿是 80°～90°的光強(qiáng)I80－90不超過最大光強(qiáng)Imax的5%。

檢測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，到2009年下半年53%的LED路燈滿足 I80－90/Imax≤5%，幾年來第一次超過I80－90/Imax>5%的比例。圖 12和表 7是 80°～90°光強(qiáng)測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖11 80°～90°環(huán)帶光通統(tǒng)計(jì)

圖12 I80－90/Imax統(tǒng)計(jì)

表7 80°～90°光強(qiáng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 燈具能效

5.1 燈具能效的概念

燈具能效 (EOL)是指在燈具的聲稱使用條件下，燈具發(fā)出的總光通量與其所消耗的電功率之比。假設(shè)傳統(tǒng)150W及以下高壓鈉燈燈具的照明利用系數(shù)為0.7、燈具效率為0.7時，燈具能效約為50 lm/W，DOE提出LED路燈的EOL應(yīng)不小于50lm/W，它是LED路燈能與傳統(tǒng)光源路燈比較的門檻。

5.2 檢測數(shù)據(jù)分析

a.LED燈具的能效水平正在提高

從2007年至2009年下半年，低能效的路燈比例在不斷地下降，到目前為止，EOL<40和40≤EOL<50的路燈比例已降低至4%和17%，如圖13和表8所示。2009年下半年的數(shù)據(jù)顯示，60≤EOL<70的路燈比例由16.3%提高至27%。另有2%的LED路燈能效超過了80lm/W。

表8 燈具能效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖13 燈具光效統(tǒng)計(jì)

6 總結(jié)

在2009年下半年的100個LED路燈中，有一個LED路燈滿足了上述路燈的所有要求。此路燈的功率是84.1W，光通量達(dá)到5500lm，配光類型屬于短投射、Ⅰ類，光效達(dá)到65.5lm/W，配光圖見圖14。

在之前統(tǒng)計(jì)的100個LED路燈中，達(dá)到上述光度性能指標(biāo)的LED路燈有兩個。比起上一次統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2009年下半年的合格數(shù)沒有提高，反而是降低的。

圖14 達(dá)到標(biāo)桿要求的燈具配光

2009年下半年，雖然大多數(shù)路燈的質(zhì)量參數(shù)在不斷提高，卻很少有路燈能符合所有的路燈配光要求。有許多有潛力的燈具都只有一項(xiàng)未符合要求。從下半年的數(shù)據(jù)分析，有三種情況造成某項(xiàng)參數(shù)的不符合:

其一，在垂直角度0°～25°的區(qū)域內(nèi)光通量比較高，I0－25/Imax的值達(dá)到0.5～1.0的比例占有87%。有一些路燈的最大光強(qiáng)γ角、截光水平、光效和縱向、橫向配光類型都符合要求，卻忽略燈下點(diǎn)附近光通量的控制。

其二，最大光強(qiáng)γ角在不斷提高的同時，給80°～90°區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)控制增加了難度。一些不合格路燈的情況是靠近80°位置的光強(qiáng)值超出了截光水平。

其三，C-90°(路邊)和 C-270°(屋邊)對稱的配光占有較大的比例。有不少路燈的縱向、橫向配光類型可以達(dá)到要求，最大光強(qiáng)γ角和照明均勻度的指標(biāo)也都能達(dá)到要求。卻將配光簡單地設(shè)計(jì)成

C-90°和C-270°對稱形式，沒有考慮道路的特殊照明要求。

總之，在2007年至2009年檢測的200個LED路燈中，共有3個LED路燈能夠滿足上述的全部要求，合格率僅為1.5%。所測的LED路燈質(zhì)量離DOE的標(biāo)桿要求相差甚遠(yuǎn)，有待大大地提高。

［1］王曄，陳超中，施曉紅.LED道路照明燈具光度數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析.照明工程學(xué)報，2009，20(3)

［2］GB/T24827—2009.道路和街路照明燈具性能要求