摘要：按照我國“十二五”節(jié)能減排的要求，城市道路照明逐漸由高效節(jié)能的LED燈取代傳統(tǒng)的高壓鈉燈，節(jié)約能源以實(shí)現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展的要求。作為城市道路照明，傳統(tǒng)的高壓鈉燈已經(jīng)有幾十年的歷史，各類技術(shù)工藝相對(duì)成熟，而新生代照明產(chǎn)品的LED燈，具有耗電量小、壽命長、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，是引起照明革命和傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代的新一代光源。特別是在現(xiàn)在節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境成為主題的今天，半導(dǎo)體照明更是成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，因而受到各國政府與產(chǎn)業(yè)界的高度重視。經(jīng)過幾年的實(shí)驗(yàn)使用效果，特別是在廣東省人民政府發(fā)布了《印發(fā)廣東省推廣使用LED照明產(chǎn)品實(shí)施方案的通知》后，廣東省所有公共照明推廣使用LED燈，隨著LED照明技術(shù)的不斷創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)告訴我們，城市道路照明采用LED燈要比傳統(tǒng)高壓鈉燈更節(jié)能。本文就城市道路采用LED燈與高壓鈉燈的方案進(jìn)行比較分析。

關(guān)鍵詞：城市道路照明；高壓鈉燈；LED燈；節(jié)能減排

一、高壓鈉燈與LED燈

（一）高壓鈉燈

高壓鈉燈是一種高強(qiáng)度氣體放電燈。其結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外由汞、鈉、氙，電弧管，電極，玻殼，消氣劑，燈頭等構(gòu)成。電弧管是高壓鈉燈的關(guān)鍵部件，由具有良好的耐高溫和抗菌素鈉蒸氣腐蝕的多晶氧化鋁和陶瓷管做成。燈芯是采用金屬支架將電弧管、消氣劑環(huán)等固定在芯柱上，電弧管兩端電極分別與芯柱上2根內(nèi)導(dǎo)絲相連接。玻殼是選用高溫的硬料玻璃制造，玻殼與燈芯的喇叭口經(jīng)高溫火焰熔融封口，然后抽真空或充入惰性氣體后，再裝上燈頭整個(gè)燈泡基本成型（如圖1、圖2所示）。燈泡啟動(dòng)后，電弧管兩端電極之間產(chǎn)生電弧，由于電弧的高溫作用使管內(nèi)的鈉汞受熱蒸發(fā)成為汞蒸氣和鈉蒸氣，陰極發(fā)射的電子在向陽極運(yùn)動(dòng)過程中，撞擊放電物質(zhì)的原子，使其獲得能量產(chǎn)生電離或激發(fā)，然后由激發(fā)態(tài)回復(fù)到基態(tài)；或由電離態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，再回到基態(tài)無限循環(huán)，此時(shí)，多余的能量以光輻射的形式釋放，便產(chǎn)生了光。

圖1 高壓鈉燈結(jié)構(gòu)圖 圖2 高壓鈉燈

（二）LED燈

LED（Light-Emitting-Diode中文意思為發(fā)光二極管）是一種能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由2部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)P一N結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P—N結(jié)的材料決定的。LED燈見圖2。

圖3 LED燈

二、工程實(shí)例

本文以某城市道路照明變更設(shè)計(jì)為例進(jìn)行比較分析。某道路設(shè)計(jì)為城市主干道，設(shè)計(jì)速度40km/h，規(guī)劃紅線寬度37m，全線長1.6km，呈南北走向。道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面形式如圖3所示。

圖4 道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

原設(shè)計(jì)方案為：道路照明采用12m高低桿路燈兩側(cè)對(duì)稱布置，燈桿間隔35m左右。車行道照明選用400W高壓鈉燈，人行道照明選用100W高壓鈉燈。

變更設(shè)計(jì)方案為：道路照明采用12m高低桿路燈兩側(cè)對(duì)稱布置，燈桿間隔35m左右。車行道光源選用240W LED燈，人行道光源選用60W LED燈。

本道路照明設(shè)計(jì)變更前后路燈數(shù)量變化情況見表1。由此可得，變更后路燈數(shù)量沒有變化，燈具總功率減少了。

表1 變更前后路燈數(shù)量對(duì)比表

序號(hào)名稱規(guī)格單位數(shù)量

變更前數(shù)量：

112m高低桿路燈配套400W+100W高壓鈉燈套94

變更后數(shù)量：

112m高低桿路燈配套200W+60W高壓鈉燈套94

三、高壓鈉燈與LED燈的光效分析

以光源功率400W高壓鈉燈與240W的LED燈為例進(jìn)行分析。400W高壓鈉燈初始光通量為48000lm，是360°角度發(fā)光，應(yīng)用到照射方向的光很少，只有約30%，非應(yīng)用方向的光只有通過設(shè)置反射板采集反射到照射方向，以提高燈具效率，約47%。實(shí)際照射面光的光通量約22500lm，400鈉燈實(shí)際功率為440W（燈具實(shí)際功率=光源功率+驅(qū)動(dòng)及線路，驅(qū)動(dòng)及線路損耗10%），故400W高壓鈉燈的燈具光效約51lm/W。

200W LED燈初始光通量為27000lm，因?yàn)長ED是單向性發(fā)光，燈具效率較高，達(dá)到80%以上（透鏡損失小于10%，燈具損失小于10%），燈具光通量約22400lm，燈具實(shí)際功率為220W（驅(qū)動(dòng)及線路損失10%），故240W LED燈的燈具光效約102lm/W。

通過計(jì)算，在路燈桿高及布置間距保持不變的情況下，400W高壓鈉燈與200W LED燈對(duì)路面產(chǎn)生的照度相近。

由以上分析數(shù)據(jù)可知，高壓鈉燈理論總光通量值很高，但很大一部分光沒有利用上，燈具效率低。經(jīng)過對(duì)比表明，LED燈整燈光效比高壓鈉燈整燈光效高。高壓鈉燈與LED燈的光效對(duì)比見表l。

表2 LED燈和高壓鈉燈光效對(duì)比表

項(xiàng)目高壓鈉燈LED燈

配光設(shè)計(jì)球形發(fā)光，以反射罩曲面設(shè)計(jì)配光及反射率LED直接照射路面，光學(xué)利用率高，配光設(shè)計(jì)復(fù)雜。冷光源不會(huì)造成光學(xué)及玻璃老化問題。

光通量較大，但損失大，浪費(fèi)大，主要集中于高空燈泡周圍，在地面照明區(qū)城內(nèi)有效光通量則小較小，但幾乎無損失、無浪費(fèi)，在照明區(qū)域內(nèi)有效光通量與高壓鈉燈一樣

色溫3500K5000K

顯色指數(shù)Ra低，20～30高， 65

光譜紫外線驅(qū)動(dòng)，光諧含紫外線無紫外線，不傷害皮膚

四、高壓鈉燈與LED燈的能耗比較

由光效分析對(duì)比，2種燈具按照達(dá)到相同照度（亮度）水平時(shí)，200W的LED燈整燈光效與400W的高壓鈉燈整燈光效相近。在接近的照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的前提下比較兩者的照明安裝功率，能耗對(duì)比見表2。

表3 單只高壓鈉燈與LED燈能耗對(duì)比表

高壓鈉燈LED燈能耗功率

相比（W）

燈具功率（W）能耗功率（W）燈具功率（W）能耗功率（W）

400440200220220

100110606644

五、高壓鈉燈與LED燈的壽命比較

燈具平均壽命是指一批燈具開始使用到其中一半數(shù)量死亡的時(shí)間。

LED燈具中發(fā)光二極管的發(fā)光壽命可達(dá)100000h以上，很多廠家都在提LED燈具的壽命大于多少小時(shí)。此提法不科學(xué)，LED光源的理論壽命都非常長，但一個(gè)燈具的整體壽命不僅僅是光源壽命，燈具還包括驅(qū)動(dòng)、透鏡部分的影響。所以最終燈具的壽命應(yīng)該以所有燈具部件中壽命部件最短為限。目前尚無國標(biāo)要求，廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 44/T 609-2009 《LED路燈》規(guī)定，LED路燈的額定平均壽命不應(yīng)低于30000h，實(shí)際LED燈具的壽命可達(dá)到50000 h以上。不同功率的LED燈壽命基本一樣，按30000h計(jì)算，道路照明按平均每只燈每天11h計(jì)算，則平均使用年限為7.5年。

普通高壓鈉燈在額定電壓下點(diǎn)燃，其平均壽命為3000～6000h，一等品平均壽命為7000～9000h。在2008年由電力出版社的《路燈》一書中，全國600多城市，在用鈉燈約為413萬盞，截至2007年底鈉燈全國平均壽命為4000h。一只400W的一等品高壓鈉燈壽命9000h，道路照明每只燈每天11h，平均使用年限為2.2年。其他型號(hào)的燈使用年限見表3。

表4 LED燈與各型號(hào)高壓鈉燈使用年限對(duì)比表

燈具類型平均壽命/h平均使用年限/h

LED燈300007.5

100W高壓鈉燈（一等品）70001.7

400 W高壓鈉燈（一等品）90002.2

經(jīng)分析對(duì)比可以看出，LED燈的使用年限比高壓鈉燈的要高許多。LED光源被稱為長壽燈。固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)沒有松動(dòng)的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰快等缺點(diǎn)，使用壽命可達(dá)50000～100000h。

六、高壓鈉燈與LED燈的環(huán)保比較

高壓鈉燈的光源是電弧管內(nèi)的汞蒸氣和鈉蒸氣受電子激發(fā)輻射形式釋放的，光譜含紫外線。LED燈的光源是由發(fā)光二極管（固態(tài)的半導(dǎo)體器件）將電能直接轉(zhuǎn)化為可見光，是一種綠色光源，光譜中沒有紫外線和紅外線，熱量低和無頻閃，無輻射，冷光源，可以安全觸摸，是一種典型的綠色照明光源。

高壓鈉燈電弧管內(nèi)填充的是金屬汞、金屬鈉，與LED燈對(duì)比壽命短，后續(xù)廢品處理對(duì)環(huán)境污染大。LED燈不含上述以及歐盟ROHS環(huán)保指令禁止的有害物質(zhì)，燈具內(nèi)的半導(dǎo)體芯片，可回收再利用。

七、高壓鈉燈與LED燈的成本比較

（一）建造成本

400W高壓鈉燈價(jià)格約400元/套，100W高壓鈉燈價(jià)格約280元/套，LED燈價(jià)格按20元/W計(jì)算，變更前后燈具初期投資詳見表5和表6。

表5 高壓鈉燈照明燈具及供電電纜費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表

項(xiàng)目名稱單位數(shù)量建造費(fèi)用/元

高壓鈉燈100W套9426320

高壓鈉燈400W套9437600

合計(jì)元 63920

表6 LED燈照明燈具及供電電纜費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表

項(xiàng)目名稱單位數(shù)量建造費(fèi)用/元

LED 燈 60W套94112800

LED燈 200W套94376000

合計(jì)元 488800

（二）維修成本

無論高壓鈉燈還是LED燈，其接觸器、斷路器、保險(xiǎn)器、光控設(shè)備、燈具引線、各類保險(xiǎn)器、小型配件等都要進(jìn)行日常維修，故電控設(shè)備維修、零星材料補(bǔ)供、燈具清潔等費(fèi)用可以考慮相等。

對(duì)于光源電器設(shè)備，高壓鈉燈的燈泡、鎮(zhèn)流器、觸發(fā)器2年后更換非常頻繁，LED燈發(fā)光設(shè)備7.5年內(nèi)基本不用更換。

根據(jù)某道路的實(shí)際情況高壓鈉燈壽命按平均9000h計(jì)算，1d亮燈時(shí)間為11h，理論計(jì)算燈泡更換周期為T=9000/（11×365）=2.2年；鎮(zhèn)流器理論壽命為16000h，更換周期T=16000/（11 × 365）= 4.0年；觸發(fā)器的使用壽命參照燈泡的壽命也定為2.2年。高壓鈉燈7.5年維修增加成本見表7。

表7 高壓鈉燈光源電器設(shè)備維修費(fèi)用表

項(xiàng)目規(guī)格數(shù)量單價(jià)/元7.5年費(fèi)用/萬元

高壓鈉燈100W94522.2

高壓鈉燈400W94722.3

鈉燈鎮(zhèn)流器100W94400.7

鈉燈鎮(zhèn)流器400W941202.1

觸發(fā)器通用188150.48

合計(jì) 7.78

（三）運(yùn)營成本

根據(jù)不同季節(jié)道路照明開啟和關(guān)閉的時(shí)間有所不同，但開燈總時(shí)間基本相同，以每天11h進(jìn)行計(jì)算。安裝高壓鈉燈1d耗電量見表8，安裝LED燈1d耗電量見表9。按7.5年統(tǒng)計(jì)，LED燈耗電量比高壓鈉燈節(jié)約75萬度，平均每度電費(fèi)0. 88元，7.5年節(jié)約電費(fèi)66萬元，詳見表10。

表8道路安裝高壓鈉燈1d耗電量統(tǒng)計(jì)表

燈泡名稱標(biāo)稱功率/W無功損耗/W燈盞數(shù)耗電量/度

高壓鈉燈100W1001094114

高壓鈉燈400W4004094455

合計(jì) 569

表9 道路安裝LED燈1d耗電量統(tǒng)計(jì)表

燈泡名稱標(biāo)稱功率/W無功損耗/W燈盞數(shù)耗電量/度

LED燈60W6069468

LED燈200W2002094227

合計(jì) 295

表10 高壓鈉燈與LED燈5年耗電及電費(fèi)對(duì)比表

項(xiàng)目1d耗電量/度7.5年耗電量/度單價(jià)/（元/度）7.5年電費(fèi)/萬元

高壓鈉燈56915576380.88137

LED燈2958075630.8871

量差2747500750.8866

（四）長期總費(fèi)用比較

短期建造成本對(duì)比反映，高壓鈉燈的造價(jià)低，LED燈的造價(jià)高，LED燈的建造費(fèi)用要比高壓鈉燈高許多，但是投人使用后長期的維修成本及運(yùn)營成本反差懸殊。按7.5年運(yùn)營計(jì)算，本道路LED燈的總費(fèi)用要比高壓鈉燈節(jié)省31.28萬元；

按1km長道路計(jì)算，LED燈的總費(fèi)用要比高壓鈉燈節(jié)省19.55萬元。

八、其他情況比較

（一）關(guān)于照明效果

（1）眩光。只要是燈具設(shè)計(jì)問題，不論是高壓鈉燈還是LED燈都會(huì)出現(xiàn)，這需要在燈具配光設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，與光源本身關(guān)聯(lián)不大。

（2）顯色性。高壓鈉燈顯色性差，對(duì)物體本身色彩的還原性差，不利于對(duì)周邊環(huán)境深度進(jìn)行判斷。LED燈光源顯色性好，能很好地還原物體的實(shí)際色彩，但白光偏冷。

（3）對(duì)于光線的透射性。在霧天車燈要求打開霧燈并慢行，霧燈其作用不是照明用的，只作為指示作用。對(duì)于道路照明，使用穿透性好的光源也僅僅是能仰頭看到一個(gè)黃色的光點(diǎn)，對(duì)道路前方的照明沒有什么實(shí)際的作用。

（4）對(duì)于照度。照度是對(duì)于照明效果判斷的重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。因?yàn)殁c燈的配光間題，導(dǎo)致照度均勻度不高。

（二）啟動(dòng)速度比較

高壓鈉燈啟動(dòng)后，在初始階段是汞蒸氣和氮?dú)獾牡蜌鈮悍烹?。這時(shí)候，燈泡工作電壓很低，電流很大；隨著放電過程的繼續(xù)進(jìn)行，電弧溫度漸漸上升，汞、鈉蒸氣壓由放電管最冷端溫度所決定，當(dāng)放電管冷端溫度達(dá)到穩(wěn)定，放電便趨向穩(wěn)定，燈泡的光通量、工作電壓、工作電流和功率也處于正常工作狀態(tài)。在正常工作條件下，整個(gè)啟動(dòng)過程約需10min。LED燈是瞬間啟動(dòng)，無延時(shí)。

九、結(jié)束語

綜上所述，對(duì)2種燈具的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行比較分析，得出了LED燈的光效高，光衰小，能耗低，使用壽命長，環(huán)保無污染，運(yùn)營成本低，照明效果好，啟動(dòng)不延時(shí)等結(jié)論，從而肯定了LED燈在道路照明領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)越性。