張　航，陳國(guó)福，宋開(kāi)偉

(重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶　400015)

?

LED路燈節(jié)能改造工程的實(shí)測(cè)與分析

張航，陳國(guó)福，宋開(kāi)偉

(重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400015)

摘要：重慶市渝北區(qū)對(duì)轄區(qū)范圍內(nèi)的部分主、次干道高壓鈉燈進(jìn)行了LED節(jié)能改造。本文針對(duì)道路現(xiàn)場(chǎng)燈具更換前后的照度、亮度、實(shí)際節(jié)電率等進(jìn)行了測(cè)量和分析，對(duì)比研究得出了LED與高壓鈉燈的實(shí)際使用效果。研究表明，經(jīng)LED路燈節(jié)能改造后，道路照明情況改善，照度、亮度及均勻度提高，實(shí)際節(jié)電率達(dá)50%以上。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；LED路燈；照度；均勻度；節(jié)電率

引言

重慶市是國(guó)家科技部推出的“十城萬(wàn)盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范試點(diǎn)城市之一，為了積極響應(yīng)并推行節(jié)能減排、發(fā)展綠色照明，渝北區(qū)于2014年初啟動(dòng)了LED路燈節(jié)能改造工程，并委托重慶市建筑科技研究院(以下簡(jiǎn)稱“我院”)對(duì)部分重點(diǎn)道路改造前后的照明質(zhì)量及節(jié)能效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

城市道路照明關(guān)系到車輛和行人安全、社會(huì)治安安全、市容景觀環(huán)境形象等，是影響城市居民生產(chǎn)生活質(zhì)量的民生工程。以LED路燈為代表的半導(dǎo)體照明技術(shù)日新月異，產(chǎn)品種類繁多，但用于城市主、次干道等重點(diǎn)道路，其是否滿足CJJ45—2006《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]，與高壓鈉燈相比照明、節(jié)能效果如何，只有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、對(duì)比分析才能發(fā)現(xiàn)。本文對(duì)渝北區(qū)LED路燈節(jié)能改造工程進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，為適用于重慶市道路照明的LED產(chǎn)品設(shè)計(jì)選型和工程建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

1.1工程概況

渝北區(qū)路燈LED節(jié)能改造工程包括回興片區(qū)、兩路片區(qū)、龍溪片區(qū)、空港工業(yè)園區(qū)、臺(tái)商工業(yè)園區(qū)、農(nóng)業(yè)科技園區(qū)、空港新城等7大區(qū)塊，共計(jì)16條重點(diǎn)道路。城區(qū)道路原有燈具為：400W鈉燈約11063盞、250W鈉燈約7479盞、150W鈉燈約235盞，共計(jì)約18777盞。根據(jù)該工程設(shè)計(jì)文件，節(jié)能改造方案不改變?cè)胁紵舴绞?、燈桿間距和布燈高度，僅采用相匹配的LED燈具進(jìn)行一比一替換原有燈具，與原有400W、250W、150W鈉燈匹配替換的LED燈依次為240W、120W、80W，LED燈具由重慶某公司生產(chǎn)。以400W鈉燈和240W LED燈為例，燈具的光學(xué)性能如表1所示。我院現(xiàn)階段已完成5條重點(diǎn)道路的照明測(cè)試，道路基本信息如表2所示。

表1　燈具的光學(xué)性能

表2　實(shí)測(cè)道路基本信息

1.2測(cè)試方案

根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2006)和《城市照明節(jié)能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 307—2013)[2]，選擇路面平均照度、照度均勻度、平均亮度、亮度總均勻度、亮度縱向均勻度、實(shí)際節(jié)電率作為測(cè)量指標(biāo)。照度、亮度等照明參數(shù)以每條道路2個(gè)測(cè)區(qū)所測(cè)值的平均值作為最終值，實(shí)際節(jié)電率以單側(cè)連續(xù)30根燈桿所形成回路的改造前后實(shí)際消耗功率之比確定，單側(cè)不足30根的以實(shí)際燈桿數(shù)為準(zhǔn)。根據(jù)所測(cè)道路相應(yīng)指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求、與改造前相比提高率等評(píng)價(jià)道路照明效果。

1.3組織實(shí)施

我院于2014年6月—12月對(duì)改造前后的5條重點(diǎn)道路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，根據(jù)《照明測(cè)量方法》(GB/T 5700—2008)[3]中相關(guān)要求，道路現(xiàn)場(chǎng)照明測(cè)量范圍選擇在燈具的間距、高度、懸挑、仰角和光源的一致性等方面能代表被測(cè)道路的典型路段，同一側(cè)兩根燈桿之間為一個(gè)測(cè)區(qū)，橫向根據(jù)路寬和布燈方式選取，采用中心布點(diǎn)法，以矩形網(wǎng)格為單位測(cè)區(qū)(長(zhǎng)=燈桿間距/10，寬=單車道寬度/3)，改造前、后測(cè)區(qū)一一對(duì)應(yīng)。測(cè)區(qū)劃分、照度、亮度、功率測(cè)試見(jiàn)圖1～圖4。測(cè)量所用主要儀器設(shè)備：50m皮尺、XYI-Ⅲ一級(jí)全數(shù)字照度計(jì)、XYL-Ⅲ一級(jí)全數(shù)字亮度計(jì)、智能電量測(cè)量?jī)x等。

圖1　照度、亮度測(cè)區(qū)劃分示意圖Fig.1　The test area’s diagram illumination and brightness

圖2　照度測(cè)量Fig.2　Illumination measurement

圖3　亮度測(cè)量Fig.3　Brightness measurement

圖4　實(shí)際消耗功率測(cè)量Fig.4　Real power consuonption measurement

2結(jié)果與討論

2.1照度

2.1.1平均照度

每條道路有2個(gè)測(cè)區(qū)，以相鄰兩燈桿的燈桿編號(hào)表示，各測(cè)區(qū)平均照度值為該測(cè)區(qū)所有測(cè)點(diǎn)照度的平均值。根據(jù)相應(yīng)的道路等級(jí)，參照CJJ 45—2006選擇設(shè)計(jì)值，平均照度提高率為2個(gè)測(cè)區(qū)的平均值。改造前后各道路平均照度實(shí)測(cè)值及平均照度提高率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3　改造前后各道路平均照度Eav試驗(yàn)結(jié)果

注：表中“/”左側(cè)為低檔值，右側(cè)為高檔值。

常用照度的計(jì)算值為平均照度，CJJ45中規(guī)定的平均照度(或亮度)值是維持值，它是在計(jì)入光源計(jì)劃更換時(shí)光通量的衰減以及燈具因污染造成效率下降等因素后設(shè)計(jì)計(jì)算所采用的平均照度值，即更換光源前的照度值。該工程所使用的鈉燈和LED燈防護(hù)等級(jí)均為IP65，其初始照度按維護(hù)系數(shù)0.7來(lái)計(jì)算應(yīng)為更換光源時(shí)照度值的1.43倍。同時(shí)，相關(guān)研究表明[4]，維持值是滿足機(jī)動(dòng)車駕駛員視覺(jué)作業(yè)要求的合理數(shù)值，再提高路面照度或亮度水平對(duì)駕駛員的視覺(jué)作業(yè)沒(méi)有太多的幫助，反而會(huì)造成能源浪費(fèi)、光污染、光干擾等負(fù)面問(wèn)題，因此，該工程主干路初始照度應(yīng)為28.6lx/42.9lx，次干路應(yīng)為14.3lx/21.5lx，才能滿足相應(yīng)道路照明所需要的維持值。由表3可以看出：1)改造前路燈為高壓鈉燈時(shí)，寶桐路、空港大道、蘭馨大道3條主干路的平均照度值均不能滿足初始照度低檔值要求，渝航路、黃龍路2條次干路的平均照度值高于初始照度高檔值要求；2)改造后路燈為L(zhǎng)ED燈時(shí)，3條主干路的平均照度值均滿足初始照度要求，2條次干路平均照度值超出初始照度高檔值1倍；3)與改造前相比，平均照度顯著提高，最高達(dá)150%。

高壓鈉燈更換為L(zhǎng)ED燈后，主干路初始照度顯著提高，平均照度值適中，由于改造沒(méi)有涉及布燈方式、燈桿間距、布燈高度等，因此，次干路平均照度值過(guò)高的問(wèn)題依然存在。結(jié)合表2中的道路條件、光源功率、燈具布置可以看出，采用LED光源的路燈對(duì)道路平均照度的提升效果隨著燈桿間距、高度及道路寬度的增加而增加，但是當(dāng)燈桿間距、路寬過(guò)大時(shí)提升效果下降?？梢钥闯觯瑢?duì)于不同類型的道路均存在與LED路燈的配光曲線相適應(yīng)的燈桿及燈具布置方式。

2.1.2照度均勻度

改造前后各道路照度均勻度實(shí)測(cè)值及提高率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從照度均勻度的定義可知，均勻度越接近1，光線分布越均勻，視覺(jué)感受越舒服，照度越好；反之均勻度越小越增加視覺(jué)疲勞。由表4可以看出：1)改造前，除蘭馨大道外，其它道路的照度均勻度普遍不能滿足設(shè)計(jì)要求；2)改造后，5條道路的照度均勻度均能滿足相應(yīng)道路等級(jí)的設(shè)計(jì)要求；3)與改造前相比，照度均勻度顯著提高，最高可達(dá)87%。更換路燈后，不僅照度提高了，路面的光線分布均勻程度也大幅提高，主要原因可能是：一方面，鈉燈的顯色指數(shù)低，Ra通常只有20～30左右，光線顯得昏暗，顏色還原能力差，而LED燈顯色指數(shù)高，Ra一般在70～85之間[5]；另一方面，鈉燈配光性差，水滴型光斑效果使得很多無(wú)用光透射到馬路以外很遠(yuǎn)的地方，而LED燈的蝙蝠翼配光曲線具有更理想的光斑效果，可以照亮馬路以及兩側(cè)一定的范圍[6]。

表4　改造前后各道路照度均勻度UE試驗(yàn)結(jié)果

2.2亮度

2.2.1平均亮度

亮度是道路表面單位面積上反射出的光量，其分布與照度分布有相當(dāng)大的差別，僅采用路面照度作為道路照明指標(biāo)不能給出視感條件的真實(shí)情況，將亮度納入道路照明評(píng)價(jià)系統(tǒng)，與國(guó)際接軌，是未來(lái)的趨勢(shì)。改造前后各道路平均亮度實(shí)測(cè)值及提高率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所示。

表5　改造前后各道路平均亮度Lav試驗(yàn)結(jié)果

注：表5中“/”左側(cè)為低檔值，右側(cè)為高檔值。

道路照明中，直觀的進(jìn)入人眼睛的是亮度，雖然照度與亮度密切相關(guān)，但是路面材料、路面磨損、燈具配光等因素的影響使二者之間的定量關(guān)系難以確定，因此，國(guó)際上更多使用亮度作為道路照明評(píng)價(jià)系統(tǒng)，CIE115—2010[7]中規(guī)定了適用于不同道路照明等級(jí)的路面平均亮度，M1級(jí)路為2 cd/m2，M6級(jí)路為0.3 cd/m2。由表5可以看出：改造前，次干路平均亮度滿足設(shè)計(jì)要求，主干路不滿足；經(jīng)LED改造后，主、次干路平均亮度均能滿足設(shè)計(jì)要求，且亮度顯著增加，較照度提升更為明顯。

2.2.2亮度總均勻度

改造前后各道路亮度總均勻度實(shí)測(cè)值及提高率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　改造前后各道路亮度總均勻度U0試驗(yàn)結(jié)果

由表6可以看出：改造前，次干路亮度總均勻度不滿足設(shè)計(jì)要求，主干路滿足，經(jīng)LED改造后，主、次干路平均亮度均能滿足設(shè)計(jì)要求，且均勻度顯著增加。對(duì)比改造前主、次干道的亮度及均勻度可以看出，路燈為高壓鈉燈時(shí)不能同時(shí)保證亮度和亮度均勻度均符合設(shè)計(jì)要求。

2.2.3亮度縱向均勻度

從現(xiàn)場(chǎng)照明效果看，亮度縱向均勻度非常重要，過(guò)低就會(huì)出現(xiàn)“斑馬線”現(xiàn)象。改造前后各道路亮度縱向均勻度實(shí)測(cè)值及提高率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7所示。

由表7可以看出：改造前道路的亮度縱向均勻度較差，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，改造后縱向均勻度顯著提高，但是與設(shè)計(jì)值仍然有明顯的差距。分析原因可能有兩個(gè)方面：1)在不改變燈桿間距、燈桿高度、配電線纜的條件下，僅更換燈頭，可能影響了LED照明效果的發(fā)揮，同時(shí)道路兩旁的綠化、光污染等對(duì)縱向均勻度的測(cè)試結(jié)果也有明顯影響；2)吳春海等[8]研究認(rèn)為L(zhǎng)ED路燈的配光設(shè)計(jì)普遍沒(méi)有充分考慮光的入射角度和路面的反射性能，通過(guò)路面反射進(jìn)入駕駛者眼睛的有效光并不多，亮度分布不均勻，特別是縱向均勻度較低。

表7　改造前后各道路亮度縱向均勻度UL試驗(yàn)結(jié)果

2.3實(shí)際節(jié)電率

《城市照明節(jié)能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 307—2013)將節(jié)電率作為一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于該道路照明改造工程僅針對(duì)燈具，即采用LED燈具替代傳統(tǒng)鈉燈，未涉及照明線路及配套設(shè)施，相比與傳統(tǒng)鈉燈，LED燈具的實(shí)際消耗功率與額定功率相差較小，因此理論節(jié)電率不能真實(shí)反映實(shí)際節(jié)能效果，所以采用智能電量測(cè)量?jī)x對(duì)代表性路段進(jìn)行實(shí)際節(jié)電率檢測(cè)，實(shí)際節(jié)電率通過(guò)選定路段在改造前、后實(shí)際能耗的比較得出。改造前后各道路實(shí)際節(jié)電率檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8　改造前后各道路實(shí)際節(jié)電率試驗(yàn)結(jié)果

由表8可以看出，與改造前相比，改造后相同燈桿回路的實(shí)際消耗功率顯著降低，降低幅度均超過(guò)50%。相關(guān)研究表明：高壓鈉燈的功率因數(shù)低，鎮(zhèn)流器損耗大，而LED功率因數(shù)高，驅(qū)動(dòng)光源損耗小，例如額定功率400W的傳統(tǒng)高壓鈉燈實(shí)際功率約為500W，額定功率為240W的LED路燈實(shí)際功率約為245W。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，高壓鈉燈功率因數(shù)在0.42左右，LED路燈的功率因數(shù)均在0.90以上，因此在忽略線損差異的情況下，LED路燈形成回路的實(shí)際消耗功率要遠(yuǎn)低于高壓鈉燈回路。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)路面的照度、亮度及路燈實(shí)際功率，對(duì)比了新安裝LED路燈與原來(lái)傳統(tǒng)高壓鈉燈的實(shí)際使用效果。與改造前相比，經(jīng)LED路燈節(jié)能改造后，道路路面的平均照度、照度均勻度、平均亮度及亮度總均勻度提高且滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，亮度縱向均勻度雖然得到改善，但是仍不能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，路燈實(shí)際消耗功率降低，節(jié)電率達(dá)50%以上。目前LED路燈的光衰是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一，現(xiàn)階段的測(cè)試結(jié)果不能反映其使用期性能的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)使用壽命，LED的光衰指標(biāo)需要通過(guò)每年的對(duì)比檢驗(yàn)來(lái)確定。

參考文獻(xiàn)

[1] 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):CJJ 45—2006[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 城市照明節(jié)能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):JGJ/T 307—2013[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2014

[3] 照明測(cè)量方法:GB/T 5700—2008[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4] 黃珂.道路照明測(cè)量方法研究[D].重慶:重慶大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系,2006.

[5] 鄭子偉.LED照明檢測(cè)與節(jié)能評(píng)價(jià)研究[J].中國(guó)計(jì)量,2013(12):49-58.

[6] 汪飛佳.LED路燈目前存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展前景[J].照明工程學(xué)報(bào),2012,23(4):97-99.

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

[8] 吳春海.LED路燈檢測(cè)報(bào)告的分析和建議[J].建筑電氣,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

基金項(xiàng)目：重慶市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)制訂項(xiàng)目：城市道路照明工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(建標(biāo)字2014第2-1-1T號(hào))

中圖分類號(hào)：U491.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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