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LED道路照明灯具光度数据的现状分析209年9月照明工程学报Sep. 20o9 第20卷第3期ZHAOMINGGONGCHENGXUEBAO Vo12o No3 LED道路照明灯具光度数据的现状分析王晔陈超中施晓红(上海时代之光照明电器检测有限公司，上海20201) 摘要：LED具有安全、长寿命、高光效、可调光的优点，近年来对LED道路照明灯具的研究和产品开发已成为关注焦点。本文通过对符合道路照明灯具配光的标杆性评价方法，以及对LED路灯测试数据的分析，揭示了评价LED路灯光度特性优劣的核心方法，并用此方法对207年至今的LED道路照明灯具的状况进行了分析。关键词：L ED路灯；光输出；截光；配光；照度均匀度；亮度均匀度AnalysesofPhotometryDataStatusofRoadLightingLuminaireswithLEDWangYe ChenChaozhong ShiXiaohong (SagapaLgtnupnetntAhnai 2001hnhiAlhihigEqimetTsigLd(SLT)，Sagh02) Abstract LEDhahdatgsoaey，lneiy，hiccnotoaeadSnIheltsertsteavnaefsftogvtghefiayadcnrlblnOontaetyas，ihaenbcmeahtptteeoEDlmiaisfrrdlgtnhrheurmetooaihigsbeeoosoodvlpLunreooaihigSaingterqienfrdlgtnantecmakwhiheautnhhrceitcounielgsruin，adtealssodhebnhrcvlaigtecaatrsiflmiarihtditibtonhnayef meaddthrilhwstemehdfretmaetepootyqltftoaihigsU1aa，teatcesohekytoosithhtmeruaiyoheLEDrdlgtnlunie，whihiloueoraaznhttsordlgtnuniefo007tlomiarscsassdfnlyigtesaufLED oaihiglmiarrm2inw. ds：LEDlmiaisihtotu；ctoitditiuin；uiomiyolumiaKeyworunre；lguptuf；lghsrbtonfrtfinnce；. unfrtflmiaciomiyounne LED道路照明灯具(以下简称“ED路灯)是07年到20 0 EL ”. 根据20 09年测量得到的10个LD路灯目前照明电器行业的一个热点，特别是近三年L的测试结果，对我国LED路灯的光度数据现状和水ED 路灯产品数量增加了不少，检测数据也在发生变化，. 平进行分析，为提高和改进我国的LED路灯的质量这些数据是评价L提供一些相关信息。ED路灯光度性能的基础。美国能源部(DOE)出版的SSL灯具符合能源之星的合格ED路灯的光度学性能，包括本文的分析涉及L判据在评价LED路灯光度特性方面为我们提供了参灯具的光输出、沿道路的纵向光分布、沿道路的横考。向光分布、C一90o和C270。的配光对称性、光束均匀在对相关色温、色空间均匀度、显色指数等给度和截光水平，同时还分析了灯具的能效。本文的出符合判据之后，美国能源部于2008年8月对符合分析未涉及LED路灯的色度性能和光输出维持率。能源之星的A类灯(近期要求，B类灯为长期目标)本次研究的灯具参数均为初始值(新灯)，未考提出了的补充要求，其中对户外安装的道路灯具的虑寿命的影响。最小光输出、环带流明密度、与IESNA灯具光分布本文的数据来自我们在2007年至2009年所测分类相关的光束均匀度、灯具能效提出了标杆要求。得的10 ED机动车道用、杆高80盏Lm及以上的悬本文以DOE对A类L，ED路灯补充要求为依据臂式道路照明灯具的光度学数据。对这些数据进行第2O卷第3期 王哗等：LED道路照明灯具光度数据的现状分析55 统计总结，不涉及任何具体厂家的名称。这些LED 路灯所涉及的功率范围是50W一200W左右，功率分布见图1，样品产地覆盖的地区及数量分布见图2。从图1和图2可以看到，样本数据来自于我国的13省市，功率从50W到20W和一些200W以上的产品，从样本产地和功率的覆盖情况来看，这些样本数据对于反映LED路灯的产业情况具有一定的207 年2008年209 年代表性。 1o宙1ow 2-o1ow ow lOOW2ow 5oow low 5m5图1 灯具功率分布300 25O20O 一一l50 一如m 柏巧如m cm；. lOO5O OO 广东陕西安徽福建河北山东iT苏台湾上海浙江安徽江西香港图2 覆盖的地区及数量分布干路和支路。路灯发出的光通量是保证路面达到道1 被测灯具的光输出 路照明标准要求的照度水平的基本条件。根据国家标准对各类道路照明水平的要求，我光输出也称光通量，研究LED的光通量是为了们将LED路灯的光输出(单位lm)分为9000等6个区段，检测结果给出的落在各个区值所适用的道路条件进行预测。段的LED路灯的数量及其统计见表1和图3，要说11 检测数据的说明 明的是光通量最小值2301 m也参考了DOE给出的城市中的机动车道路分为快速路或主干路、次 LED路灯光通量的最小值。表1 光输出的数据统计. 最小值230l m：支路是次干路与居住区道路计算过程如下：. 之间的连接道路，对于一个初始光通量2300l m的设：路宽为35m2 ，维护系数为08，单侧布LED路灯，我们可以计算其用于双车道支路、而且置，适宜的灯间距为D，则计算函数式为：要达到标准要求的支路照度81x时所适宜的灯间距。达到8lx的路边被照面积和达到4b【的屋边的照明工程学报2009年9月褶v嘲簌8 6 2 O 8 6 4 2 O O O O O O O O O O O 207 年208 年2009年00m 图3光输出水平筑计被照面积=初始光通量维护系数8xD(35+35)+4D(35+35)=2300 08 D一22m。未达到道路照明所需的光通量最小值的被测灯具数量有9个。. 230 400l m：次干路是城市中与主干路结合组成路网、起集散交通作用的道路，其照度要求达到10l 】【。满足次干路二车道至三车道的照明水平，. 灯具的初始光通量应达到230 400l m。落在这个区段的被测灯具数量有2O个。-4OOO5000l m：满足次干路四车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到400 500lm。落在这个区段的被测灯具数量有9个。一5000750l m：主干路是连接城市各主要分区的干路，采取机动车与非机动车分隔形式。机动车在主干路上的行驶速度比次干路快，照明水平比次干路高，其照度要求达到201x。满足主干路二车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到5000750 lmo 落在这个区段的被测灯具数量有26个。-750 9000l m：满足主干路三车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到7500900l m。落在这个区段的被测灯具数量有1个。. 900l m：达到主干路四车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到900 l m以上。以照度达到3O1)【计，路灯单侧布置时，灯间距为12m30D. (235+235) +15D(5+5) =9000. 08，以双侧对称布置时，灯间距为24m。落在这个区段的灯具数量有25个。数据显示，总光通量水平在提高。2007年大部分LED路灯的总光通量处于支路水平，而且，20. 的LED路灯的光输出小于2300l m，不适用于机动车道的道路照明。2008年以后，适用于次干路和主干路的路灯比例逐渐提高，占到总数的922。其中，达到主干路光通量水平的LED路灯占到了667。2009年，光输出水平又有明显提高，达到主干路四车道以上的光通量水平的路灯占有了最高比例，达到347，见图3。12 与传统光源路灯比较就目前来讲，LED路灯的光通量可以达到小功率高压钠灯路灯的水平，但达不到质量较好的大功率高压钠灯或金属卤化物灯的水平。. 10W高压钠灯路灯的光通量从小功率高压钠灯路灯光度性能状况来看，灯具效率一般处于65. 75的水平，较好的可以达到75. 80。以8000I m光通量的100W高压钠灯为例，其路灯的光输出有5200lm6000l m，较好的可以达到600lm6400l m。. 250W或400W高压钠灯路灯的光通量250W(2800l m)或400W (4800l m)高压钠灯的路灯的灯具效率一般在75. 85之间，因此，. 25W高压钠灯路灯的光输出一般不低于20m，0 10I400W高压钠灯路灯的光输出一般不低于3600I m。一LED路灯的光通量水平目前，L 00m左ED路灯的光输出最高达到10I 右。但是，由于LED光源的半空间发光直接照明路面的特点，使得LED路灯的光通量输出可以接近于150W高强度气体放电灯灯具水平。灯具效率是反映光源光线损失程度的参数。LED光源在这方面是具有优势的，LED的发光只存在于半个空间，在不用灯具的情况下，也能将光线近乎100投射到路面。对灯具需要设计的是在较小的角度范围内改变光线的投射方向，在这个过程中，也有反射(如用反射器的话)或透射(如用透镜的话)的光损失，如处理得好光的损失可能比传统灯具小一点。目前，L ED路灯的光通量最高达到了10001 m左右，在配光形状好的情况下，灯具的照明效率会比较高，可以达到或接近高压钠灯路灯的照明效果。第2O卷第3期王哗等：LED道路照明灯具光度数据的现状分析57 2 被测灯具的光分布情况按IES对灯具光度分布的分类方法，路灯的纵向光分布可按短投射配光、中投射配光或长投射配光分类，沿道路的横向配光的分类的方法是以50. 。上蓬露：E碑瓣，萎、-工一一s二蛔幢宣蒜干，一、n 、I囊；l：. f 五0阿用一. 羹范重一Jl；鬟，. 、. . . 一量二二一一、纵向道路线最大光强的曲线覆盖区域的位置进行的，沿道路横跨线，将道路表面分割成四个纵向宽度，即I类、类、类和类。图4是各种光分布灯具用于车行道的示意图，图5是一个类中投射灯具的在半空间和道路上的等光强图例。I类I类图4 不同类型灯具在车行道上所包括的区域的平面图(部分来自第9版IESNA照明手册的图26) 纵图5一个类中投射灯具的在假想球和道路上50最大光强等光强图(部分来自第9版IES NA照明手册的图227) 58 照明工程学报2009年9月O OOLED路灯的光分布应按照IESNA的分类方法。21 被测灯具纵向光分布的情况表2和图6是被测灯具纵向配光情况的统计。表2 沿道路纵向的配光的数据统计一5Oo 40o 300 20O 1OO 00 2007篮2008年209年近投射1oMH 目短投射10225MH 760MH中投射225375MH 口长投射35图6 沿道路纵向的配光类型统计(1)灯杆间距与纵向光分布的关系纵向光分布是以最大光强的投射角度进行分类的，纵向投射角度不同的路灯，能够照亮的路面长度就不一样，如果沿道路纵向光线投射角度小的灯具，照亮的路面长度就比较短。当灯具沿道路纵向光线投射角度增大时，灯杆的间距增大，单位道路面积的灯功率就相应减小，. 光束投射的远或近是路灯节能水平的重要因素之一。(2)检测数据表明大部分LED路灯是近投射配光分析LED路灯测试数据发现，大部分投射距离很近。从表2可以看出，大部分灯具处于3种纵向分布之外的近投射区域，近投射配光需要的杆距很小，不适于用作机动车道路照明。从2007年至2009年的数据看出，短投射灯具的比例有所增加。2007年至208年灯具光束的投射角度没有提高。直到209年的近期，出现了中投射O型的LED路灯。(3)与传统光源路灯的比较高压钠灯路灯纵向配光情况的分析表明，高压钠灯路灯中比较好的配光形式可以达到中投射水平，. 更好的可以达到长投射水平。与传统高压钠灯路灯相比，大多数LED路灯的投射距离偏近。主要原因是许多LED路灯的生产厂家还缺乏对路灯配光特性的认识，产品的设计不够合理。22 被测灯具沿道路的横向光分布的情况表3和图7是横向配光的情况。表3 横向配光的数据统计900800700600 邑50o4003002O010000 2007年208 年2009年窄配光gl 型E31I型口UI型一Iv型图7 道路横向的配光类型统计(1)车道数与横向配光应按车道的数量配用适宜的横向配光类型的路灯，如某一类横向配光的路灯的正确应用是4车道，那么如果错误的用于2车道，就会有较大比例的光通量照射到道路以外的区域，光通量的利用率降低，LPD值会受到影响。(2)目前LED路灯的横向配光情况从2007年至209年的数据来看，LED路灯的配光大多属于窄配光，仅有30左右的路灯达到了I类或类的水平。其中，208年至209年的I类横向配光比例有所提高，从146增加至347。23 C90。和C270。的配光对称性问题道路的纵向延伸特性，以及路边区域和屋边区第20卷第3期王晔等：LED道路照明灯具光度数据的现状分析59 域的不同照明需求，所以路灯应具有特殊的配光形式，满足道路被照亮的同时、道路边界线旁的屋边也适当照亮的要求，体现在道路照明标准中的SR 值。路边需要的光通量多，而屋边需要的少，所以路灯在满足上述光度特性以外，还应合理分配路边和屋边的光通量，在光度学上表达为C90。和C270。的光通量。测量得到的灯具配光图中C90。平面和C. 270。平面的配光曲线不能简单得处理成对称形式，. 否则，将产生灯具光通量分配不合理、利用系数不高的问题，降低灯具的照明效率。在对LED路灯的测试结果中发现，7 0的灯具c90o和C270o的配光对称性存在问题，30基本合理，具体情况如下：. (1)C90o和C270o配光属于非对称配光，且其最大光强投向路边区域这类灯具的光通量利用率高，LPD有可能降到最佳值。配光图例见图8。Ic)fd图8 非对称配光(投向路边)(2)C90。和C一270。的配光属于对称性配光有较多的配光形式只是将室内灯设计照搬过来，. 没有考虑路灯的特点。经过统计，目前，照明质量不合理的路灯中c90。和C270。平面配光属于对称型的占60，只适合路灯装在路中央或必须仰角很大的路边安装条件。配光图例见图9。I(cd) 图9对称性配光(3)c90。和C270。配光属于非对称配光，但其最大光强投向屋边区域如果路边区域和屋边区域搞反了，最大光强投向了屋边区域，照明质量将更劣于C90。和C270。对称形式的配光。这种情形在LED路灯中不在少数，. 大约有10的路灯的最大光强投射方向在屋边区域(C270。至C360。域限内)。配光图例见图10。3 光束均匀度31 最大光强的Y角最大光强的丫角位置与道路照明的均匀度有关，. 包括照度均匀度和亮度均匀度。DOE给出的标杆是最大光强处于55。一65。区域内。a数据分析表4和图11是测得的道路灯具的最大光强的角位置的数据。照明工程学报2009年9月I(cd) . . J一20 图10 非对称配光(投向屋边)表4 最大光强的T角位置的数据统计60O400 30o 20o1o0 oo 2007年208 年209 年一0 30o口300-45一4555 。囹5565 o一65一75 图1最大光强在-7角的位置统计b最大光强投射角度与均匀度的关系光线不均匀的照射路面看起来会一片亮一片暗，障碍物与路面背景间缺乏对比度，使驾驶员观察路面上障碍物的能力降低，看不清路面上及周围的移动物体。要得到路面上均匀的照明效果，光束中最大光强的投射角度非常重要，路灯下方的光强，n应是最小的，随着仰角y增大，所在y角的光强，应增大，和满足Io=，c0s。y的函数关系，当光强接近这种函数关系时，路面才能得到照度均匀的照明效果。当最大光强在垂直面内的投射角度达到55o . 65。时，可以达到照度均匀度的要求。与路面照度相比，路面亮度均匀度能对驾驶员观察结果产生更客观的影响。路面的亮度和观察角度有关，还与路面材料有关，当最大光强在垂直面内的投射角度达到65。75。时，路面的亮度均匀度可达到比较高的水平。cLED路灯最大光强所在y角的数据分析比较2009年前和2009年后的测试数据(见表4)表明，国内的LED路灯最大光强所在的y角偏小，达到等照度配光角度要求的55。一65。的数量只占16。特别是在209年以前，LED路灯中绝大多数的最大光强投射角度都比较小，2007年达到55o . 65。的只占10，2 08年只占49。2009年则快速提高到了224，另有4达到了等亮度配光的65。75o。而0。55。的灯具从207年的900、2008年的951降到了209年的735。32 灯下点附近25。范围内的光强和最大光强的比值ln |l. aIo25，一的含义光束均匀度中另一个重要条件是灯下点的光强应是最小的，随着y角的增大，光强应逐渐增大。灯下点附近25。范围内的光强，0 和最大光强，一的比值是评估路灯配光的均匀性的重要参数之一。，0，一035是路灯配光满足道路照明均匀度的重要条件之一，当其比值大于035时，会产生灯下点亮，灯杆之间暗的光斑不均匀现象。测试发现，025，一035、Io25，一=035. 05和，0笛，一=0510三类配光均存在，具体举例见图l2 图14。第2O卷第3期王晔等：LED道路照明灯具光度数据的现状分析6l cdj l(cd) (a) Hcd1 图l2 25I =O5一10的配光例子fb) Hcd) O O 0. 如踮0 Kcd) f= (a) 图l3 25I. =035O5的配光例子(b) 表5，0. ，J一的数据统计图l4 ，0”I 035的配光例子b数据分析207年208年209年表5和图15是1025，. 的测试结果的统计数囹035时，照明的均匀度都会存在类似上述的问题。虽然，到目前为止，0 ，一035的路灯比例占绝大多数，但 1O. 一10. 图16 80。一90环带光通统计100个样本的检测统计数据表明，4 0个灯具满足18_o，一5。表7和图10。9。o97是80光强测试结果的统计数据。1ooo90o80O7OL0 60O50o 40o 30O 200lO0 O0 207 年208 年2o9 . 5. 圈5图17 18o-9o，J一统计表7 舳。一9o。光强的数据统计第20卷第3期王晔等：LEO道路照明灯具光度数据的现状分析63 44 LED路灯80。一9O。环带光通的控制水平与高压钠灯路灯的比较路灯一直存在的难题是照明效率和截光存在矛盾：最大光强的7角位置控制在65。75。时，有利于提高路灯的光束均匀度，但给80。90。的截光控制带来了难度。高压钠灯光源等传统光源全空间发光特性决定了通过反射器控制光线的路灯难以做到两全其美，. 光束均匀度好的路灯往往会有明显的眩光。而LED 光源的半空间发光特性让路灯设计师能轻松地把握这两方面的控制。虽然，80。90。内的光强还存在大于5最大光强的情况，但比起高压钠灯路灯的情况改善很多。5 灯具能效51 灯具能效的概念灯具能效是指在灯具的声称使用条件下，灯具发出的总光通量与其所消耗的电功率之比。表8中的50lm. W相当于传统的150W及以下高压钠灯灯具在假设利用系数为07和灯具效率为07时的灯具能效，它是LED路灯与传统光源路灯比较的门槛。52 检测数据分析fitLED灯具的能效水平正在提高样本的检测数据显示，2007年LED路灯的能效均低于50lmW。2008年后，L ED路灯的能效水平明显提高，2 08年366的LED路灯能效达到50 lr. 09年则有76 EnW，有明显提高，2的LD路灯能效超过50lmW。表8和图18是灯具能效的数据统计。表8 灯具能效的数据统计有245 ED路灯的能效超过7mW。的L0l. 60 50 40 30 . 20 10 O207 年2008年2009年EOL4 0 圈40EOL50 . 5OEOL60 口60EOL7O 7OEOL 图18 灯具能效统计6 达到LED路灯标杆要求的案例从检测得到的数据来看，达到上述光度性能指标的LED路灯有两款，其中一款灯的配光图见图19。lc)(db与传统路灯的比较传统高压钠灯路灯的能效仍旧占据着优势。150W 高压钠灯路灯的能效一般可以达到70lmW，250W和图19 达到标杆要求的灯具配光举例400W高压钠灯路灯的能效可以达到75lmW80lmW。(下转第71页)但LED路灯发展的步伐非常快，数据反映，209年已第20卷第3期 张钰唯等：光环境的无线分布式监测网络系统7l 进的全数字光信息测量技术及Zibge组网技术，具有高集成度、低功耗等特点，使用国际通信免费频段，并以抗干扰能力强的直序扩频方式传输，具有光环境参数测量、数据采集计算、无线通信及分布式信息处理等功能，可以为建筑光环境的综合评价及智能建筑设计提供依据和手段。5 小结建立完整的建筑光环境监测系统，可以使建筑照明事业得到更快更全面的发展，但目前国内缺乏对这一领域的深入研究，国外已有部分高校在进行相关工作，但只是提出了一些思路与做法，尚未考虑设计精度和实际的使用效果，更没有形成完整的体系。因此应用无线传感器技术，采用高精度照度、亮度、色度、紫外辐射度等光度色度辐射度传感器，结合基于微处理器的全数字光度色度检测技术，通过无线通信接口模块，构成光环境的分布式无线监测网络系统