LED照明维护系数浅析.doc

LED道路照明维护系数浅析王书晓 赵建平（中国建筑科学研究院、国家建筑工程质量监督检验中心 北京 100037）摘 要：在照明设计中，一个重要的工作就是确定照明维护系数，该数值应综合考虑安装、使用及维护成本等因素。近年来，随着LED技术日趋成熟，LED照明产品在道路照明等领域得到了广泛应用。然而由于LED与传统光源发光特性的差别等因素，也导致LED照明产品应用中的维护系数确定存在一定差异，本文将探讨LED照明应用中的维护系数如何确定。关键词：LED照明产品 道路照明 维护系数1 前言城市道路照明设计标准CJJ45-2006所规定的照度标准值均为作业面或参考平面上的维持平均亮（照）度值。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（即维护系数）后设计计算时所采用的平均亮度（照度）值。因此在照明设计中，一个重要的工作就是确定照明维护系数，该数值应综合考虑安装、使用及维护成本等因素。近年来，随着LED技术日趋成熟，LED照明产品在道路照明等领域得到了广泛应用。然而由于LED与传统光源发光特性的差别等因素，也导致LED照明产品应用中的维护系数确定存在一定差异，本文将探讨LED照明应用中的维护系数如何确定。2 维护系数定义及计算方法根据建筑照明术语标准JGJ/T 119-2008、IESNA照明手册（第九版）及室外照明系统的维护CIE154：2003，维护系数是指照明装置在使用一定周期后，在规定表面上的平均照度或平均亮度与该装置在相同条件下新装时在规定表面上所得到的平均照度或平均亮度之比。影响维护系数取值的因素有光源光通量维持率、光源残存率及灯具污染等，其计算方法为： （1）式中：MF 维护系数；LLMF 光源使用寿命结束时的光通量维持系率，应根据生产企业产品数据确定；LMF 灯具污染的维护系数，其取值与灯具擦拭周期有关，可根据查表1确定；LSF 光源使用寿命结束时的失效率，该数值与光源功率、开关频率以及电源附件等有关，但可以通过及时更换损坏光源消除光源损坏对于维护系数的影响。表1 灯具污染维护系数灯具防护等级污染分类维护周期（年）1.01.52.02.53.0IP5X高污染0.890.870.840.800.76中污染0.900.880.860.840.82低污染0.920.910.900.890.88IP6X高污染0.910.900.880.850.83中污染0.920.910.890.880.87低污染0.930.920.910.900.90注：摘自室外照明系统的维护CIE154：2003根据“十二五”城市绿色照明规划纲要的规定我国快速路、主干道亮灯率不应低于98%，次干道及以下亮灯率不应低于96%，因此在我国当前道路照明实践中光源失效率可以取值为0.98或0.96。从式（1）可知，LED照明产品应用于道路照明中，影响其与传统光源维护系数不同的主要因素为光源光通量维持率，因此研究LED产品在道路照明应用中的维护系数，其研究重点主要为LED光源与传统光源光通量维持特性的差别。3光源光通量维特性对比因光源光通量衰减的维护系数，按照光源实际使用寿命终了时来确定。因此要研究LED与传统光源光通维持特性的差别，就要研究LED光源寿命的界定及光通衰减规律与高压钠灯等传统光源的差别。3.1光源寿命定义图1灯的寿命定义光源的寿命是评价光源的性能的一个重要指标。光源的寿命有全寿命、平均额定寿命和有效寿命之分，有效寿命是根据光源的发光性能来定义的，当光源所发出的光下降到其初始值的80%（或70%）时，它所已经点燃的时间被定义为它的有效寿命或经济寿命，光源从点燃到不能工作的时间称为光源的全寿命，而当有一半的光源已不能工作时的燃点时间则称为光源的平均额定寿命。传统光源多采用平均额定寿命，如根据国家标准高压钠灯GB/T 13259-2005、金属卤化物灯（钠铊铟系列） 性能要求GBT 24333-2009规定，高压钠灯、金属卤化物灯寿命为光源的光通维持率达到本标准要求并能继续燃点至50%的光源失效时的累计时间。而因为LED光源在正常使用中较少出现突然失效，而是随着使用时间的增长光通不断衰减，因此当前国际上多采用有效寿命（70%）来进行评价。如道路照明用LED灯 性能要求GB/T 24907-2010应按普通照明用LED模块测试方法 GB/T 24824-2009标准测试条件下LED道路/隧道照明产品保持正常燃点，在燃点过程中光通维持率符合本技术规范的要求，且光通维持率衰减到70%时的累积燃点时间。3.2光源光通衰减规律1）传统光源传统高强气体放电灯的在点燃的过程中，光通输出会逐渐降低。光源光通衰减受到多个因素影响，包括光源功率、电极衰退、溅射引起的电弧管变黑、电弧管内化学物质的平衡改变以及镇流器性能变化，而频繁的开关灯同样会加快光源光通衰减。根据当前生产厂家相关数据显示，传统光源光通维持数据见表2：表2道路照明典型光源光通维持系数表光源类型燃点时间（小时）40008000120001600020000金属卤化物灯0.890.850.810.80-高压钠灯0.950.930.930.920.91当前传统光源光通量衰减的维护系数，按照光源实际使用寿命达到其平均寿命70%时来确定，则计算维护系数时光源光通维持率取值可见表3：表3道路照明典型光源光通维持率取值表光源类型平均寿命使用寿命光通维持率取值高压钠灯25000175000.92金属卤化物812）LED光源美国于2011年发布了IES TM21 (Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources )标准，应用于LED封装、LED阵列、外接驱动控制的LED模块。该标准规定了一种利用IES LM80测试数据，以指数衰减为光通量衰减模型推算LED光源光通维持率的方法，目前该方法已经被各国广泛采用作为判断LED光通衰减的方法，根据该方法可以计算出LED产品不同有效寿命在各累积燃点时间的光通维持率，见表4。表4 燃点时间光通维持率累积点燃时间L70寿命为25000小时L70寿命为35000小时300095.8%97.0%600091.8%94.1%900087.9%91.2%1200084.3%88.5%1500080.7%85.8%1750077.9%83.4%1800077.4%83.2%2000074.1%81.6%2250072.5%77.9%2500070.0%77.5%3000073.7%3500070.0%因此，按照LED产品有效寿命（70%）判断则计算维护系数时，光源光通维持率取值为0.7；如希望提高光源光通维持率取值，则需缩短灯具使用寿命，当缩短为0.7倍的LED产品有效寿命（70%）时，光源光通维持率取值0.78。4 LED与传统光源维护系数对比根据前文所确定数值，可以计算得出LED光源与传统光源在照明设计中的维护系数见表5：表5 LED光源与传统光源在照明设计中的维护系数对比表维 护周期（年）高压钠灯金卤灯（石英）LED有效寿命LED使用寿命高污染中污染低污染高污染中污染低污染高污染中污染低污染高污染中污染低污染1.00.800.810.820.71 0.72 0.72 0.61 0.62 0.62 0.68 0.69 0.70 1.50.790.800.810.70 0.71 0.72 0.60 0.61 0.62 0.67 0.68 0.69 2.00.780.790.800.68 0.69 0.71 0.59 0.60 0.61 0.66 0.67 0.68 注：1灯具防护等级为IP6X； 2选择道路等级为次干道，亮灯率为96%。由表5可知，在传统照明控制方式的情况下，由于LED光源的光通维持率相较于传统光源较低，因此在照明设计时所取的照明维护系数相对较低，取值仅为0.6左右。目前英国道路照明标准BS5489-1-2013对LED道路照明产品所规定的维护系数即为0.58就是这个原因。当选择LED光源时，为了保证其能耗不高于传统光源则需保证LED光源光效不低于高压钠灯灯具系统能效的130%，金属卤化物灯灯具系统能效的116%。但是由于维护系数取值过低势必造成道路照明系统初始安装及运行成本大大增加，使得其全寿命周期成本计算并不是最合理的。利用CIE150-2010所给出的经济技术分析的方法，作者根据所掌握的数据进行了初步计算分析，发现以当前的生产水平取LED有效寿命并不是最经济合算，而当使用寿命为0.7倍的LED产品有效寿命（70%）时其经济相对较为合理，此时维护系数取值为0.68。5 研究展望LED作为一种新光源，有其自身的特点，特别是由于其产品尚未成熟，在照明应用中也存在一系列的问题。为了更好地引导LED道路照明的科学发展，充分发挥其自身优势，在为人民创造一个安全、舒适的出行环境的基础上，有效减少照明能耗、降低城市照明维护成本，建议开展以下方面工作：1） 进一步研究LED道路照明经济技术分析方法 ；2） 研究灯具污染折减评价方法 ；3） 研究基于不同温度的LED灯具光源衰减评价方法 ；4） 充分发挥LED易于调光的特性，采用智能控制、恒照度控制等方法降低由于较低维护系数所带来的运行能耗 ；5） 进一步发展LED技术，提高LED产品效率和稳定性 。作者简介：王书晓，男，硕士。在中国建筑科学研究院、国家建筑工程质量监督检验中心从事光环境的研究、标准制订及检测等工作。目前正在负责国家发改委/联合国开发计