何秉云

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[原创]城市道路照明发展分析探讨 2009/12/16 9:25:00
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城市道路照明发展分析探讨

何秉云  

天津市照明学会   天津  300193

 

 

  本文简述了城市道路照明的发展变化,并根据目前存在的主要问题简析了道路照明必须明确照明与视觉的关系、道路照明水平分级、合理确定照度标准及照明功率密度值、重视照明质量标准及后期维护与管理;并阐述了LED路灯在发展和应用中产品的标准化和通用性、国家标准的制定、光学设计、散热等主要技术及价格等问题。

关键词道路照明;发展;LED路灯;存在问题

 

1前言

城市道路照明是城市基础设施的重要组成部分,对完善城市功能、改善城市环境、提高人民生活水平起着重大的积极作用。特别是改革开放30年来,随着社会经济建设的日益发展,道路照明的建设水平已经成为城市发展速度快慢与水平高低的重要标志。

长久以来,传统光源高压钠灯及部分金属卤化物灯一直在道路照明中起着主导作用。近年来,国内LED照明应用发展迅速,很多厂家相继推出了大功率LED路灯,并作为节能产品越来越多的应用于道路照明中。本文就道路照明发展应用中的几个问题做粗线探讨。

 

2 城市道路照明的发展变化

 

我国是目前全球城市化进程最快的国家之一,城市改造、城镇建设、住宅建设、道路建设及城市夜景照明工程,拉动了市场需求。全国照明行业11000家企业,年产值达3000多亿元,发展迅速。路灯是城市基础设施中不可缺少的重要内容。道路路灯建设情况及数字,从一个侧面反映了改革开放30年的重大变化和成绩。1979年,全国路灯总数只有57.02万盏,而2001年全国约500个城市调查统计,共有路灯395.6万盏,比79年改革之初增长了6.94倍。经过几年的发展,目前全国各种类型路灯已超过1亿盏,而且每年路灯市场需求量都在2,000万盏以上,且呈不断上升趋势。以天津市为例:天津是华北地区重要的中心城市之一,是现代工业基地和文化大都市,道路照明建设已基本上满足其功能定位,符合城市性质,达到国内先进水平,形成科学有序的照明体系。天津市区路灯已由200068千盏增加到现在的126千盏,路灯总负荷已超过10KW,每年的电费已增加到7000多万,全市市政道路已消灭了有路无灯,光源也由单一的白炽灯发展到第三代的高压钠灯为主,LED路灯的示范样板工程也相继开展。市路灯自动化监控实现了微机自动化控制,利用计算机和无线控制终端对全市路灯进行启闭、监控及遥测。用脚踏、腰绳等简单工作作业一去不复返,路灯维修工作迈入高空作业车“机械化时代”。照明供电网络也越来越复杂,社会对道路照明的质量和可靠性的要求也越来越高,节能工作也备受关注。我们目光所及之处,是宽敞开阔的道路、鳞次栉比的高楼大厦、流光溢彩的商业区、游人如织的滨江道,以及时尚现代的地铁站与高架桥。从低矮平房到高楼大厦;从昏暗的点点灯光到辉煌的万家灯火、霓虹变幻、流光溢彩;从狭窄的马路、胡同到宽阔道路、宽敞广场、宁静安逸的社区;从空中飞线“蜘蛛网”到电缆入地;从空中变压器到漂亮的箱台式变压器;木杆或水泥灯杆到造型优美的金属路灯杆;从室内白炽灯到荧光灯、节能灯;从路灯杆上的白炽灯、汞灯到高压钠灯、金属卤化物灯、LED……,太多太多的变化,不胜枚举。

 

3 城市道路照明应注意的主要问题

 

目前各地城市道路的照明质量、服务水平、管理体系已得到了质的飞跃,大部分路段照明已达到现阶段国内城市中的优良水平,尤其是近几年发展迅速,优质工程数量不断增多,体现出了现代城市的道路照明特点。随着道路照明建设规模的不断扩大,也存在着一些问题,这些问题制约了道路照明的进一步科学健康发展。

 

3.1必须明确照明与视觉的关系

道路照明建设绝不能忽略或偏离其功能作用。在各级道路上设置照明器的主要目的是为在夜间给车辆和行人提供必要的能见度,改善交通条件,减轻驾驶员疲劳,并有利于提高道路通行能力和保证交通安全。因此,满足路面上驾驶员与行人的视觉要求至关重要,应放在道路照明设计的首位。

驾驶员在夜间是借助于障碍物及其作为背景的路面两者的亮度对比来察觉前方道路上有无障碍物的。路面平均亮度升高,察觉障碍物所必要的亮度对比变小,障碍物容易被发现。驾驶员在行车过程中,只关心前方有无行人或障碍物,无须辨认出是谁或何物,所以道路照明一般只需使路面具有一定亮度,增大物体与路面亮度差,驾驶员能轮廓辨认人或物即可。当物体向着视线的一侧亮度较大时,驾驶员只能辨认该侧表面细部。要提高驾驶员对细部的辨认能力,可通过道路照明增大物体表面亮度或使亮度变化解决。决不能任意提高照度或降低照度。照明设施陈旧落后,照度低于国家标准;平均照度大于601x,高于国家标准,形成能源浪费并导致环境亮度增高的光干扰问题,都不能满足视觉要求。

道路照明的诱导性对于交通安全和舒适性同样有着非常重要的作用因此,在道路照明的设计中应该保证诱导性方面的要求诱导性分为视觉诱导和光学诱导,两者既有区别又有紧密的联系。路面路面标志、中线、路缘、应急路栏等这些诱导辅助设施视觉诱导系统,通过这些道路的诱导辅助设施使驾驶员明确自身所在位置以及道路前方的走向。光学诱导系指通过灯具和灯杆的排列、灯具的外形外观、灯光颜色等的变化来标示道路走向的改变或是将要接近道路的交叉口等特殊地点。因此道路照明的诱导性系统设置的合理性因引起足够的重视。

 

3.2必须明确道路照明水平分级

城市道路的分类是根据道路在城市路网中的地位城市空间形态、交通功能周围环境以及对沿线建筑物和城市居民的服务功能等要求,将城市道路分为快速路、主干路、次干路、支路、居住区道路。道路照明的需求也走向多元化。各级道路非机动车道的照明水平为相邻机动车道的1/2;人行道为相邻非机动车道的1/2,但不得小于5LX。干路、支路等分级确定不明确,照明差别不明显问题,会造成亮度分布不合理,不能形成灯光秩序。

 

3.3必须合理确定照度标准及照明功率密度值

有关资料表明,合理的夜间道路照明至少可以会降低30 %的城市道路交通事故率、45 %的乡村道路交通事故率和30 %的高速公路交通事故率。

路面平均照度是指按照CIE有关规定在路面上预先设定的点上测得的或计算得到的各点照度的平均值。

确定合适的照度水平是节能的前提。本世纪以来,照度水平在照明设计和能源分析中占有重要的位置,多数国家推荐的照度水平都经历了先升后降的趋势。照度是一种照明用电的简便测量方法。因此它只是估算的和不完整的指标。在未来的照明设计中,对能源和非能源因素的综合考虑将更趋复杂,影响照明质量的指标逐步增多,各国的照度水平均已处于近几十年来的最低点。这种趋势要求我们在设计中合理地确定照度标准,而不能盲目追求高指标。照度不是越高越好,有时适得其反,所以应合理选择。

  机动车交通道路照明标准值

级别

道路类型

路面照度

路面平均照度Eavlx

快速路、主干路(含迎宾路、通向政府机关和大型公共建筑的主要道路,位于市中心或商业中心的道路)

20/30

次干路

10/15

支路

8/10

注:1. 表中所列的平均照度仅适用于沥青路面。若系水泥混凝土路面,其平均照度值可相应降低约30%

2. 表中各项数值仅适用于干燥路面。

3. 表中对每一级道路的平均照度给出了两档标准值,“/”的左侧为低档值,右侧为高档值。

道路照明功率密度(LPD)是作为照明节能的重要评价指标,也是《城市道路照明设计标准》(CJJ 45-2006)新增加的一个内容。依照标准中的规定,应对机动车道路进行功率密度的分级,在此基础上,通过对现状功率密度的调研分析,即可得出哪些道路照明的功率密度是否超标,予以降低功率或改变灯具的排布方式,达到节能的目的。

各级机动车交通道路的照明功率密度值如下表所示

  机动车交通道路的照明功率密度值

道路级别

车道数

照明功率密度值

对应的照度值

(条)

LPD)(W/M2

LX

快速路

主干路

≥6

1.05

30

<6

1.25

≥6

0.70

20

<6

0.85

次干路

≥4

0.70

15

<4

0.85

≥4

0.45

10

<4

0.55

支路

≥2

0.55

10

<2

0.60

≥2

0.45

8

<2

0.50

注:1.本表仅适用于高压钠灯,当采用金属卤化物灯时,应将表中对应的LPD值乘以1.3

2.本表仅适用于设置连续照明的常规路段。

3.设计计算照度高于标准值时,LPD值不得相应增加。

 

3.4 必须重视照明质量标准

照明质量标准包括路面亮度、均匀度、眩光和诱导性。

照明质量标准通常用规定的路面水平照度和均匀度两个指标。水平照度即每一平方米水平照射面积上,均匀分布一流明的光通量。均匀度是最大水平照度与最小水平照度的比值。实际上,路面的亮度分布与照度分布有相当大的差别。采用路面照度作为道路照明指标不能给出视感条件的真实情况。因此,国际照明委员会建议道路照明的质量用路面亮度、均匀度、眩光和诱导性四个指标衡量。

亮度是道路表面单位面积上反射出的光量。均匀度是路面上亮度分布的均匀程度。影响驾驶员视觉舒适感的均匀度等于行车线上路面最小亮度与最大亮度之比。即使平均亮度较高,但亮度分布不均匀的路面,在明暗相差很大的地方,障碍也难以发现。眩光是强光直射驾驶员的眼睛,使眼睛不舒适,产生视觉障碍,看不清物体的现象。眩光使眼睛不舒适的程度用表示主观感觉的眩光指数G评定。

国际照明委员会推荐:

眩光指数

视觉感受

G

1

无法忍受

G

3

有干扰

G

5

允许的极限

G

7

比较满意

G

9

无影响

眩光与光源的亮度、视线与光源的夹角、路面平均亮度等因素有关。诱导性是用照明告知驾驶员有关前方道路线形、起伏、交叉、车流分合的有关信息。国际照明委员会建议,城市干道、高速公路的路面亮度取2尼特,纵向均匀度取0.7G6

 

3.5 必须注重后期维护与管理

必须注意只注重工程前期建设而忽视后期维护与管理的倾向。城市道路照明设施暴露在室外,不仅受到风吹、日晒、雨淋等气候的影响,有时还受到一些人为因素的破坏,对于人身的安全会带来潜在的不安全因素。因此城市道路照明系统维护工作意义重大,需要制定系统的管理方法及措施,保证城市道路照明系统无隐患,高效持续运行。

照明维护专家美国国家照明署主席曾分析:每天有多达300-400百万度城市照明用电因污垢灰尘和超期股役的旧光源而浪费掉。若投入每1美元的照明维护,都可以产生5美元、甚至10美元的好处。更好的维护可能导致效率更高,错误更少,更安全。我国建设部对城市道路照明设施维护与管理工作也十分重视,并于200194日发布第104号建设部令《建设部关于修改〈城市道路照明设施管理规定〉的决定》,其中对于道路照明设施维护与管理作了专门的规定。由于光源在使用过程中光通量下降以及照明器和光源因污染而导致实际效率下降因素,应考虑城市道路照明的照度维护系数。维护系数不仅涉及到光源光通量的衰减情况,而且还要考虑建筑所处的环境、照明器承受污染的性能以及清扫维护周期等因素。我国新颁布的《建筑照明设计标准》(GB50034-2004)规定室外照明照度维护系数一般取0.65,维护周期为2/年。另外,还要考虑光通量维持率和亮灯率。这些因素为确定光源的更换时间和维修供应计划提供了有效依据。

 

4. LED路灯的发展和应用

LED作为一种半导体发光材料,与其它发光材料相比较,以其绿色、高效、可靠、耐用的优势,受到国内外的关注。随着半导体技术的不断发展进步,LED 的应用可以说无处不在。特别是白光的取得,效率、寿命、稳定性等性能的提升和成本的不断降低,更拓展了LED光源的应用领域。近年来,LED在景观照明领域取得了一定的成功,LED路灯的开发研制,又开辟了更广阔的天地。与传统光源相比,LED在显色性、节能环保、寿命以及数字化可控程度上都有着突出的优势。我们相信,在逐步解决了散热、光衰等一系列关键技术难题,并实现造价大幅度降低后,LED光源在道路照明领域同样有着良好的发展前景。目前国内外已有数百家企业投入到LED路灯的开发研制中,其中部分产品已经投入批量生产最近中国科技部组织实施了十城万盏计划,得到了全国各地的积极响应,创造出庞大的 LED 路灯市场,国内外一些应用试点示范也在如火如荼的展开。

在全球能源危机与环保压力日益凸显的形势下,LED光源在道路照明中的应用已成为近年来半导体照明行业的热点。LED器件产品应用到路灯上,对技术有什么特殊要求,LED路灯与目前高压钠传统路灯相比有哪些优势,还存在哪些不足,如何解决等一系列问题,都值得我们认真研究。

4.1产品的标准化和通用性是大规模使用的基础

目前推出的LED路灯,产品外观、LED的发光颗粒的排布方式与数量、整流电路的外型尺寸和内部设计多种多样。如:单管功率数量各异,1~5瓦不等;光分布情况各异,有蝠形、矩形、蝶翼型等;光学处理方式有自带透镜免二次光学处理和进行二次光学处理的;驱动器情况有专用驱动芯片IC和无电解电容;封装情况有多芯片封装和单科芯片封装;技术线路情况有模、组式大功率、芯片集成式大功率、点阵式大功率等。电源装配也有自带一体化和外接电源两种,散热技术也各有千秋,这都给普及使用后的运行及维护工作带来极大不便,也不符合市政公用设施标准化,通用化的设计原则。

我们认为,在今后的发展过程中,生产厂家应严格按照国家统一标准进行,确保产品在设备安全性和电气性能方面安全可靠。同时,在城市照明领域得到应用的LED产品,必须对产品标准型、统一性提供以下保证。

如:对于同一个企业不同发展阶段的产品之间,要保证主要电气元件的标准性,统一性,避免因产品更新换代造成备品备件断代;对于不同企业的产品之间,灯具主体,发光颗粒板、整流电路等主要电气元件要依据国家标准,实现必要的标准性、统一性。

据了解,LED道路照明产品的国家标准正在编制过程中,年内即将出台。这一标准的正式颁布,对于LED产品在道路照明领域的应用具有决定性的意义。

 

4.2相应的国家标准是LED路灯市场健康发展的保障

   LED的光电及热学特性与传统光源差异甚大,使现有LED的测量无法完全套用传统照明光源的测量方法。 目前LED无论在产品规格或测量上均缺乏适当的标准。造成产品种类繁多,市场不规范,测量无标准。而产品的多样性也导致企业不可能集中大规模生产。制定相关的LED标准已成为产业的迫切需求。而目前 "全国照明电器标准化技术委员会“提出的普通照明用LED国家标准及行业标准”等在送审阶段,预计于将会陆续颁布实施。 相关企业应进行新的市场定位和产品规划,抓住新机遇,投入必要的质量保障手段

 

4.3光学设计、散热是LED路灯面临的主要技术问题

虽然大功率LED路灯的研制发展的速度很快, 但是还面临 输出功率及光通量、二次光学设计、散热设计和电源|稳压器系统设计等主要技术问题。特别是光学设计和散热问题,是提高发光效率和延长寿命的关键。

1. 光学设计

LED的二次光学元件设计对LED路灯的配光及光学输出效率至关重要。良好的道路照明要求LED路灯的配光为长方形的光型,路灯发出的所有光刚刚可以覆盖住马路,而马路之外的光污染几乎为零。非对称自由曲面二次光学元件的采用可以使LED路灯的长方形配光直接在单个LED模组上实现。整体路灯只需要将这些LED模组阵列按照相同方向排列即可,从而可以简化路灯机构、散热及控制电源的设计。

2. 散热

LED 是嵌入照明器具中使用的,由于LED 芯片的发热量大,在做成大功率灯具时的重要关键技术就是“散热”。虽说发光效率越来越高,但LED 芯片的发热量仍然很大。PN结结温每升高10度,半导体器件的寿命就减少1倍。LED 芯片的高温度导致芯片本身及封装树脂性能的恶化,从而最终引起发光效率的降低和寿命的缩短。目前各生产单位都采取了不同的散热措施,多为采用整体式的、系统性的散热设计理念,应用高性能导热材料。如铝压铸模、铝挤型齿状散热片、整体式齿状散热片、铝挤型材横列齿形散热器、热导管长鳍形、外部齿状结构片、自然对流通体散热等。还有采用超合金导热管(导热速度为纯铜的100)与高密度散热铝鳍片结合。将芯片产生的热量迅速的由点源转为线源,使热量均匀分布至散热片。散热片向下,避免灰尘鸟粪堆积。芯片的封装、灯具散热等因素都可能光衰减。

4.4 价格仍然是LED路灯大规模应用的最大障碍

目前LED路灯的成本还远于高压钠灯,一款LED路灯价格在4000--8000元,甚至更高,而一套进口品牌的高压钠灯(含灯具、成套电器光源)价格不超过1500元。就现状而言,LED路灯明显太贵,价高达3-5倍之多。因此即使LED路灯的耗电量仅是高压钠灯的三分之一,但由于价格比高压钠灯高许多,用LED路灯代替高压钠灯成本回收周期仍然会很长。

功率型LED与传统道路照明光源的比较

 

高压钠灯

金卤灯

功率型LED

功率

250W/400W

150W

1W*90

寿命

24000h

10000-15000h

50000-100000h

光色

黄色

白色

白色

显色性

20-40

60-80

70-80

光效

130lm/W

100lm/W

目前70lm/W

色温

2700K

3000K

3000-4500K

色温是否可调

光源体积

成本

所以,LED路灯要在道路照明市场正式推广,价格及成本仍然是最大障碍。要使LED路灯下滑到与现有灯具的竞争价格,需要各厂商的成本下降。而近期只能是在LED技术不断成熟,发光效率不断提高的前提下,通过LED的寿命优势、节能优势来弥补灯具价格上的劣势。

 

4 结语

发展半导体照明产业是推进“节能减排”的重要途径,有利于加快电子信息等循环经济型产业链的形成。LED路灯和传统路灯光源比较有许多优点,但目前还有一些关键技术问题急需解决,开发、研制和推广还要作很多工作。我们希望LED 路灯不断进步,在不远的将来,以优异的表现更广泛应用于城市照明的建设中。

 

参考文献:

    1. 中华人民共和国建设部发布的 《城市道路照明设计标准》 2006

2. 何秉云  张文 《天津城市道路照明发展及规划调整》 2009

3. 内详 《浅议城市照明设施的维护与管理》 LED

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