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龚耘老师 发表于  2017-02-12 19:44:03 32135字 ( 0/382)

我国城镇道路路灯节能技改的光源选择(原创首发)

提要:

全国城镇道路6000万盏路灯正在陆续进行节能减排技改。其改造采用HID(高压气体放电灯)光源还是LED光源,成为业界和政府管理层都在关注的一个问题。近年LED光源产业在中国市场高歌猛进,但LED产品在大功率户外照明市场,强力冒进,问题重重。新一代HID光源+电子镇流器组合已经在节电率上与LED光源持平,其照明质量和指标(雨雾穿透率、眩光度、均匀度、光衰)则均优于LED光源,其造价不到LED光源的35%。因此,中国城镇道路路灯节能减排技改项目应优先采用HID光源。而且,HID光源产业链是中国制造和中国创造在全球照明市场可以引导市场的优势产业,其核心知识产权大多在中国企业,值得党和政府重视和扶持。

 

我国各级政府授权当地路灯部门管辖的城镇道路路灯总数在6000万盏以上,其绝大部分灯具的光源仍然是普通高压钠灯+电感镇流器组合,可概算出每年各级政府财政开支用于路灯电费加上维护维修费用,高达数千亿元,而照明效果还不尽如人意。在从电工学上讲,每一盏路灯装配的电感镇流器是一只小“电老虎”,因此多消耗40%以上的电能。

2013年以后,全国各地正在陆续开展城镇道路路灯的节能技改工作,已经取得一定的成效。在2016年至2020年期间,公共照明,特别是城乡道路路灯照明节能技改工作进入高位运行期。

    国家有关部门要求,各地城镇公共照明要在现有基础上实现综合节电率40%以上的目标。在节能灯具改造方面,推广应用LED节能灯、高效高压钠灯、陶瓷金卤灯等高效节能的绿色光源。鼓励公共照明的节能技改项目按照市场运作模式,即采用合同能源管理(EMC)模式,由企业方投入资金和设备对现有路灯进行节能技改,业主方(政府)在节能后的节约电费中分3年~8年支付企业方的投入。

 

电光源大致分为三代,第一代为白炽灯,第二代为气体放电灯,第三代为半导体发光二极管(LED)灯。在光源的研发和生产方面,从1980年代以来,中国的气体放电灯(简称为HID灯,包括日光灯、节能灯、高压钠灯、高压汞灯、金卤灯、陶瓷金卤灯、氙气灯等)的产业规模一直是全球第一,并掌握了大部分知识产权。新一代高光效高压钠灯、陶瓷金卤灯、大功率氙气灯技术水平、发光效率和照明质量已经处于国际领先地位。2014年中国生产HID光源达到1.4亿只,除了满足国内市场,还畅销全球各国。

十多年前,LED光源技术进入中国,迅速发展成为一次建设LED产能、普及LED应用的大跃进运动。这导致LED光源产业质量极不均衡,在大功率户外照明(如路灯)市场全力冒进,结果产品质量和照明质量问题重重。

 

面对全国各地都在积极推进的城乡道路照明节能改造工作,可以用于路灯节能改造的光源,主要有新一代高效高压钠灯、氙气灯、陶瓷金卤灯和LED光源。这四类光源究竟哪一类光源既节电率高,又照明质量好,而且价廉物美性价比高,最适合我国各地的路灯节能技改?

 

  1、LED光源:

LED灯是近年兴起的新型半导体材料光源,LED就是发光二极管。LED产品的核心知识产权主要在美国,发光芯片的产能主要在台湾。中国生产LED灯的产家上千家,多为以二次配光或拼装为主,缺乏核心知识产权,在核心技术和产业链上受制于人。

  LED发光二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。LED灯发光是点光源(其它光源为面光源),其发光效率较高,色温也高,目前用于室内5米以下空间照明已经较为普及。但由于LED芯片物理特性导致其对温度敏感,随着温升而光效下降,容易光衰;且其照度不均匀,色温高而光穿透效果差,并产生较严重眩光(光污染),因此不适合多雨多雾多霾地域的道路照明,也不利于夜间交通安全;LED路灯比较现有的高压钠灯+电感镇流器组合,节电率在45%~65%之间;LED路灯价格较昂贵,每盏灯价位在3200元~7500元之间;大部分LED灯为整体模块封装,维修与更换不便;迄今LED路灯还没有超过四年的稳定运行记录。上述问题致使各地路灯管理部门对使用LED光源路灯并不积极。

  2014年4月15日,在江苏扬州的高邮市举行国家级2014(第十届)中国道路照明论坛上,中国建筑科学研究院光环境与照明研究中心王书晓高工在大会主题报告中指出,他受权领导的团队对全国10条采用LED光源照明的城市主干道和19条采用LED光源照明的次干道进行了长达18个月的持续跟踪监测。监测结论是:主干道采用LED光源的合格率只有10%,次干道合格率只有5%!

(有一位照明专家在网上争辩说,王书晓高工说的合格率不是10%,而是25%。在项目工程界,如果采用的设备运行合格率低于90%,一般都会放弃选用。合格率只有5%、10%,或者25%的LED光源,在工程上即为不合格,根本不能采用!)

    报告中列举了一系列有关LED路灯照明质量的重要监测数据,如平均照度E:79.3%(比国家专业标准少20%);道路亮度纵向均匀度:75.9%(如果夜间道路亮度均匀度不够,容易导致驾驶员的视觉疲劳和驾驶疲劳而引发交通事故。较差。);眩光阈值增量:96.6%(即光污染增量,属于重度光污染,夜间驾驶风险高)等。

  报告还指出,通过一年半的持续跟踪检测,这些LED灯具在一年半后的光衰率平均为15%,最差的为30%以上,个别LED光源使用一个季度就光衰30%!LED光源产品的光通量维持率均低于实验室预测值,LED光源(包括多个名牌产品)的质量不稳定,存在巨大差异。王书晓高工的大会报告在业界引起极大反响和议论。

  2015年4月2日在广东中山市小揽举行2015(第十一届)全国路灯论坛上,上海时代之光照明电器检测有限公司质检中心关于LED路灯的报告再次证明:LED路灯在光通量,均匀度,光穿透率,眩光度等指标上,50W以下稍好,90W以上均难达标。

在LED芯片集中生产地台湾的道路照明,基本也不使用50W以上LED光源。

  2014年6月作者专程赴台湾考察台湾路灯光源使用情况。在台北市、新北市和花莲县,看到主干道(4~6车道)的路灯几乎全部是高压钠灯,少数是金卤灯,目测其灯功率为250W和400W两种,没有看到采用LED路灯。但在台北市很多小街小巷(2米~4米宽)里,其路灯杆高5~6米,间距约20米,大都安装为50芯(1W灯芯,5芯X10排)的LED灯,即灯功率为50W,因为光源位置低(6米以下),因此照度偏大,眩光度也很大。

  据当地一位业内人士告知,LED路灯光源的雨雾穿透率和眩光度这两项指标肯定通不过设计标准,因此台湾城区道路路灯工程的业主方、建设方、设计方和监理方均不敢违规,不敢在主干道上采用LED光源。他说,假如车辆驾驶员中因为路灯炫目或雨雾天看不清路面而发生车祸,起诉政府的责任,政府会赔死。

  LED发光芯片的主要产能在台湾,且台湾领导人马英九曾多次向外国元首和政府推销台湾的LED光源,但台湾本土的城市道路并没有普及LED路灯。可见大陆在道路路灯上强行推广大功率LED光源路灯,确有冒进之虞。难说我们不是美国LED技术和台湾大功率LED光源的实验小白鼠!

 

  2、氙气灯、陶瓷金卤灯、高效高压钠灯光源和电子镇流器。

  高压钠灯已经使用于城镇道路照明30年以上,氙气灯和陶瓷金卤灯也广泛使用十多年,其知识产权和主要产能均在中国大陆。高压钠灯、氙气灯和陶瓷金卤灯均为绿色光源,它们具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。目前全球各国的城市道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业及植物栽培均是绝大部分均采用高压钠灯、氙气灯或陶瓷金卤灯。但多年来其配套的传统电感镇流器耗电大,输出不稳定,影响了其照明效果和光源寿命。

     近年推出与高压钠灯、氙气灯和陶瓷金卤灯配套的电子镇流器,其知识产权、产能和关键技术均在中国大陆,例如位于长沙高新区的湖南星联顶晟电子科技有限公司 (www.ee1168.com) 研发生产的XLDS系列电子镇流器,自有国家发明专利,技术世界领先,是实施大功率照明节电的关键产品之一,它具有功耗低、效率高、自动稳压、功率因数高、节电效果显著、可以通过内联网络远距离测控,也可自动调光等优点。

  同时,中国几家主要光源厂家自主研发的新一代高效高压钠灯、大功率氙气灯和陶瓷金卤灯已经供应市场。

 

新一代高效高压钠灯光效高,可达80~150lm/W,比现有高压钠灯提高光效15%;启动快,只需约45秒,比普通高压钠灯启动快80%,且工作寿命可达25000小时。稀土陶瓷瓷金卤灯,其高光效高(85~140lm/w),寿命长(25000h),显色性优秀(Ra85~95),结构紧凑、性能稳定等特点。氙气灯,光效(85~110lm/W),寿命10000小时以上,显色性优秀。因此氙气灯和陶瓷金卤灯发展快,用途越来越广。

在多个具体项目案例中,新一代高效压钠灯、氙气灯或陶瓷金卤灯 + XLDS电子镇流器的组合,不须更换灯具,其有功节电率比高压钠灯+电感镇流器高55%以上,综合节电率可达65%(高于LED光源的实际节电率),无功损耗减少90%,每盏灯的改造成本不到LED灯的35%,且各项关键照明质量均优于LED光源,还可以实现路灯网路的远距离测控或自适应调控,成为智慧城市建设的基础硬件之一。可以说新一代高效高压钠灯、氙气灯或稀土陶瓷金卤灯 + XLDS电子镇流器的组合,是现在用于路灯节能技改的照明质量最好,节能效果最优,成本最低,性价比最高的更新换代产品。

 

  3、四种光源的使用效果分析、比较

  (1)、高效高压钠灯的色温(Tcp)为2100K左右,为黄白暖色,是雨雾穿透率最高的色温,所以全世界各国的道路照明几乎全都是采用高压钠灯。但钠灯显色指数(Ra)只有23~25,显色性偏低;

(2)、氙气灯的色温(Tcp)为4000K~5000K,为暖白色,显色指数Ra达85~95 ,显色性非常优秀。

(3)、陶瓷金卤灯的色温(Tcp)为3000K~4000K,为暖白色,显色指数Ra达75~85 ,显色性优秀。

(4)、LED路灯色温(Tck)一般为5000K以上,属冷白色,其显色指数Ra达70~80,显色性较好。

 

在机动车行驶的快速道、主干道,偏黄色光的高压钠灯,对看清前方90~160米左右距离路面状况,效果优于白色光;特别是在多雨雾、多尘霾空气条件下,钠灯优势更明显。而在人行道、商业步行街、居住小区内小道,陶瓷金卤灯和LED灯的显色性优于钠灯,分辨人的状况更清晰,较有优势。

 

  4、发光效率比较

  LED光源的发光效率,目前美国、日本的产品约75Lm/w左右,国内生产的LED光源约65Lm/w左右,市场上主流白光LED,是由蓝光芯片激发黄色荧光粉制作而成,这种方法制作相对简单成本低而得到普遍运用。多年实践经验表明在相同显色指数、相同芯片的情况下正白光色温段5000K~6000K的光通量为最高,高色温至低色温的光通量其光效则依次下降。为了达到符合国家相关标准要求的照度,市面上的LED产品不可避免的出现色温都高的现象,这导致其穿透性差,光污染严重。高效高压钠灯,氙气灯和陶瓷金卤灯光源的发光效率为100Lm/w左右,每瓦发出的光通量比LED高25~35Lm。

 

  5、光源透雾性比较

我国江南地区雨雾天多,北方地区则雾霾天气多,对光源的透雾性要求较高。在光源的光谱中,黄色光的透雾性最好。

    下面是高压钠灯、氙气灯、陶瓷金卤灯和LED灯的光谱分布图:

 

 

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(高压钠灯2000K)

 

 

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(氙气灯4300K)

LED,HID,光源选择,路灯照明,城乡道路 

(氙气灯5000K)

 

 

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(陶瓷金卤灯3000K)

 

       LED,HID,光源选择,路灯照明,城乡道路

(LED灯6000K)


  上面图中,可以看到钠灯的80%光谱是在黄色区域内,而LED的光谱在黄色区域仅仅20%左右,也就是说LED高雾透性的光仅占整个光能的20%;陶瓷经路灯高雾透性光占整个光能30%以上,比LED光源透雾性高一倍;氙气灯黄色区域比LED略高但是有比LED更宽的色域分布;而钠灯的80%发光都具有高雾透性,同条件下其透雾性要远优于LED灯。

 

  综上所述,可以看出,LED光源的特性比较适合于5米以下室内空间和小街小巷照明,不适合户外和5米以上室内或户外空间照明。5米以上室内或户外空间照明,仍应采用HID光源(高效高压钠灯、氙气灯、陶瓷金卤灯)。


  结论:

现在全国各地都在积极推进大规模城镇道路路灯照明节能改造,关系国计民生,涉及大量工程项目的质量管理,各级党委政府领导,要当此项节能技改工作的明白人。上述四种光源的技术特性和使用适应性清楚的揭示,在中国这个四季分明,南方多雨、潮湿,北方多雾霾国度,选用LED光源作为城乡路灯节能技改的光源,明显是冒进的,可能留下不良后遗症,值得管理部门警觉。

  基于提高城镇道路路灯照明质量和夜晚交通安全、节约更多电费、减少节能技改成本的原则,城镇主干、次道路灯的光源应主要采用新一代高效高压钠灯(黄色光源)、稀土陶瓷金卤灯或氙气灯(白色光源);在城乡各类小街小巷,没有三轮以上机动车行驶,5米以下灯杆的路灯,则高效高压钠灯、稀土陶瓷金卤灯和LED三种光源均可以采用。


2016年7月5日 于长沙高新区

 

作者为湖南省照明学会理事、湖南星联顶晟电子科技有限公司董事长 高级工程师 高级能源管理师

作者Email:gongyf@ee1168.com

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