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摘  要 結(jié)合當(dāng)前路燈的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，通過(guò)對(duì)幾類主流LED路燈應(yīng)用實(shí)測(cè)、調(diào)光測(cè)試獲得有效數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，驗(yàn)證了LED路燈在道路照明領(lǐng)域內(nèi)節(jié)能減排的明顯效果，為LED路燈的應(yīng)用推廣提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞 LED路燈 節(jié)能減排 功率密度值 調(diào)光控制 節(jié)能率 

    一、引言

節(jié)能減排已成為國(guó)策，作為照明能耗大戶的城市道路照明，住建部給出了明確的節(jié)能目標(biāo)。自國(guó)家推動(dòng)LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的努力，LED路燈制造和應(yīng)用已經(jīng)走向成熟。國(guó)家、行業(yè)和地方也適時(shí)地推出了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，以期幫助各地路燈建設(shè)和管理部門(mén)，有序推進(jìn)LED路燈的應(yīng)用。

作為國(guó)際大都市的上海，道路照明的可靠服務(wù)顯得尤為重要。跟蹤LED路燈的技術(shù)進(jìn)步，通過(guò)多次LED路燈的試點(diǎn)應(yīng)用，采集了大量的第一手資料。本文嘗試用數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明，LED路燈應(yīng)用的明顯節(jié)能效果以及應(yīng)用中應(yīng)該注意的問(wèn)題。

以三類當(dāng)前市場(chǎng)上的主流品牌LED路燈--整燈式LED燈具（A類燈）、模塊式LED燈具（B類燈）、COB（C類燈）式LED燈具各30盞作為測(cè)試對(duì)象。選擇了一條已安裝高壓鈉燈5年左右的城市次干道，該道路的機(jī)動(dòng)車道側(cè)燈具高度7米，非機(jī)動(dòng)車道側(cè)燈高5.5m，平均燈間距約28米，路寬約19米。測(cè)試時(shí)把道路分成4個(gè)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)三類LED燈具以及保留的原250W高壓鈉燈。測(cè)試涉及到2個(gè)路燈節(jié)能控制箱，因此在本測(cè)試中，同步測(cè)試原來(lái)的路燈節(jié)能控制箱的節(jié)能能力。

在選定測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)后，通知三類LED燈具廠家根據(jù)需求自主選擇燈具。同時(shí)為了測(cè)試燈具的綜合能力，要求所有的燈具應(yīng)具備調(diào)光功能。我們還同步安裝了第三方的單燈節(jié)能控制器，用于測(cè)試時(shí)的主動(dòng)調(diào)節(jié)。

    二、測(cè)試內(nèi)容和方法

    （一）測(cè)試內(nèi)容如下 ：

1、路燈控制箱在非節(jié)能態(tài)運(yùn)行下，原高壓鈉燈的運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)量；

2、路燈控制箱在節(jié)能態(tài)運(yùn)行下，原高壓鈉燈的運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)量；

3、各類LED路燈穩(wěn)定運(yùn)行后的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)量；

4、被測(cè)對(duì)象（4類燈）設(shè)定調(diào)光目標(biāo)后，穩(wěn)定運(yùn)行后的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量；

5、以控制箱回路為單位的路燈整體運(yùn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量；

測(cè)試數(shù)據(jù)包括燈具的用電參數(shù)（電壓、 電流、有功功率、功率因數(shù)）以及燈具在設(shè)定條件下穩(wěn)定運(yùn)行后的照度數(shù)據(jù)（參照《照明測(cè)量方法》GB/T5700-2008）。

應(yīng)該說(shuō)明的是，路燈的照明效果是用亮度標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量的，但是，本測(cè)試僅僅從節(jié)能的角度進(jìn)行各類LED燈具的分析比對(duì)，測(cè)量燈具的光能輸出是主要的，所以采集燈具對(duì)地面提供的照度做實(shí)驗(yàn)是合理可行的。

     （二）測(cè)試方法

1、對(duì)所選的照度測(cè)量區(qū)域燈具所在的出線回路進(jìn)行設(shè)定時(shí)間的用電測(cè)量，要求路燈處在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2、采用四點(diǎn)法把燈與燈之間劃分為10等分網(wǎng)格，在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上測(cè)試照度。

（三） 計(jì)算方法

 1、 燈具對(duì)應(yīng)替換前、后的節(jié)電率計(jì)算公式 ：

η＝(W_前- W_后)/ W_前 ×100%

式中：W--實(shí)測(cè)的燈具輸入功率（瓦）, η--節(jié)電率 %

 2、 區(qū)域平均照度的計(jì)算公式 ：
       

式中：E--平均照度（單位:lx）,  E_i--測(cè)點(diǎn)照度（單位：lx）

 3、 區(qū)域照明功率密度值LPD的計(jì)算公式 ：

區(qū)域照明功率密度值LPD（W/m²)＝燈具輸入總功率／測(cè)定照明面積

        三、測(cè)試與分析

  （一）路燈控制箱降壓節(jié)能模塊對(duì)路燈的節(jié)能作用

連續(xù)測(cè)試2天，第一天啟動(dòng)控制箱節(jié)能模塊，第二天關(guān)閉節(jié)能模塊，（晚上的開(kāi)燈時(shí)段為13.73小時(shí)），讀取4組燈具的每晚用電量（度）如表1：

表1                         四組燈具的每晚用電量（度）

 數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)路燈控制箱輸出電壓下降時(shí)，鈉燈隨著電壓的下降，功率有所下降，而LED燈依然處在全亮狀態(tài)，這與提供的LED燈的指標(biāo)一致，即：LED的驅(qū)動(dòng)電源是一種寬動(dòng)態(tài)電壓輸入的驅(qū)動(dòng)器，電壓的波動(dòng)不會(huì)引起輸出功率的變化。

測(cè)試顯示：

   1、路燈節(jié)能控制箱，按當(dāng)前的節(jié)能配置方式，對(duì)于傳統(tǒng)的高壓鈉燈，節(jié)電率在11.4%左右；

    2、LED路燈對(duì)線路輸入電壓不敏感，在一定的電壓范圍內(nèi)，LED路燈始終處在穩(wěn)定的功率運(yùn)行模式。因?yàn)閷?duì)于LED路燈的調(diào)光來(lái)自于調(diào)光接口的輸入數(shù)據(jù)，而不是調(diào)節(jié)輸入電壓。

 （二）供電線路端電壓對(duì)燈功率的影響：

  測(cè)試1號(hào)箱#1供電回路上的高壓鈉燈端電壓發(fā)現(xiàn)：編號(hào)101的燈電壓227V，功率為302W，而編號(hào)115的燈電壓為221V，功率為273W，而對(duì)于#2供電回路的LED燈具，功率并沒(méi)有隨電壓的變化而變化，因此：

        1、對(duì)于鈉燈供電出線回路，近端的路燈較亮，而線路末端的路燈較暗，為了電纜末端路燈的正常運(yùn)行，一般會(huì)適當(dāng)提高供電電壓而超過(guò)220V。因此，靠近控制箱的高壓鈉燈往往因?yàn)檩斎腚妷哼^(guò)高，而會(huì)處于過(guò)亮狀態(tài)。

        2、對(duì)于LED路燈，由于LED的運(yùn)行功率與輸入電壓無(wú)關(guān)，因此，不同位置的路燈將處在同樣運(yùn)行功率狀態(tài)下，與線路損耗無(wú)關(guān)。

  （三） 不同燈具的實(shí)測(cè)功率

對(duì)原來(lái)三段高壓鈉燈進(jìn)行了15桿30盞LED路燈替換后，隨機(jī)抽取機(jī)動(dòng)車道各類路燈，進(jìn)行實(shí)地電參數(shù)的測(cè)試（見(jiàn)表2）。

       表2               實(shí)地電參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)

         表3                 測(cè)試三種LED燈具參數(shù)表

   （四）不同燈具全功率運(yùn)行時(shí)照度測(cè)試及結(jié)果（見(jiàn)表4）

      表4          不同燈具全功率運(yùn)行時(shí)照度測(cè)試數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)顯示，三種LED燈具，初始功率不同，地面提供的照度也不同。

1、對(duì)于城市次干路 選用的LED初始功率偏大，照度超標(biāo)；

2、對(duì)于A類（整燈）LED燈，配置功率偏大；

    3、從功率密度值的角度看，本條次干道，替換前的照明功率密度值達(dá)到1.39，已經(jīng)超標(biāo)。替換后，三種LED路燈的照明功率密度值達(dá)到0.85~0.97，對(duì)于小于四車道的城市次干道，也未能完全滿足道路照明的節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)（參見(jiàn)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》CJJ45-2015的表7.1.2）。由此可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)的LED路燈初始功率的選擇，尚未能滿足節(jié)能照明指標(biāo)。

4、導(dǎo)致LED燈具未能滿足節(jié)能燈具要求的最大問(wèn)題在于燈具的初始功率偏大。

為了進(jìn)一步測(cè)試燈具的照明功能，利用單燈節(jié)能控制器，測(cè)試不同燈具通過(guò)調(diào)光后，的功率與照度的關(guān)系。以此來(lái)比較不同燈具的照明能力。

      5、調(diào)光變功率運(yùn)行下路面照度測(cè)試及結(jié)果

各類LED燈具和高壓鈉燈的調(diào)光測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)下圖所示：
 

  圖1 鈉燈調(diào)光測(cè)試數(shù)據(jù)                圖2  LED（整燈）調(diào)光測(cè)試數(shù)據(jù)

    圖3  LED（模塊）調(diào)光測(cè)試數(shù)據(jù)            圖4  LED（COB）調(diào)光測(cè)試數(shù)據(jù)

    1）不同燈具在提供同樣平均照度時(shí)的功率分析

匯總在幾種照度下的燈具功率數(shù)據(jù)如下：

                                表5       幾種照度下的燈具功率數(shù)據(jù)

從表5中可以看出不同的LED燈具，照明能力基本一致；

                    圖5 不同燈具在相同照度時(shí)的功率比較

    2）不同燈具在提供同樣平均照度時(shí)的功率密度值分析

匯總在幾種照度下的燈具功率密度數(shù)據(jù)如下：

                              表6     幾種照度下的燈具功率密度值數(shù)據(jù)

從表6中可以看出，不同的LED燈具，照明能力基本一致。同時(shí)在調(diào)光至次干道要求的照明標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，功率密度值滿足節(jié)能燈具的需求。

                        圖6 不同燈具在相同照度時(shí)的功率密度值比較

    3）不同燈具節(jié)能率分析

    注：通過(guò)LED燈具替換得到的節(jié)能稱為替換節(jié)電率或者一次節(jié)能率；在經(jīng)過(guò)燈具調(diào)光后，進(jìn)一步獲得調(diào)光節(jié)電率，兩者整合獲得的節(jié)電率稱為綜合節(jié)電率

  從圖表中可以看出：

    a、如果采用LED燈具，當(dāng)只需要提供傳統(tǒng)高壓鈉燈同樣的平均照度時(shí)，三種LED燈具的平均功率僅需要95.5W，LED燈具替換的節(jié)電率可達(dá)64.9%，功率密度值約為0.49(W/m²)，三種類型的LED燈具的誤差小于1%。

                  圖7  LED燈具調(diào)光至原高壓鈉燈照度（23Lx）時(shí)的節(jié)電率

     b、如果進(jìn)一步調(diào)光，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（CJJ45）中定義的次干道照度為15Lx時(shí)：

    采用的LED燈具，調(diào)光至15Lx時(shí)，僅需要59.83W的功耗，節(jié)電率可達(dá)78.0%；（獲得該節(jié)能量時(shí)，需要更換LED燈具和提供單燈節(jié)能調(diào)光器），功率密度值約為0.31(W/m²)。

    采用原來(lái)的鈉燈，通過(guò)單燈節(jié)能調(diào)光器，調(diào)光至15Lx時(shí)，需要178W的功耗，節(jié)電率可達(dá)35%，功率密度值約為0.92(W/m²)見(jiàn)圖8。

圖8  鈉燈調(diào)光后節(jié)電率

     4）燈具在調(diào)光變功率運(yùn)行時(shí)的電量分析

 通過(guò)調(diào)光，把該次干路的道路照度全部調(diào)到約15Lx，測(cè)試一個(gè)回路的用電量與路燈調(diào)光之間的關(guān)系：

          表7              經(jīng)調(diào)光前后用電量與節(jié)電率比較表

注：表中用電量為一個(gè)晚上（時(shí)長(zhǎng)13.75小時(shí)）一個(gè)回路的能耗量。

測(cè)量顯示:

    a）通過(guò)調(diào)光，可實(shí)現(xiàn)按需照明，滿足不同照度標(biāo)準(zhǔn)的照明。

    b）鈉燈可直接通過(guò)節(jié)能控制器實(shí)現(xiàn)調(diào)光，但隨著節(jié)能率的提高，功率因數(shù)下降，因此不建議實(shí)現(xiàn)超過(guò)50%的節(jié)能要求；

    c）LED燈的調(diào)光能力較強(qiáng)，可方便實(shí)現(xiàn)全范圍的調(diào)光，但是，同樣會(huì)隨著節(jié)能率的提高，功率因數(shù)下降，在本次提供的樣品中，COB型的LED燈，在調(diào)光值低于40%時(shí)功率因數(shù)下降明顯。

    d）在實(shí)際照明應(yīng)用中，應(yīng)采用所有燈具整體調(diào)光的方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，為照明區(qū)域提供滿足需求的照明服務(wù)。

     四、結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)高壓鈉燈、整燈式LED、模塊式LED和COB式LED燈具的綜合比對(duì)測(cè)試；同時(shí)通過(guò)調(diào)光，來(lái)比較不同燈具在提供相同照度能力時(shí)的功耗，由此計(jì)算節(jié)能率。

通過(guò)上面的測(cè)試和分析，可以得到如下結(jié)論：

    1、由于采用寬動(dòng)態(tài)電壓輸入驅(qū)動(dòng)電源，LED路燈線路的壓降不再影響LED路燈的照明能力。因此，傳統(tǒng)路燈控制箱中的節(jié)能控制模塊，在LED路燈時(shí)代將失去意義；

     2、LED路燈在替換之前，對(duì)于初始功耗的選擇非常重要，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮今后燈具在應(yīng)用中的衰減，提供一定的冗余量，同時(shí)為異常氣候下提供較高照度服務(wù)提供可能性，而在日常應(yīng)用中，應(yīng)通過(guò)二次調(diào)光功能，實(shí)現(xiàn)按需照明；

    3、測(cè)試顯示，對(duì)于本次選擇的不同類型LED路燈產(chǎn)品，其能力基本一致，差異性不大；

    4、對(duì)于本次測(cè)試的次干路段，已使用近5年的高壓鈉燈，還能對(duì)路面提供23Lx的平均照度，足見(jiàn)該路段的節(jié)能潛力是很大的。

    1）如采用LED燈具，同樣提供23Lx的平均照度，僅需要95W的LED燈具，節(jié)電率可達(dá)65%，功率密度約為0.49(W/m²)；在實(shí)際使用中，如考慮30%的衰減率，應(yīng)考慮初始140W的LED燈具，安裝燈具的一次節(jié)電率就達(dá)為50%。再通過(guò)二次調(diào)光，能夠進(jìn)一步節(jié)能，

    2）對(duì)于一個(gè)城市或地區(qū)而言，不可能用太多品種的燈具，需要設(shè)定幾個(gè)檔位的燈具功率，例如60W、100W、140W、180W等，而在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)亮燈初始調(diào)光的方式，使得路燈運(yùn)行即進(jìn)入合適的功率狀態(tài)，達(dá)到精準(zhǔn)按需服務(wù)的目的。

    3）如果按照《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于次干路提供15Lx的平均照度，僅需要60W的LED燈具，節(jié)電率可高達(dá)78%；功率密度值約為0.31(W/m²)。在實(shí)際使用中，如果考慮30%的衰減率，LED燈具初始功率取80W，安裝燈具的一次節(jié)電率約達(dá)到67%；

    4）對(duì)于使用壽命初中期的鈉燈，如果不更換燈具而直接采用鈉燈調(diào)光節(jié)能控制器，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，對(duì)次干路提供15lx的平均照度；這時(shí)250W的鈉燈（實(shí)測(cè)功率272W）將調(diào)至178W，節(jié)電率為35%。無(wú)需進(jìn)行燈具的投資，節(jié)能改造費(fèi)用較低。

                  圖9  被則道路鈉燈與LED燈具替換建議方案

 本次測(cè)試，進(jìn)一步證明了LED路燈在城市照明工程應(yīng)用中的節(jié)能效果明顯，應(yīng)用前景寬廣。在嚴(yán)密科學(xué)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，選用達(dá)到照明標(biāo)準(zhǔn)并節(jié)能明顯的LED燈具，將是路燈管理、設(shè)計(jì)、施工部門(mén)共同努力的結(jié)果。