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LED灯具在道路照明上的节能应用

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：闫玲

[导读] 摘要：LED因其本身具有节能环保、寿命长等特点，已被广泛应用于各类照明灯具中。

        木林森股份有限公司 528400
        摘要：LED因其本身具有节能环保、寿命长等特点，已被广泛应用于各类照明灯具中。对于道路照明而言，如何提高照明效率，提升节能效益，是现阶段设计人员关注的重点。本文首先对LED道路照明的发展现状进行了介绍；结合现行国家标准和节能规范，从技术方面剖析了LED灯具如何更好的应用于道路照明，以及在使用过程中的注意事项。
        关键词：LED灯具；道路照明；节能应用
        随着现代社会的快速发展及能源的持续消耗，可再生资源的减少已成为一个世界性的问题，致使绿色节能环保成为了全球人民的共同目标。发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）灯具有绿色环保、功率低、稳定性强，耗电量少、寿命长、便于维护等特点，已被广泛应用于各类照明灯具中。所以，LED灯具已经成为道路照明设计当中的最优选择，逐渐替代传统光源，具有广阔的发展前景。
        1 LED 灯具在道路照明系统中的应用现状
        从使用效果来看，早期安装LED路灯的道路照度明显偏低，灯具品质普遍不高。主要原因在于早期LED 技术水平不高，部分企业为了追求节能效果，片面夸大LED的节能效果，在实际工程中以牺牲照度来换取节能，且部分工程因对LED的使用规范及标准不熟悉，导致采购的LED灯具品质不高或寿命不长。
        由此，出现了一系列问题，如花大价钱买来的LED路灯却比高压钠灯暗；宣传LED灯具长寿命低维护成本，但驱动电源故障率较高，且维修成本较高；LED 产品缺乏统一的标准，各元器件交互性差，无法在现场进行快速更换维修等，因而无法充分发挥出LED灯具的节能价值。
        2 LED灯具在道路照明系统中的节能应用
        2.1 LED灯珠可任意组合，按需配置实现功率需求
        现行设计标准将照明功率密度（LPD）作为照明节能的评价指标。
        传统的高压钠灯产品规格固定为1000w、400w、250w、150w、100w、70w 等，在设备选择上没有LED 灯具灵活。例如：以一条双向6 车道道路为例，道路单侧宽12 m，设计杆高12 m，杆距36 m，对应的面积为12*36=432（m2）。道路照度要求20LX，LPD功率密度为0.7（W/m2），计算功率为432*0.7=302w。由于高压钠灯没有300w 规格，若采用200+100或150+150等双光源，不仅光效大幅下降，且不便维护。多数设计均选用400w 钠灯进行高配，但是会存在过度消耗的能源、也造成道路照度偏高的弊端。
        LED灯具是由一定数量的LED灯珠组成，单颗功率为1 或1.2W 左右，可根据要求进行任意组合，可实现25%的节能。
        2.2 使用效率高，实现高光效
        传统高压钠灯其光效一般为93lm/w和103lm/w，灯具效率75%，整灯光效为70lm/w和77lm/w。
        而小功率LED灯具由于散热要求低，灯具效率可达90%以上，所以整灯光效可达到90lm/w以上。相对传统高压钠灯，可实现15%以上的节能。
        2.3 散热设计
        LED 的散热效果会对其光衰减，使用寿命产生影响。实际上其散热指的是降低芯片的工作温度。进行灯具的选型时，要考虑具有合适的散热措施的LED产品。灯壳的设计，要基于空气流体力学的原理，产生对流空气，把光源内部产生的热量传送到外部空气当中。LED光源内部要利用高导热陶瓷材料，方面散热、导热，减少中间热传导环节。目前市面上LED 的散热结构有两种：
        2.3.1 被动式散热
        被动式散热就是借助灯具本身的外表层与空气自然的接触将LED产生的热量散发出去。这种散热形式设计简单，并且很容易的与灯具的机械构造设计融合在一起，这极易达到灯具的防护级别标准，并且资金投入量少，所以是当前运用最广的一种散热形式。但是此种散热形式存在的缺陷，就是散热功效不佳，并且设计出的灯具由于有很多的散热片而致使灯具过重。同时因为存有散热片，使灯具外层很容易积灰，会减少灯具的维护系数，增加灯具的维护难度。为了能正确区分这种散热形式的散热功效，我们要选定一些使用这种散热方式的LED道路照明灯具，将每一件样品放置于同样的密闭房间里（保证空气的对流系数相同）燃点3h（确保灯具已达到热平衡）后，测量其结温，为去除室温变动的作用，我们在剖析时使用相对温度，即通过区别稳定性及室温来比较散热功效。
        2.3.2 主动式散热
        主动式散热手段包含水冷、风扇等，它通过加快散热器表层的空气流通速率，以便于带来散热片上的热量，进一步让散热速度加快，以防止LED芯片的PN温度升高，影响使用寿命。针对LED道路照明灯具，为提升道路照明灯具的使用标准及防护级别，通常要散热风扇作为对流的手段。
        2.4 基于浦肯野（purkinje）现象的照明技术
        浦肯野现象（purkinje phenomenon），亦称浦肯野效应，是由捷克学者浦肯野首先于1825 年发现的。是指在不同的适应状态下，对有色光的视觉灵敏度不同的现象。在明适应时对红色和橙色看起来较亮，而在暗适应时则对蓝色光看起来较亮。
        从图1绘制的光谱亮度曲线看到：明适应时的极值在波长560nm左右，而暗适应时其极值则推移到510nm，这是因为明适应时视锥细胞起作用，而随着逐渐暗适应，则变为视杆细胞起作用的缘故。具体来说，浦肯野现象就是当人们从锥体视觉向棒体视觉转变时，人眼对光谱的最大感受性将向短波方向移动，因而，出现了亮度不同的变化。
        如下图所示，实线表示明适应时的特性曲线，虚线表示暗适应时的特性曲线。相对于光的波长范围，在明适应时人的眼睛相对灵敏度在560nm附近达到最高值；在暗适应时，人眼的相对灵敏度在510nm附近达到最高值。夜间，安全防范灯处于点灯状态下，在明适应和暗适应中间的亮度最适应于人的眼睛。具有明适应时和暗适应时中间的特性，这一状态适应的特性是基于浦肯野现象的所谓[ 薄明视] 特性。

                   图1 光谱亮度曲线
        LED照明具有容易改变光谱分布的特性，因此在道路照明中得到了广泛的应用。最近正在开发的防范灯，其所采用的光源就具有综合了[薄明视]光谱视觉效率的光谱分布。这一照明，含有很多在[薄明视]高灵敏度下510nm附近的短波，光通量虽少、但感觉到亮度相同，更能实现节能。
        而且，在现代化技术下，LED智能照明系统可以根据学习、进餐、锻炼等不同的生活场合，人们喜好的颜色和亮度是变化的。一般，在学习时多数喜好明亮的白色光，睡眠时稍暗一点的光较好，用餐和锻炼时大多喜好明亮的黄色光。
        当使用蓝、红、緑三色（或更多颜色）的LED时，通过对各个LED输出的调整，可改变亮度和光的颜色。将人们的喜好和生活场合结合起来，目前，能简单改变亮度和光色的照明正走向实用化。LED照明不仅节能、使用寿命长，而且还能体现高品质和丰富多彩的照明特色。
        2.5 科学确定维护系数
        LED产业的高速发展以及照明市场的无序竞争迫切需要建立一套完整的产品标准规范。
        LED灯具缺少统一的技术标准，每个厂家按自己的标准生产产品，配件的交互性差。一旦出现损坏无法进行现场维修，同时配件的价格偏高，无法保证亮灯率。且LED 灯具经过一段时间的使用，会产生一定的光衰减，比在安装初期的作业面平均照度有所下降。
        所以，处于照度计算的过程当中，要选择合适的维护系数，力求其在有效的使用寿命周期当中，可以满足相应的照度要求。一般，维护系数取0.7，然而相较于特殊的环境，比如粉尘或是污染环境，维护系数可选取0.6。
        3 结语
        LED道路灯具的广泛用途已越来越受到各个灯具生产企业的重视。灯具生产企业应该正视目前存在的问题，积极寻找解决的方法，在关键技术问题上有所突破，生产出真正符合道路照明要求的高品质产品，并以节能环保为核心对LED灯具加强应用管理，力求实现产品利润和产品质量方面的双赢。
        参考文献：
        [1]杨栋.LED光源在道路照明设计过程中应用的优缺点[J].科学技术创新，2020（13）：115-116.
        [2]室内照明用LED产品、道路和隧道照明用LED灯具的能源效率标识即将实施[J].照明工程学报，2020，31（01）：58.
        [3]刘富河.LED光源在城市道路中的应用和未来发展[J].中国新技术新产品，2018（01）：82-83.