「摘要」CosmoPolis系统是欧洲近三年推出且得到大量应用的革命性的道路照明系统。 CosmoPolis系统包括光源、电子镇流器和专为该光源设计的灯具。本文首先对高压钠灯的发展、原理及其局限性进行了讨论；然后重点介绍了一种新型光源CosmoPolis，讨论用CosmoPolis取代高压钠灯的可能性及存在问题；最后还与其他一些新光源进行了技术参数的对比。
关键词 道路照明 CosmoPolis系统 测试分析
一、前言
道路照明系统的主要功能是保证交通安全、提高交通运输效率、保障人身安全、提供舒适环境和提升都市形象；道路照明节能是在保证上述系统功能的前提下改进和提高系统的能效，其主要措施包括：安装高效的照明系统、提高维护系数和采用适当的调光方法等三种途径。其中后两种方法均是在传统路灯基础上所作的一些改进，有一定的节能作用，但其应用均有各自的局限性，比如靠清洁系统提高维护系数的节能效果不明显，调光节能只适用于部分时限性很强的道路。随着新的道路照明系统效率的提高，安装高效照明系统是改进道路照明节能工作的重要方法。
住房和城乡建设部根据国家的“十二五”规划颁发了建办城[2006]48号文——“十二五”绿色照明工程实施纲要,纲要中明确提出了要全面推进城市绿色照明工程，要以科学发展观统领全局，认真贯彻落实节约资源和保护环境的要求，认真贯彻落实我国“十二五”规划纲要明确的任务和要求。坚持以人为本，坚持节能优先，以高效、节电、环保、安全为核心，以健全法规标准、强化政策导向、优化产业结构、加快技术进步为重点，以依法管理为保障，解放思想，创新机制，健全法规，完善政策，强化管理，加强宣传，努力构建绿色、健康、人文的城市照明环境，切实提高城市照明发展质量和综合效益。并明确提出了以2015年底为基数，到“十二五”期末，年城市照明节电目标15%的硬性指标。
在此大环境下，我们有必要对目前道路主流光源----高压钠灯的未来发展及其取代产品进行一些探讨，以找出一条适应目前节能、绿色、健康、人文的发展环境的照明发展道路。
本文首先对高压钠灯的发展、原理及其局限性进行了讨论；然后重点介绍了一种新型光源CosmoPolis，讨论用CosmoPolis取代高压钠灯的可能性及存在问题；最后还与其他一些新光源进行了技术参数的对比。
二、目前道路照明的主流光源----高压钠灯的发展、原理及局限性
1.高压钠灯发展历程：高压钠灯是1956美国通用电气公司开始研制，1966年正式推向市场。作为一种高强度气体放电灯，由于它的光效高、寿命长， 受到人们的广泛欢迎， 已成为目前使用最广泛的室外照明光源之一。我国早在七十年代后期，就开始了高压钠灯的研制工作，依靠国产材料和国内技术，研制成高压钠灯，并成功地用于室外照明。在八十年代中期，又从国外引进了高压钠灯生产设备和工艺，使高压钠灯的质量、生产水平和规模都有了更大的进步和提高，达到了八十年代的国际水平。
2.高压钠灯工作原理：在抽真空的外壳内，安装一根多晶氧化铝电弧管，当灯泡启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电在向阳极运动过程中，撞击放电物质有原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态；或由电离态变为激发态，再回到基戊无限循环，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。高压钠灯成为主流光源的几个特点：1. 高光效，每瓦流明达到120以上；2.长寿命，理论寿命达到24000小时，实际运行寿命达到8000小时；3.价格低，灯泡、镇流器、电容器、触发器等整套光源电器，其价格大约在220元到280元左右；4.色温低，显色性差，高压钠灯色温在2000K左右，显色性指数在20左右，在灯光下可识别物体，但无法正确识别物体颜色，视觉效果比较差。
3.高压钠灯的局限性。
经过近五十年的应用及开发，高压钠灯目前已经处于发展的瓶颈。由于高压钠灯本身发光原理的缺陷，高压钠灯的光效已经达到极限。150W高压钠灯达到120LM/W，400W高压钠灯达到 130LM/W。
两年前开发出来的超高压钠灯，在400W等级上，与原有的高压钠灯已经没有明显改进（两年前设计所对超高压钠灯进行了对比测试，分别在150W、250W、400W三个等级上进行，测试结果表明：在150W等级上超高压钠灯有约12%的提高，在250W等级上有约5%的提高，在400W等级上没有明显提高），高压钠灯从光效上已经没有太多的进步空间。
目前世界上对高压钠灯的研究方向，已经从提高光效转移到提高钠灯的显色性指数上来，但由于高显色性钠灯的发光原理决定了高压钠灯的显色性与光效、寿命存在着对立矛盾，因此目前的高显色性高压钠灯的光效仅有普通高压钠灯的80%，寿命只有普通高压钠灯的40%，同时，由于高显色性高压钠灯的颜色与镇流器输出电压密切关联，为保证高显色性高压钠灯颜色的稳定和一致，要求在市电网中工作的理想镇流器，应有恒定的输出电源，即同一规格的不同镇流器， 应有相同的输出电流，且在电网电压变化时，输出电流不变。但是对于实际镇流器，不同镇流器的输出电流会略有差别，因此电网电压波动时，输出电流随之改变，而这些变化，又与灯相互影响，导致了灯显色性的明显变化。
因此，我认为高压钠灯经过二十几年的高速发展，目前已经发展到极至，虽然从理论上有进一步提高的可能性，但是发展前景不容乐观。目前，世界上各主要光源、照明公司都在从各方面寻求突破，包括无极灯、LED等新发展出来的技术层出不穷。在此，我要介绍一种与无极灯、LED不同的新光源：CosmoPolis系统，作为光源发展上的一点考虑。
三、新型光源CosmoPolis
什么是CosmoPolis？CosmoPolis系统是欧洲近三年推出且得到大量应用的革命性的道路照明系统。CosmoPolis系统包括光源、电子镇流器和专为该光源设计的灯具，综合了高压钠灯和金卤灯的制造技术，兼具两种光源的优点而避免了各自的缺点，具有寿命长、光色好、显色性高、光效高和照明道路亮度均匀的特点。
多重保护电子镇流器,防尘、潮湿和抗震动
1.高光效
1）CosmoPolis光效很高，与高压钠灯基本持平。
高压钠灯与Cosmopolis光源光通量对比表
|
光源 |
功率(W) |
光通量（lm） |
流明/瓦 |
|
高压钠灯 |
150 |
14500 |
97 |
|
250 |
26500 |
106 |
|
|
400 |
48000 |
120 |
|
|
Cosmopolis |
60 |
6900 |
115 |
|
140 |
16500 |
118 |
注：高压钠灯功率越高，光效越高， 400W高压钠灯最高的光通量可以达到56000lm，即每瓦流明可以达到140，此处仅以标准通高压钠灯的光通量数值进行比较。
2）灯具效率高。CosmoPolis光源系统放电管管径/长度比例(A.R.)与高压钠灯和金属卤化物等相比，最为完美，配光最佳，灯具效率达到创记录的88%。
如下图所示
2.长寿命
1）CosmoPolis系统光源寿命长，接近高压钠灯的寿命。以下是CosmoPolis系统光源与高压钠灯理论寿命的对比表：
高压钠灯 CosmoPolis系统使用寿命对比表
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|
电压（v） |
理论寿命（h） |
经济寿命（h） |
备注 |
|
高压钠灯 |
230 |
24000 |
8000 |
经济寿命经过多年运行检验 |
|
CosmoPolis |
230 |
20000 |
12000 |
新型光源、寿命有待时间考验 |
说明：高压钠灯的寿命与生产工艺有关，最好的高压钠灯的理论使用寿命达到32000小时，比 普通的高压钠灯约高50%，但是由于没有明确的测试，我们还不能拿出最好的高压钠灯的实际使用寿命的一个比较准确的统计。
2）CosmoPolis系统电器寿命长。
CosmoPolis系统电器技术参数表
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功率（w） |
消耗功率（w） |
电压（v） |
频率（Hz） |
经济寿命（h） |
环境温度（oc） |
功率 因数 |
|
CosmoPolis 60W |
65 |
5 |
230 |
50 |
60000 |
30-50 |
0.98 |
|
CosmoPolis 140W |
151 |
11 |
230 |
50 |
60000 |
30-50 |
0.98 |
说明：高压钠灯配套电器的寿命，经路灯中心多年的实际运行经验，比较好的高压钠灯配套电器使用寿命超过5年，部分高压钠灯配套电器寿命在2年左右。
3.价格，CosmoPolis系统价格相对高压钠灯而言还比较高。
1）高压钠灯光源电器及灯具的整体价格
钠钠灯泡：150W79.80/只;250W83.40/只;400W90.60/只.
钠灯镇流器150W90.00/个;250W96.40/个;400W108.50/个.
触发器28.00/个.
电容器10uf? 18.00/个;25uf? 24.00/个;50uf? 48.00/个
高压钠灯灯具：philips SGP268 灯具价格为1740元。
高压钠灯系统价格合计为 2000元左右，此价格为实际市场价格。
CosmoPolis系统价格：CosmoPolis系统包括灯具、镇流器、光源三部分，没有高压钠灯常用的触发器、电容器。philips公司提供的整套系统报价为5000元，此价格为初步报价，按照以往经验，其价格应该有一定幅度的降低。
此外，由于CosmoPolis系统节能方面的优势，从长远看，高压钠灯与CosmoPolis系统的价格差距并没有数据所体现的一倍之多。
具体请详细看后面的经济性分析。
4. CosmoPolis系统 2800k色温，显色性指数60-70。
1）CosmoPolis系统与高压钠灯色温、显色性指数对比
CosmoPolis系统与高压钠灯色温、显色性指数对比表
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|
色温(k) |
显色性指数（Ra） |
效果 |
|
高压钠灯 |
2000 |
20 |
金黄色光、视觉舒适性差、显色性差 |
|
CosmoPolis 60W |
2800 |
65-70 |
暖白色光、视觉舒适性好、显色性好 |
|
CosmoPolis 140W |
2800 |
60-70 |
暖白色光、视觉舒适性好、显色性好 |
高压钠灯照明效果
CosmoPolis 照明效果
2）显色性好的白色光源对视觉的影响：
人的眼睛在不同光照条件下，光线经过晶状体聚焦到视网膜上视网膜的两种细胞：杆状细胞-光度敏感器和锥状细胞-色度敏感器。在正常视觉条件下(明视觉，有效亮度>3.5 cd/m2 ) 杆状细胞产生对物体的感知，锥状细胞区别颜色。低亮度条件下(暗视觉，有效亮度<0.035 cd/m2 )锥状细胞不发生作用,不能分辨颜色杆状细胞起作用,使物体有一定的能见度。过渡状态下即中介(间)视觉条件下，有部分锥状和杆状细胞工作，此时蓝绿光较红光更为明亮。
Ⅰ、明视觉状态下,人眼对波长为555nm的黄绿光最敏感。
Ⅱ、暗视觉环境下,人眼对波长为507nm的蓝绿光最敏感。
Ⅲ、道路照明属于中间视觉,两种视觉细胞同时工 作,对波长为507~555nm范围
的绿光最敏感。
Ⅳ、具体峰值波长取决于亮度值。
Ⅴ、如果照明光源光谱与敏感波长一致,则视觉效率最高.所以在道路照明亮度环境下,希望照明光源的光谱在480~580nm之间要丰富。
因此，中间视觉需要含蓝绿波长的白色光。并且，含蓝绿波长的白色光还能够带来如下好处：
Ⅰ、高显色性白光道路照明更能全面表现环境景观，人眼视觉在高显色性白光照明环境下最舒适,不容易疲劳，且分辨力最好(中间视觉)。
Ⅱ、由于提高视频监控设备灵敏度和准确性的条件是:响应频谱;亮度对比;颜色对比，因此白光照明环境更适合视频监控设备工作。
Ⅲ、白光照明环境更能营造气氛,促进地区商业旅游休闲经济的发展。
5、 尺寸小 分量轻
1）光源尺寸比高压钠灯小一半。
2）单一电子镇流器，尺寸和重量不到高压钠灯电感系统的一半。
3）反射器和灯具的设计更多选择，更好效率。
6、 CosmoPolis实际测量结果及分析
为验证理论数据，我们选取140WCosmoPolis，分别在6米、7米、8米和10米灯杆高度上对CosmoPolis系统进行了测量，目的有两个：一是要得到在10米时的灯具测量数据，可以在相同条件下，与先前我们测量的150W和250W高压钠灯进行对比，二是希望得到CosmoPolis系统的最佳安装高度。
以下是安装在10米和7米高度的CosmoPolis系统的测试结果及相应的分析：
1）在10米高度测量数据分析：
测量数据的基本计算结果：
CosmoPolis系统、高压钠灯测量结果
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|
光通量(lx) |
EMIN(lx) |
EMAX(lx) |
EAVE(lx) |
均匀度 |
备注 |
|
CosmoPolis系统 |
16500 |
4.7 |
52.7 |
16.5 |
0.28 |
40 m×16 m |
|
高压钠灯（150W） |
14500 |
2.5 |
39 |
11.7 |
0.21 |
40 m×16 m |
|
高压钠灯（250W） |
26500 |
6 |
58 |
24.6 |
0.23 |
40 m×16 m |
从表中可以看出，CosmoPolis系统比150W高压钠灯高光通量高14%，平均照度提高41%；CosmoPolis系统比250W高压钠灯高光通量低38%，平均照度仅低32%。且平均照度最高。
2）在7米高度测量数据分析：
CosmoPolis系统的最佳安装高度是7米（我中心灯杆标准中，在10米以下的灯杆仅有7米杆，但我们还是进行了测量，具体的对比不再列出，下面仅是7米灯杆的测量数据）。
测量数据的基本计算结果：
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路灯系统 |
安装高度（m） |
最小值（lx） |
最大值(lx) |
平均值(lx) |
均匀度 |
|
140WCosmopolis |
7 |
3.25 |
65 |
24.2 |
0.13 |
3）适用道路：从数据对比中可以看到，CosmoPolis系统安装在7米高度时：
a)路宽12米以下的城市支路（或以下）道路，可以采用单排布置灯具，路灯间距不大于30米，适当减小灯具仰角。
b)路宽在14-18米范围内的城市次干路（或以上）道路，可以采用双排布置灯具，路灯间距不大于32米。
均可以得到满意的效果
4）如果CosmoPolis系统增加灯具尺寸，也可以考虑安装在10米灯杆上。
5） CosmoPolis系统在一定条件下（一般是道路在16米以下时）可以代替250W高压钠灯。
7、 CosmoPolis系统应用的经济性分析
1）、道路照明成本构成
道路照明要达到其设计使用目的，其过程包括工程设计、安装调试和应用维护，其中产生的主要费用包括初始工程投资、运营维护和电费三大部分，其中在照明系统的使用寿命期产生的电费取决于燃点时间和功率，一般而言，电费是总成本的大头（图一）。
初始的工程投资主要包括：灯杆、灯具、电缆、控制、配电设备、安装等费用；运营维护费用包括：巡视费用、灯泡等配件采购及更换等费用。
在初始工程投资中，主材价格约占一半，而灯具的价格仅占所有主材价格的20%，即灯具价格仅为照明初始工程总投资的十分之一。在灯具十多年的使用寿命中，如果考虑维护费用和电费等总的使用成本，则灯具的初始投资成本仅占极小的部分。
2）、CosmoPolis系统道路照明成本分析
在道路照明中使用CosmoPolis与使用普通高压钠灯相比较，其成本差别在初始投资、维护费用和电费等三方面都有体现，如果不考虑电力增容等配套费用，其中初始投资和维护费用有一定的增加而电费有大幅度下降。下面具体就这两种系统的使用成本进行定量的比较。
方法：采用上海有代表性的实际工程预算的主材成本作为参照，比较一条10公里长的二车道支路分别采用CosmoPoilis 140W和高压钠灯250W的使用成本差别，分析工具是欧洲开发的道路照明成本比较专用软件（CO2计算器）。设定电费单价为1元/千瓦时。
由于两种产品的配光性能不同，在满足道路照明标准的前提下，两种产品的设计安装分别如下表所示（表二）：
表二、10公里长道路分别用CosmoPolis和250W高压钠灯照明的应用方案
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项目 |
CosmoPolis 140W系统 |
250W高压钠灯系统 |
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道路宽度 |
10米 |
10 米 |
|
安装方式 |
单侧侧装 |
单侧侧装 |
|
灯杆高度/价格 |
7米 / 1800元 |
10米 /2100元 |
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灯杆间距/数量 |
35米/286套 |
35米/286套 |
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系统功率 |
155W |
308W |
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供电电缆规格 /价格 |
4*35cm2 / 27元/米 |
4*50cm2 / 42元/米 |
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控制柜数量 |
6个 |
6个 |
|
光源维护更换 |
每年3%单灯更换，12000小时燃点后批量更换 |
每年3%单灯更换，12000小时燃点后批量更换 |
因为是比较两者的成本差别，故为了简化计算和便于理解，软件中将两个方案成本相同的部分都设置为0，如电缆铺设、灯具安装辅材、人工、控制柜等等；而只比较不同的成本部分，如灯具价格、不同规格电缆价格、不同高度灯杆价格、不同维护成本等。
经计算，10公里长支路使用140W ComoPolis与使用250W高压钠灯相比，初始投资多331,910元，15年的灯具寿命期内维护费用多484,980元，但电费少支出2,888,025元。即每年维护费用多32,332元，而电费节省192,535元。从环保角度看，少耗电2,888,025千瓦时，减少二氧化碳排放1213吨，相当于少伐树3,851立方米。而这仅仅是10公里的支路，仅仅是286套灯具，如果推而广之，在更大范围内应用，如1000公里道路30000套灯具就能节省达二亿多元，省电达3亿千瓦时。
四、 结论
CosmoPolis系统与高压钠灯相比
1.光效相当 ，
2.寿命接近
优势如下：
1.节能40%，长期运行维护成本低
2.暖白色光显色性好
3.灯具效率达到创记录的88%。
不足如下：
1.一次性投入高。
2.光源使用寿命需要时间的检验。高压钠灯是近20年的主流道路光源，取代应慎重。CosmoPolis系统，在一定范围内可以考虑取代高压钠灯。