LED道路照明应用测试分析

摘  要 结合当前路灯的应用标准和技术，通过对几类主流LED路灯应用实测、调光测试获得有效数据的比对分析，验证了LED路灯在道路照明领域内节能减排的明显效果，为LED路灯的应用推广提供了依据。

关键词 LED路灯 节能减排 功率密度值 调光控制 节能率 

    一、引言

节能减排已成为国策，作为照明能耗大户的城市道路照明，住建部给出了明确的节能目标。自国家推动LED照明产业发展以来，经过多年的努力，LED路灯制造和应用已经走向成熟。国家、行业和地方也适时地推出了相关的标准，以期帮助各地路灯建设和管理部门，有序推进LED路灯的应用。

作为国际大都市的上海，道路照明的可靠服务显得尤为重要。跟踪LED路灯的技术进步，通过多次LED路灯的试点应用，采集了大量的第一手资料。本文尝试用数据来说明，LED路灯应用的明显节能效果以及应用中应该注意的问题。

以三类当前市场上的主流品牌LED路灯--整灯式LED灯具（A类灯）、模块式LED灯具（B类灯）、COB（C类灯）式LED灯具各30盏作为测试对象。选择了一条已安装高压钠灯5年左右的城市次干道，该道路的机动车道侧灯具高度7米，非机动车道侧灯高5.5m，平均灯间距约28米，路宽约19米。测试时把道路分成4个区域，分别对应三类LED灯具以及保留的原250W高压钠灯。测试涉及到2个路灯节能控制箱，因此在本测试中，同步测试原来的路灯节能控制箱的节能能力。

在选定测试现场后，通知三类LED灯具厂家根据需求自主选择灯具。同时为了测试灯具的综合能力，要求所有的灯具应具备调光功能。我们还同步安装了第三方的单灯节能控制器，用于测试时的主动调节。

    二、测试内容和方法

    （一）测试内容如下 ：

1、路灯控制箱在非节能态运行下，原高压钠灯的运行数据测量；

2、路灯控制箱在节能态运行下，原高压钠灯的运行数据测量；

3、各类LED路灯稳定运行后的现场运行数据测量；

4、被测对象（4类灯）设定调光目标后，稳定运行后的现场运行数据的测量；

5、以控制箱回路为单位的路灯整体运行数据的测量；

测试数据包括灯具的用电参数（电压、 电流、有功功率、功率因数）以及灯具在设定条件下稳定运行后的照度数据（参照《照明测量方法》GB/T5700-2008）。

应该说明的是，路灯的照明效果是用亮度标准来衡量的，但是，本测试仅仅从节能的角度进行各类LED灯具的分析比对，测量灯具的光能输出是主要的，所以采集灯具对地面提供的照度做实验是合理可行的。

     （二）测试方法

1、对所选的照度测量区域灯具所在的出线回路进行设定时间的用电测量，要求路灯处在稳定运行状态。

2、采用四点法把灯与灯之间划分为10等分网格，在网格节点上测试照度。

（三） 计算方法

 1、 灯具对应替换前、后的节电率计算公式 ：

η＝(W_前- W_后)/ W_前 ×100%

式中：W--实测的灯具输入功率（瓦）, η--节电率 %

 2、 区域平均照度的计算公式 ：
          ( i= 1、2 、 3 ... ... n )

式中：E--平均照度（单位:lx）,  E_i--测点照度（单位：lx）

 3、 区域照明功率密度值LPD的计算公式 ：

区域照明功率密度值LPD（W/m²)＝灯具输入总功率／测定照明面积

        三、测试与分析

  （一）路灯控制箱降压节能模块对路灯的节能作用

连续测试2天，第一天启动控制箱节能模块，第二天关闭节能模块，（晚上的开灯时段为13.73小时），读取4组灯具的每晚用电量（度）如表1：

表1                         四组灯具的每晚用电量（度）

 数据显示，当路灯控制箱输出电压下降时，钠灯随着电压的下降，功率有所下降，而LED灯依然处在全亮状态，这与提供的LED灯的指标一致，即：LED的驱动电源是一种宽动态电压输入的驱动器，电压的波动不会引起输出功率的变化。

测试显示：

   1、路灯节能控制箱，按当前的节能配置方式，对于传统的高压钠灯，节电率在11.4%左右；

    2、LED路灯对线路输入电压不敏感，在一定的电压范围内，LED路灯始终处在稳定的功率运行模式。因为对于LED路灯的调光来自于调光接口的输入数据，而不是调节输入电压。

 （二）供电线路端电压对灯功率的影响：

  测试1号箱#1供电回路上的高压钠灯端电压发现：编号101的灯电压227V，功率为302W，而编号115的灯电压为221V，功率为273W，而对于#2供电回路的LED灯具，功率并没有随电压的变化而变化，因此：

        1、对于钠灯供电出线回路，近端的路灯较亮，而线路末端的路灯较暗，为了电缆末端路灯的正常运行，一般会适当提高供电电压而超过220V。因此，靠近控制箱的高压钠灯往往因为输入电压过高，而会处于过亮状态。

        2、对于LED路灯，由于LED的运行功率与输入电压无关，因此，不同位置的路灯将处在同样运行功率状态下，与线路损耗无关。

  （三） 不同灯具的实测功率

对原来三段高压钠灯进行了15杆30盏LED路灯替换后，随机抽取机动车道各类路灯，进行实地电参数的测试（见表2）。

       表2               实地电参数的测试数据

         表3                 测试三种LED灯具参数表

   （四）不同灯具全功率运行时照度测试及结果（见表4）

      表4          不同灯具全功率运行时照度测试数据

数据显示，三种LED灯具，初始功率不同，地面提供的照度也不同。

1、对于城市次干路 选用的LED初始功率偏大，照度超标；

2、对于A类（整灯）LED灯，配置功率偏大；

    3、从功率密度值的角度看，本条次干道，替换前的照明功率密度值达到1.39，已经超标。替换后，三种LED路灯的照明功率密度值达到0.85~0.97，对于小于四车道的城市次干道，也未能完全满足道路照明的节能评价指标（参见《城市道路照明设计标准》CJJ45-2015的表7.1.2）。由此可见，本实验的LED路灯初始功率的选择，尚未能满足节能照明指标。

4、导致LED灯具未能满足节能灯具要求的最大问题在于灯具的初始功率偏大。

为了进一步测试灯具的照明功能，利用单灯节能控制器，测试不同灯具通过调光后，的功率与照度的关系。以此来比较不同灯具的照明能力。

      5、调光变功率运行下路面照度测试及结果

各类LED灯具和高压钠灯的调光测试数据见下图所示：
   

  图1 钠灯调光测试数据                图2  LED（整灯）调光测试数据

    图3  LED（模块）调光测试数据            图4  LED（COB）调光测试数据

    1）不同灯具在提供同样平均照度时的功率分析

汇总在几种照度下的灯具功率数据如下：

                                表5       几种照度下的灯具功率数据

从表5中可以看出不同的LED灯具，照明能力基本一致；

                    图5 不同灯具在相同照度时的功率比较

    2）不同灯具在提供同样平均照度时的功率密度值分析

汇总在几种照度下的灯具功率密度数据如下：

                              表6     几种照度下的灯具功率密度值数据

从表6中可以看出，不同的LED灯具，照明能力基本一致。同时在调光至次干道要求的照明标准时，功率密度值满足节能灯具的需求。

                        图6 不同灯具在相同照度时的功率密度值比较

    3）不同灯具节能率分析

    注：通过LED灯具替换得到的节能称为替换节电率或者一次节能率；在经过灯具调光后，进一步获得调光节电率，两者整合获得的节电率称为综合节电率

  从图表中可以看出：

    a、如果采用LED灯具，当只需要提供传统高压钠灯同样的平均照度时，三种LED灯具的平均功率仅需要95.5W，LED灯具替换的节电率可达64.9%，功率密度值约为0.49(W/m²)，三种类型的LED灯具的误差小于1%。

                  图7  LED灯具调光至原高压钠灯照度（23Lx）时的节电率

     b、如果进一步调光，按照国家标准（CJJ45）中定义的次干道照度为15Lx时：

    采用的LED灯具，调光至15Lx时，仅需要59.83W的功耗，节电率可达78.0%；（获得该节能量时，需要更换LED灯具和提供单灯节能调光器），功率密度值约为0.31(W/m²)。

    采用原来的钠灯，通过单灯节能调光器，调光至15Lx时，需要178W的功耗，节电率可达35%，功率密度值约为0.92(W/m²)见图8。

图8  钠灯调光后节电率

     4）灯具在调光变功率运行时的电量分析

 通过调光，把该次干路的道路照度全部调到约15Lx，测试一个回路的用电量与路灯调光之间的关系：

          表7              经调光前后用电量与节电率比较表

注：表中用电量为一个晚上（时长13.75小时）一个回路的能耗量。

测量显示:

    a）通过调光，可实现按需照明，满足不同照度标准的照明。

    b）钠灯可直接通过节能控制器实现调光，但随着节能率的提高，功率因数下降，因此不建议实现超过50%的节能要求；

    c）LED灯的调光能力较强，可方便实现全范围的调光，但是，同样会随着节能率的提高，功率因数下降，在本次提供的样品中，COB型的LED灯，在调光值低于40%时功率因数下降明显。

    d）在实际照明应用中，应采用所有灯具整体调光的方式，实现节能，为照明区域提供满足需求的照明服务。

     四、结论和建议

通过对高压钠灯、整灯式LED、模块式LED和COB式LED灯具的综合比对测试；同时通过调光，来比较不同灯具在提供相同照度能力时的功耗，由此计算节能率。

通过上面的测试和分析，可以得到如下结论：

    1、由于采用宽动态电压输入驱动电源，LED路灯线路的压降不再影响LED路灯的照明能力。因此，传统路灯控制箱中的节能控制模块，在LED路灯时代将失去意义；

     2、LED路灯在替换之前，对于初始功耗的选择非常重要，在设计时，应充分考虑今后灯具在应用中的衰减，提供一定的冗余量，同时为异常气候下提供较高照度服务提供可能性，而在日常应用中，应通过二次调光功能，实现按需照明；

    3、测试显示，对于本次选择的不同类型LED路灯产品，其能力基本一致，差异性不大；

    4、对于本次测试的次干路段，已使用近5年的高压钠灯，还能对路面提供23Lx的平均照度，足见该路段的节能潜力是很大的。

    1）如采用LED灯具，同样提供23Lx的平均照度，仅需要95W的LED灯具，节电率可达65%，功率密度约为0.49(W/m²)；在实际使用中，如考虑30%的衰减率，应考虑初始140W的LED灯具，安装灯具的一次节电率就达为50%。再通过二次调光，能够进一步节能，

    2）对于一个城市或地区而言，不可能用太多品种的灯具，需要设定几个档位的灯具功率，例如60W、100W、140W、180W等，而在实际应用中，可以通过亮灯初始调光的方式，使得路灯运行即进入合适的功率状态，达到精准按需服务的目的。

    3）如果按照《城市道路照明设计标准》对于次干路提供15Lx的平均照度，仅需要60W的LED灯具，节电率可高达78%；功率密度值约为0.31(W/m²)。在实际使用中，如果考虑30%的衰减率，LED灯具初始功率取80W，安装灯具的一次节电率约达到67%；

    4）对于使用寿命初中期的钠灯，如果不更换灯具而直接采用钠灯调光节能控制器，实现节能运行，对次干路提供15lx的平均照度；这时250W的钠灯（实测功率272W）将调至178W，节电率为35%。无需进行灯具的投资，节能改造费用较低。

                  图9  被则道路钠灯与LED灯具替换建议方案

 本次测试，进一步证明了LED路灯在城市照明工程应用中的节能效果明显，应用前景宽广。在严密科学的设计基础上，选用达到照明标准并节能明显的LED灯具，将是路灯管理、设计、施工部门共同努力的结果。