LED道路照明灯具光度数据的现状分析

　　上海时代之光照明电器检测有限公司 王晔 陈超中 施晓红

　　LED道路照明灯具(以下简称LED路灯)是目前照明电器行业的一个热点，特别是近几年LED路灯产品数量增加了很多，检測数据也在发生变化，这些数据是评价LED路灯光度性能质量的基础。美国能源部(DOE)出版的SSL灯具符合能源之星的合格判据在评价LED路灯光度特性方面提供了参考。

　　在对相关色温、色空间均匀度、显色指数等给出合理判据之后，美国能源部于2008年8月对符合能源之星的A类灯(近期要求，B类灯为长期目标)提出了补充要求，其中对户外安装的道路灯具的最小光输出、环带流明密度、与IESNA灯具光分布分类相关的光束均匀度、灯具能效提出了标杆要求。

　　本文以DOE对A类LED路灯补充要求为依据，根据2007～2009年测量得到的100个LED路灯的测试结果，对我国LED路灯的光度数据现状和水平进行分析，为提高和改进我国的LED路灯的质量提供一些相关数据。

　　本文的分析涉及LED路灯的光度学性能，包括灯具的光输出、沿道路的纵向光分布、沿道路的横向光分布、C-90和C-270的配光对称性、光束均匀度和截光水平，同时还分析了灯具的能效。本文的分析未涉及LED路灯的色度性能和光输出维持率。

　　本次研究的灯具参数均为初始值(新灯)，未考虑寿命的影响。

　　本文的数据来自我们在2007年至2009年所测得的100盏LED机动车道用、杆高8m及以上的悬臂式道路照明路灯具的光度学数据，对这些数据进行统计总结，不涉及任何具体厂家的信息。这些LED路灯所涉及的功率范围是50W-200W左右，功率分布见图1，样品产地覆盖的地区及数量分布见图2。

　　从图1、图2可以看出，样本数据来自于我国的13个省市，功率从50～200W以及200W以上的产品，从样本产地和功率的覆盖情况来看，这些样本数据对于反映LED路灯的产业情况具有一定的代表性。

　　1 被测灯具的光输出

　　光输出也称光通量，研究LED的光通量是为了分析目前LED灯具光输出能力，并根据道路照明国家标准规定的照明标准值，对相关LED路灯光输出值所适用的道路条件进行预测。

　　1.1 检测数据的说明

　　城市中的机动车道路分为快速路或主干路、次干路和支干路。路灯发出的光通量是保证路面达到道路明标准要求的照度水平的基本条件。

　　根据国家标准对各类道路照明水平的要求，将LED路灯的光输出(单位1m)分为小于2300、2300~4000、4000~5000、5000~7500、7500~9000和大于9000等6个区段，检测结果给出的落在各个区段的LED路灯的数量及其统计见表1和图3，要说明的是光通量最小值23001m参考了DOE给出的LED路灯光通量的最小值。

　　(1) 最小值23001m：支路是次干路与居住区道路之间的连接道路，对于一个初始光通量23001m的LED路灯，可以计算其用于双车道支路而且要达到标准要求的支路照度81x时所适宜的灯间距。计算过程如下：

　　假设：路宽为3.5m2，维护系数为0.8，单侧布置，适宜的灯间距为D，则计算函数式为：

　　达到81x的路边被照面积和达到41x的屋边的被照面积=初始光通量维护系数

　　8D(3.5 +3.5)+4D(3.5 +3.5)=23000.8D≈22m.

　　未达到道路照明所需的光通量最小值的被测灯具数量有9个。

　　(2)2300~40001m：次干路是城市中与主干路结合组成路网、起集散交通作用的道路，其照度要求达到10lx.满足次干路二车道至三车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到2300~40001m.落在这个区段的被测灯具数量有20个。

　　4000～50001m：满足次干路四车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到4000~50001m.

　　落在这个区段的被测灯具数量有9个。

　　(3)5000~75001m：主干路是连接城市各主要分区的干路，采取机动车与非机动车分隔形式。机动车在主干路上的行驶速度比次干路快，照明水平比次干路高，其照度要求达到201x.满足主干路二车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到5000～75001m.落在这个区段的被测灯具数量有26个。

　　(4)7500～90001m：满足主干路三车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到5000~75001m.落在这个区段的被测灯具数量有11个。

　　(5)大于90001m：达到主干路四车道的照明水平，灯的初始光通量应达到90001m以上。以照度达到301x计，路灯单侧布置时，灯间距为12m[30D(23.5+23.5)+15D(5+5)=90000.8]，以双侧对称布置时，灯间距为24m.落在这个区段的灯具数量有25个。

　　数据显示，总光通量水平在提高。2007年大部分LED路灯的总光通量处于支路水平，而且20%的LED路灯的光输出小于23001m，不适用于机动车的道路照明。2008年以后，适用于次干路和主干路的灯比例逐渐提高，占到总数的92.2%.其中，达到主路光通量水平的LED路灯占到了66.7%。2009年，光输出水平又有明显提高，达到主干路四车道以上的光通量水平的路灯占有了最高比例，达到34.7%(见图3)。

　　1.2 与传统光源路灯比较

　　目前而言，LED路灯的光通量可以达到小功率高压钠灯路灯的水平，但达不到照明质量较好的大功率高压钠灯或金属卤化物灯的水平。

　　(1)100W高压钠灯路灯的光通量

　　从小功率高压钠灯路灯光度性能状况来看，灯具率一般处于65%～75%的水平，较好的可以达到75%～80%.以80001m光通量的100W高压钠灯为例，其路灯的光输出有5200~60001m，较好的可以达到6000~64001m.

　　(2)250W或400W高压钠灯路灯的光通量

　　250W(280001m)或400W(480001m)高压钠灯路灯的具效率一般在75%～85%之间，因此，250W高压钠灯路灯的光输出一般高于或等于210001m，400W高压钠灯路灯的光输出般高于或等于360001m.

　　(3)LED路灯的光通量水平

　　目前，LED路灯的光输出最高达到约10000lm.但是，由于LED光源的半空间发光直接照明路面的特，点，使得LED路灯的光通量输出可以与150W高强度气体放电灯灯具水平接过。高强度气体放电灯在整个空间发光，使用反射器可以将上半空间的光线反射到下半空间内，但反射器对光线的吸收作用，以及光线反射时受到光源自身的遮挡或反射器对光线二次反射的再吸收，损失了光源的一部分光线。

　　灯具效率是反映光源光线损失程度的参数。LED源在这方面具有优势，LED的发光只存在于半个空间，在不用灯具的情况下，也能将近100%的光线投射到路面。对灯具需要设计的是在较小的角度范围内改变光线的投射方向，在这个过程中，也有反射(如用反射器的话)或透射(如用透镜的话)的光损失，如处理得好光的损失可能比传统灯具小一点。目前，LED路灯的光通量最高达到约10000lm，在配光形状好的情况下，灯具的照明效率比较高，可以达到或接近高压钠灯路灯的照明效果。

　　2 被测灯具的光分布情况

　　按IES对灯具光度分布的分类方法，路灯的纵向光分布可按短投射配光、中投射配光或长投射配光分类，沿道路的横向配光的分类的方法是以50%最大光强的曲线覆盖区域的位置进行的，沿道路横跨线，将道路表面分割成四个纵向宽度，即I类、II类、III类和Ⅳ类。图4是各种光分布灯具用于车行道的示意图，图5是一个Ⅲ类中投射灯具的在半空间和道路上的等光强图例。

　　LED路灯的光分布应按照IESNA的分类方法。

　　2.1 被测灯具纵向光分布的情况

　　表2和图6是被测灯具纵向配光情况的统计。

　　(1) 灯杆间距与纵向光分布的关系

　　纵向光分布是以最大光强的投射角度进行分类的，纵向投射角度不同的路灯，能够照亮的路面长度也不同，如果沿道路纵向光线投射角度小的灯具，照亮的路面长度就比较短。

　　当灯具沿道路纵向光线投射角度增大时，灯杆的间距增大，单位道路面积的灯功率就相应减小，光束投射的远或近是路灯节能水平的重要因素之一。

　　(2) 检测数据表明大部分LED路灯是近投射配光

　　分析LED路灯测试数据发现，大部分投射距离很近。从表2可以看出，大部分灯具处于3种纵向分布之外的近投射区域，近投射配光需要的杆距很小，不适于用作机动车道路照明。

　　从2007～2009年的数据看出，短投射灯具的比例有所增加。2007～2008年灯具光束的投射角度没有提高。直到2009年才出现了中投射型的LED路灯。

　　(3) 与传统光源路灯的比较

　　高压钠灯路灯纵向配光情况的分析表明，高压钠灯路灯中比较好的配光形式可以达到短投射水平，更好的可以达到中投射水平。与传统高压钠灯路灯相比，大多数LED路灯的投射距离偏近。主要原因是许多LED路灯的生产厂家还缺乏对路灯配光特性的认识，产品的设计不够合理。

　　2.2 被测灯具沿道路的橫向光分布的情况

　　表3和图7是横向配光的情况。

　　(1) 车道数与横向配光

　　应按车道的数量配用适宜的横向配光类型的路灯，如某一II类横向配光的路灯的正确应用是4车道，那么如果错误地用于2车道，就会有较大比例的光通量照射到道路以外的区域，光通量的利用率降低，LPD值会受到影响。

　　(2) 目前LED路灯的横向配光情况

　　从2007～2009年的数据来看，LED路灯的配光大多属于窄配光，仅有30%的路灯达到了I类或II类的水平。其中，2008～2009年的I类横向配光比例有所提高，从14.6%增加至34.7%.

　　2.3 C-90和C-270的配光对称性问题

　　道路的纵向延伸特性，以及路边区域和屋边区域的不同照明需求。因此，路灯应具有特殊的配光形式，满足道路被照亮的同时，道路边界线旁的屋边也适当照亮的要求，体现在道路照明标准中的SR值。

　　路边需要的光通量多，而屋边需要的少，所以路灯在满足上述光度特性以外，还应合理分配路边和屋边的光通量，在光度学上表达为C-90和C-270的光通量。测量得到的灯具配光图中C-90平面和C-270的配光曲线不能简单得处理成对称形式，否则，将产生灯具光通量分配不合理、利用系数不高的问题，降灯具的照明效率。

　　对LED路灯的测试结果中发现，70%的灯具-90和C-270的配光对称性存在问题，30%基本合理，具体情况如下：

　　(1)C-90和C-270配光属于非对称配光，且其最大光强投向路边区域

　　这类灯具的光通量利用率高，LPD有可能降到最佳值，其配光见图9。

　　(2)C-90和C-270的配光属于对称性配光

　　有较多的配光形式只是将室内灯设计照搬过来，没有考虑路灯的特点。经过统计目前照明质量不合理的路灯中C-90和C-270平面配光属于对称型的占60%，只适合路灯装在路中央或必须仰角很大的路边安装条件，配光图例见图9.

　　(3)C-90和C-270配光属于非对称配光，但其最大光强投向屋边区域

　　如果路边区域和屋边区域搞反了，最大光强投向了屋边区域，照明质量将比C-90和C-270对称形式的配光差。这种情形在LED路灯中不在少数，大约有0%的路灯的最大光强投射方向在屋边区域(C-270至C-360域限内)，配光图例见图10.

　　3 光束均匀度

　　3.1 最大光强的γ角

　　最大光强的γ角位置与道路照明的均匀度有关，包括照度均匀度和亮度均匀度。DOE给出的标杆是最大光强处于55～65区域内。

　　(1) 数据分析

　　表4和图11是测得的道路灯具的最大光强的γ角位置的数据。

　　(2) 最大光强投射角度与均匀度的关系

　　光线不均匀的照射，路面看起来会明暗不均，障碍物与路面背景间缺乏对比度，使驾驶员观察路面上障碍物的能力降低，看不清路面上及周围的移动物体。

　　要得到路面上均匀的照明效果，光束中最大光强投射角度非常重要，路灯下方的光强I0应是最小的，随着仰角γ增大，所在γ角的光强I应增大，I和I0满足I0=Icos3I，的函数关系，当光强接近这种函数关系时，路面才能得到均匀的照明效果。当最大光强在垂直面内的投射角度达到55～65时，可以达到照度均匀度的要求。，

　　与路面照度相比，路面亮度均匀度能对驾驶员观察结果产生更客观的影响。路面的亮度和观察角度有关，还与路面材料有关，当最大光强在垂直面内的投射角度达到65～75时，路面的亮度均匀度可达到比较高的水平。

　　(3) LED路灯最大光强所在γ角的数据分析

　　比较2009年前和2009年后的测试数据(见表4)表明，国内的LED路灯最大光强所在的γ角偏小，达到等照度配光角度要求的55～65的数量只占16%.特别是在2009年以前，LED路灯中绝大多数的最大光强投射角度都比较小，2007年达到55～65的只占10%，2008年只占4.9%.2009年则快速提高到了22.4%，另有4%达到了等亮度配光的65～75。而0～55的灯具从2007年的90.0%、2008年的95.1%降到了2009年的73.5%.

　　3.2 灯下点附近250范围内的光强和最大光强的比值

　　I0-25/Imax

　　( 1 )I0-25/Imax的含义

　　光束均匀度中另一个重要条件是灯下点的光强应是最小的，随着γ角的增大，光强应逐渐增大。灯下点附近25范围内的光强I0-25和最大光强Imax的比值是评估路灯配光的均匀性的重要参数之一。I0-25/Imax≤0.35是路灯配光满足道路照明均匀度的重要条件之一，当比值大于0.35时，会产生灯下点亮，灯杆之间暗的光斑不均匀现象。

　　测试发现，I0-25/Imax≤0.35、I0-25/Imax =0.35～0.5和I0-25/Imax =0.5～1.0三类配光均存在，具体举例见图12～图14.

　　(2)数据分析

　　表5和图15是I0-25/Imax的测试结果的统计数据。

　　分析LED路灯I0-25/Imax的检测数据可以发现，I0-25/Imax =0.5～1.0之间的路灯占有较大的比例。这类路灯的灯下点将有明显较亮的光斑，然后沿道路方向迅速减小。

　　2009年的检测数据表明，I0-25/Imax在0.35～0.5之间的路灯比例比前两年有所提高，此类配光形式由于光强的变化不够大，会造成三种情况：

　　① 每盏路灯的照射面积较小;

　　② 灯下点较亮，灯下点周围较暗。其配光例子见图13(a)和图13(b)。

　　③I0-25/Imax >0.35时，照明的均匀度都会存在类似上述的问题。虽然，到目前为止，I0-25/Imax >0.3 5的路灯比例大多数，但<0.35的比例在不断提高。

　　④ 为得到均匀的照明效果，就要升高路面上的LPD.

　　4 截光水平

　　4.1 截光水平的相关概念

　　路灯的光线亮度可以达到几千万cd/m2，光线的照射方向控制不好会让驾驶员感受到眩光，容易引起视觉疲劳。眩光的程度强烈时，会影响驾驶员观察路况。眩光的产生，来源于路灯直接射人眼睛的光线。为了改善眩光对视觉的不良影响，要求道路照明灯具具有截光控制措施。从驾驶员的观察位置和观察方向分析，路灯垂直面上80～90的光输出会直接射入眼睛造成眩光。

　　4.2 80～90的环带光通

　　控制80～90的环带光通是控制路灯眩光的重要途径，DOE给出的标杆是80～90的灯具光通量不超过总光通量的∑∮10%。检测数据表明，LED路灯的80～90环带光通的控制水平良好。

　　统计样本的检测数据表明，LED路灯垂直面上80～90的光通量的比例全部低于总光通∑∮的10%.表6和图16是80～90环带光通测试结果的统计数据。

　　4.3 80～90的光强

　　造成灯具眩光的另一个重要因素是80～90的光强太大。DOE给出的标杆是80～90的光强不超过最大光强Imax的5%.

　　100个样本的检测统计数据表明，40个灯具满足I80-90/Imax≤5%.表7和图17是80～90光强测试结果的计数据。

　　4.4 LED路灯80～90环带光通的控制水平与高压钠灯路灯的比较

　　路灯一直存在的难题是照明效率和截光存在矛盾：最大光强的γ角位置控制在65～75时，有利于提高路灯的光束均匀度，但给80～90的截光控制带来了难度。

　　高压钠灯光源等传统光源全空间发光特性决定了通过反射器控制光线的路灯难以做到两全其美，光束均匀度好的路灯往往会有明显的眩光。而LED光源的半空间发光特性让路灯设计师能轻松地把握这两方面的控制。虽然，80～90内的光强还存在大于5%最大光强的情况，但比起高压钠灯路灯的情况要改善很多。

　　5灯具能效

　　5.1 灯具能效的概念

　　灯具能效是指在灯具的声称使用条件下，灯具发出的总光通量与其所消耗的电功率之比。表8中的50lm/W相当于传统的150W及以下高压钠灯灯具在照明利用系数为0.7和灯具效率为0.7时的灯具能效，它是LED路灯与传统光源路灯比较的门槛。

　　5.2 检测数据分析

　　(1) LED灯具的能效水平正在提高

　　根据样本的检测数据显示，2007年LED路灯的能效均低于501m/W.2008年后，LED路灯的能效水平明显提高，2008年36.6%的LED路灯能效达到501m/W.有了明显提高，2009年则有77.6%的LED路灯能效超过501m/W.表8和图18是灯具能效的数据统计。

　　(2) 与传统路灯的比较

　　当前，在路灯系统中传统高压钠灯路灯的能效仍旧占据着优势。150W高压钠灯路灯的能效一般可以达到701m/W，250W和400W高压钠灯路灯的能效可以达到751～801m/W.但LED路灯发展的步伐非快，数据反映，2009年已有24.5%的LED路灯的能效超过701m/W。

　　6 达到LED路灯标杆要求的案例

　　从检测得到的数据来看，达到上标的LED路灯有两款，其中一款灯的配光图如图19所示。

　　有几例LED路灯仅截光未达标。这种路灯可以通过使用适宜高度的灯杆或灯具倾斜角度来控制截光水平，其中一例见图20.

　　7 结束语

　　LED灯具用于道路照明已经走过了几年的历程，上述数据分析表明，LED路灯的光度特性具有迅速改善的趋势，LED路灯在寿命特性、色度特性等方面的继续研究将有助于对LED路灯的性能指标进行综合的评价。

　　LED灯具质量的总要求是达到安全要求的基础上有良好的性能特性，检测发现有些LED具有良好光度特性，但其机械结构不具有良好的防水性能，不到安全标准规定的IPX3的要求，当聚焦LED路T性能特性的同时，就不能忽视其安全特性。今后，希望有更多好的LED路灯在道路照明上得到良好的应用。

　　参考文献

　　1 章海骢.《道路照明标准比较及其对灯具配光的要求》

　　2 王晔.《LED路灯发展现状分析》

　　3 施晓红 国家标准《道路和街路照明灯具性能要求》主要内容介绍

　　相关链接：

　　陈超中，男，1962年12月出生，大学本科毕业，教授级高级工程师。现任国家灯具质量监督检验中心副主任、上海时代之光照明电器检测有限公司总经理、全国照明电器标准化技术委员会副主任委员、全国照明电器标准化技术委员会灯具分技术委员会主任委员、中国照明学会灯具专业委员会主任委员、中国照明学会常务理事、高级会员、中国建筑学会物理分会理事、WTO/TBT国外通报评议专家。照明电器行业核心期刊照明工程学报》特邀编委、《中国照明电器》、《光源与照明》、《照明技术与设计》、《照明》杂志编委。上海市工程系列轻工专业高级专业技术职务任职资格评审委员会委员库专家。

　　从事照明电器检测与标准化工作25年。主编《GB7000.1-2002<灯具一般安全要与试验>强制性国家标准宣贯教材》，45.3万字;主编《GB7000.1-2007<灯具第1部分：一般要求与试验>国家标准宣贯教材》，45.5万字;《灯具特殊要求系列国家标准宣贯教材》副主编，60万字，三本教材均由中国标准出版社出版。主持起草或参与起草灯具国家标准20余个，在专业杂志上发表论文20余篇。承担《中国大百科全书》(第二版)灯具词条的修订撰写工作。

　　获2006年上海市标准化优秀学术成果二等奖，分获2007年、2008年和2009年上海市标准化优秀学术成果三等奖。