LED道路照明灯具光度性能分析

知识点：道路照明用LED灯

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。

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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照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，我们将LED路灯的光输出（单位lm）分为＜2300、2300-4000、4000-5000、5000-7500、7500-9000和＞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2300lm也参考了DOE给出的LED路灯光通量的最小值。

-最小值2300lm：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2300lm的LED路灯，我们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8lx时所适宜的灯间距。计算过程如下：

设：路宽为3.5m×2，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8lx的路边被照面积和达到4lx的屋边的被照面积 = 初始光通量×维护系数。

8×D×（3.5+3.5）+4×D×（3.5+3.5）=2300×0.8 D≈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。

-2300-4000lm：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2300-4000lm。

落在这个区段的被测灯具数量有20个。

-4000-5000lm：满足次干路四车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到4000-5000lm。

落在这个区段的被测灯具数量有9个。

-5000-7500lm：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20lx。满足主干路二车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到5000－7500lm。

落在这个区段的被测灯具数量有26个。

-7500-9000lm：满足主干路三车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到5000－7500lm。

落在这个区段的被测灯具数量有11个。

->9000lm：达到主干路四车道的照明水平，灯具的初始光通量应达到9000lm以上。

以照度达到30lx计，路灯单侧布置时，灯间距为12m[30×D×（2×3.5+2×3.5）+15×D×（5+5）=9000×0.8]，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2300lm，不适用于机动车道的道路照明。

2008年以后，适用于次干路和主干路的路灯比例逐渐提高，占到总数的92.2%。其中，达到主干路光通量水平的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。

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与传统光源路灯比较

就目前来讲，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。

-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，灯具效率一般处于65%~75%的水平，较好的可以达到75%～80％。以8000lm 光通量的100W高压钠灯为例，其路灯的光输出有5200lm~6000lm，较好的可以达到6000lm~6400lm。

-250W或400W高压钠灯路灯的光通量

250W（28000lm）或400W（48000lm）高压钠灯的路灯的灯具效率一般在75%~85%之间，因此，250W高压钠灯路灯的光输出一般不低于21000lm，400W高压钠灯路灯的光输出一般不低于36000lm。

-LED路灯的光通量水平

目前，LED路灯的光输出最高达到10000lm左右。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接近于150W高强度气体放电灯灯具水平。

高强度气体放电灯的发光于整个空间，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，光源的一部分光线损失了。

灯具效率是反映光源光线损失程度的参数。LED光源在这方面是具有优势的，LED的发光只存在于半个空间，在不用灯具的情况下，也能将光线近乎100%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了10000lm左右，在配光形状好的情况下，灯具的照明效率会比较高，可以达到或接近高压钠灯路灯的照明效果。

二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。

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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就不一样，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年至2009年的数据看出，短投射灯具的比例有所增加。2007年至2008年灯具光束的投射角度没有提高。直到2009年的近期，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中投射水平，更好的可以达到长投射水平。

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。

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被测灯具沿道路的横向光分布的情况

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，那么如果错误的用于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年至2009年的数据来看，LED路灯的配光大多属于窄配光，仅有30％左右的路灯达到了I类或II类的水平。其中，2008年至2009年的I类横向配光比例有所提高，从14.6％增加至34.7%。

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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，所以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，降低灯具的照明效率。

在对LED路灯的测试结果中发现，70%的灯具C-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。

配光图例见图8。

（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，照明质量将更劣于C-90°和C-270°对称形式的配光。这种情形在LED路灯中不在少数，大约有10％的路灯的最大光强投射方向在屋边区域（C-270o至C-360o域限内）。

配光图例见图10。

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1、GBT24907-2010道路照明用LED灯性能要求

2、某段市政道路路灯照明电气设计施工图