常見問題

1 道路照明質(zhì)量與路燈配光

道路照明首先是服務(wù)夜間道路使用者(駕駛員和行人)的，這是建設(shè)者規(guī)劃、設(shè)計和實施道路照明工程最基本的出發(fā)點，而要充分滿足使用者的需求，最客觀的評價指標(biāo)就是《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)中關(guān)于機動車道、交會區(qū)、人行道及非機動車道照明標(biāo)準(zhǔn)值是否達標(biāo)。

1.1 LED道路照明質(zhì)量存在的問題

當(dāng)前導(dǎo)致用戶對LED照明產(chǎn)品產(chǎn)生疑慮的原因主要包括兩個方面：

1)照明工程質(zhì)量控制有待加強。在新建道路照明項目中，設(shè)計、采購和實施嚴(yán)格把關(guān)的項目滿足道路照明標(biāo)準(zhǔn)往往不是問題，而在城市路燈的EMC改造和PPP項目中，往往會出現(xiàn)以犧牲道路照明水平來換取節(jié)能收益最大化問題。同時由于竣工驗收僅考慮機動車道照度和均勻度水平，則會以下問題的出現(xiàn)：導(dǎo)致失能眩光、環(huán)境比以及縱向均勻度等項目不達標(biāo)的情況；人行道垂直照度不達標(biāo)現(xiàn)象也普遍存在。這就導(dǎo)致路面有斑馬線和看不清別人的臉等現(xiàn)象。

2)相較于傳統(tǒng)照明產(chǎn)品，由于LED照明產(chǎn)品發(fā)光機理與傳統(tǒng)光源不同，造成其表面亮度和光譜差異，同時配光設(shè)計有些差別，因此引起用戶對于LED路燈的視覺誘導(dǎo)性差以及不舒適眩光顯著等問題的廣泛關(guān)注。如此種種，以前采用高壓鈉燈不存在的問題，現(xiàn)在是很多用戶抵觸LED路燈的理由。

1.2 LED路燈配光問題

1)垂直照度問題：LED的光學(xué)特點是尺寸小、點光源，非常容易實現(xiàn)精確的配光分布。這就使得產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)傾向于通過光學(xué)設(shè)計把盡量多的光分布在驗收考核重點的機動車道，減少在機動車道外的出光量，從而實現(xiàn)更大的節(jié)能，增強產(chǎn)品在項目中的競爭力。

圖1 LED路燈及高壓鈉燈在道路橫向的光分布
Fig.1 Light distribution of LED and SON on road transverse direction

圖1(a)(b)和圖2(a)(b)分別是LED路燈和傳統(tǒng)高壓鈉燈路燈在道路橫向和道路縱向常見的光分布。由圖定性可見，傳統(tǒng)高壓鈉燈由于光源尺寸大，放電管長，經(jīng)反射器后從燈具出射的光分布范圍廣，不僅容易滿足環(huán)境比的要求，也常能滿足人行道上1.5 m高度垂直照度和半柱面照度的標(biāo)準(zhǔn)，從而比較容易實現(xiàn)人臉識別。而LED路燈光分布范圍小，在一定的高度及燈桿后一定的范圍外光分布少，從而造成人行道臉部垂直照度低形成黑臉，而在機動車道上，則常見空間照度低，跟隨在大車后的駕駛員就會發(fā)現(xiàn)行進過程中每經(jīng)過一個路燈的區(qū)間，大車車廂尾部會明顯的一明一暗的照度變化，見圖2(a)，長時間就會引起視覺疲勞。

圖2 LED路燈及高壓鈉燈在道路縱向的光分布
Fig.2 Light distribution of LED and SON on road longitudinal direction

表1定量比較了常見的150W LED路燈與3種250W高壓鈉燈路燈在同一個假定項目中的計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)無論是在機動車道還是左右兩側(cè)3.5 m寬的人行道上，LED路燈的垂直照度都比高壓鈉燈低，甚至遠未達到人流量較低道路人行道最小垂直照度的要求，但人行道水平照度已超過流量較高道路的標(biāo)準(zhǔn)。無論人行道還是機動車道的最小垂直照度位置都在燈桿位置，這是因為該位置上方的燈具直射往下的光線對垂直照度沒有貢獻，如果相鄰燈桿燈具的光照補充不充分，該位置的垂直照度就無法達標(biāo)，從這個角度而言，路燈在大的垂直角度上的光強是不可缺少的。從照明設(shè)計實踐來說，如果找不到合適的產(chǎn)品，可以考慮在單側(cè)布燈的項目中采用高低桿設(shè)計，增設(shè)人行道側(cè)的小功率側(cè)發(fā)光庭院燈具。

表1 LED與高壓鈉燈的應(yīng)用計算結(jié)果比較

Table 1 Calculation results of LED and SON road lamp installation

注：表中對應(yīng)的道路狀況為10 m寬瀝青路面機動車道，左側(cè)布燈，桿高10 m，間距30 m，仰角5度，挑臂1 m，維護系數(shù)0.7

2)誘導(dǎo)性問題：在道路縱向兩種類型燈具的光分布不同還會在視覺誘導(dǎo)性上有很大的差別，特別是在霧霾天的夜晚，用戶常會感覺鈉燈照明的道路可以提供更好的誘導(dǎo)性。其主要原因是高壓鈉燈更好的誘導(dǎo)性首先來自于它在大的垂直角上的適量光強分布可以比LED路燈讓人在更遠的距離就發(fā)現(xiàn)它的存在，從而可以據(jù)此識別道路的線型特征，LED路燈在大垂直角上光截止過于銳利，又多數(shù)是平面發(fā)光，離開四五個燈桿距離就看不到發(fā)光面，因此，即使路面亮度并不低，但視覺誘導(dǎo)性差。如果適當(dāng)保留燈具路側(cè)C0～C10平面和C170～C180平面上大垂直角的適當(dāng)?shù)墓鈴�，比�?span id="3nly7nb" class="emphasis_italic" style="font-style:italic;">I80，I85，可以提高LED路燈的視覺誘導(dǎo)性(圖3)。

圖3 路燈配光與垂直照度及誘導(dǎo)性
Fig.3 Light distribution of road lamp related with vertical illuminance and guidance

3)不舒適眩光問題：LED路燈引起的不舒適眩光取決于觀察角度、距離和燈具表面亮度。對路燈而言，前兩者是固定的，變量是發(fā)光面的表面亮度。在2014年之前，大量使用的大功率LED芯片的表面亮度已是107 cd/m2量級，LED路燈燈具在不同視角透鏡表面亮度105～106 cd/m2量級，是高壓鈉燈路燈透光罩表面亮度的數(shù)倍，現(xiàn)在又比三年前提高了20%。飛利浦亞洲研究院、飛利浦荷蘭研究院和埃因霍溫技術(shù)學(xué)院的聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，在較短的觀察距離上，高的發(fā)光面亮度引起更大的不舒適眩光[1]，LED的眩光主要影響的是行人和非機動車駕駛員，但機動車駕駛員觀察距離較遠，眩光沒有大的差別。

隨著LED芯片技術(shù)的發(fā)展，越來越高光效的芯片進入商業(yè)化應(yīng)用，特別是道路照明市場。這對節(jié)能和降低道路照明成本帶來了巨大機遇，同時它所引發(fā)的的不舒適眩光問題則日益突出。在同樣的道路同樣的安裝條件下，路燈的光通量是基本確定的，降低燈具表面亮度的方法簡單來說就是通過增大發(fā)光面積來實現(xiàn)。比如出光面增加玻璃將陣列式點發(fā)光改變?yōu)槊姘l(fā)光，同樣是陣列式LED路燈，芯片單顆功率小、顆數(shù)多的燈具表面亮度更低。

上面分析了各種照明質(zhì)量問題的原因來自于LED路燈的配光，但這并不是LED的天生缺陷。LED可以精確配光的光學(xué)特性提供了許多可能，其中一個可能就是可以完全滿足所有道路照明指標(biāo)，目前出現(xiàn)的問題不過是制造商的商業(yè)驅(qū)動和用戶的節(jié)能驅(qū)動造成的一種現(xiàn)象。LED路燈可以實現(xiàn)道路照明的節(jié)能，但片面強調(diào)節(jié)能就會帶來上述后果。

總之，道路照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是非常綜合的評價體系，片面追求照明節(jié)能必然會犧牲照明質(zhì)量，如果政策和建設(shè)方仍舊片面強調(diào)節(jié)能，是不可能解決目前面臨的照明質(zhì)量問題的；而許多LED路燈的制造商對產(chǎn)品和應(yīng)用的理解不足，出于商業(yè)目的一味迎合甚至誤導(dǎo)建設(shè)方的觀念也是很大的障礙。

2 LED路燈失效機制與結(jié)構(gòu)設(shè)計

路燈的維護管理單位從建設(shè)方接收項目后，最核心的任務(wù)是保證亮燈率和照明水平不低于標(biāo)準(zhǔn)要求，對應(yīng)的是路燈的失效率和光衰兩個指標(biāo)，因光衰過大導(dǎo)致照明水平低于應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)也可以理解為失效的一個類型，但常規(guī)講失效是特指燈具不亮，需要更換和維修。這里主要討論LED路燈的常規(guī)失效機制。

路燈維護管理部門對燈具的期望是高可靠性低失效率從而減少維護頻率，必須進行維護時希望需要更換的部件易拆易裝從而減少高空作業(yè)時間�？傊�，希望降低維護成本。這就是產(chǎn)品設(shè)計努力的方向——提高可靠性，降低維護難度。

2.1 LED路燈失效機制

LED路燈失效而滅燈無非是兩種原因：發(fā)光部件LED芯片損壞，或給LED芯片供電的部件和燈具內(nèi)電氣回路損壞(不考慮供電線路的問題)。從LED路燈的構(gòu)成(圖4)來看，多種部件的失效會造成電氣回路不通而滅燈。

圖4 LED路燈構(gòu)成
Fig.4 Structure of LED road lamp

圖5 LED燈具失效原因統(tǒng)計分析
Fig.5 Distribution of failures

直接原因比如浪涌保護器(SPD)、驅(qū)動電源和印刷線路板本身的損壞，間接原因比如由于密封問題使水汽進入導(dǎo)致的印刷線路損壞、因震動或安裝問題導(dǎo)致的電氣連接松動、因燈體機械強度不夠?qū)е碌臒艟邤嗔训鹊取?

在采用傳統(tǒng)光源的燈具中，易損部件是光源，所以光源的電氣參數(shù)和安裝接口的標(biāo)準(zhǔn)化是最基本的要求。但LED燈具的失效機制完全不同，光源(LED芯片)是固態(tài)發(fā)光，特點就是壽命長，可靠性高，往往燈具其他元器件壞了而光源還完好。根據(jù)美國Appalachian Lighting Systems, Inc的LED燈具失效統(tǒng)計分析(圖5)，在其7年合計2.12億h的產(chǎn)品使用周期中，累計失效率為5%，其中，由于驅(qū)動電源(含浪涌保護器SPD在內(nèi)的供電部分)損壞導(dǎo)致的占比73%，而LED導(dǎo)致的僅占比7%，甚至比燈具密封問題12%的占比還小[2]。飛利浦照明中國的售后服務(wù)部的統(tǒng)計，LED路燈的總體失效率兩年約1%，其中SPD(浪涌保護器)損壞在所有失效燈具中占比約90%，另外10%為驅(qū)動電源及其他，LED芯片失效率可以忽略。但某省高速隧道管理部門反饋的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，他們使用的光引擎模塊化(圖4中的方框內(nèi)的部件組合)LED隧道燈在非完全使用狀態(tài)下四年(四年里陸續(xù)改造使用的20萬套燈具)總的失效率高達30%。

這些的實踐經(jīng)驗提示我們，延續(xù)傳統(tǒng)燈具的失效機制來設(shè)計可替換的光引擎模塊化LED路燈并沒有達到理想中的降低維護成本的目標(biāo)。

2.2 LED路燈的結(jié)構(gòu)與失效率分析

由于各制造商都不公布自己產(chǎn)品的失效統(tǒng)計和分析，我們并沒有足夠規(guī)模的的統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較模塊化的LED路燈和整體式LED路燈的失效率高低，但我們可以從兩者的結(jié)構(gòu)來分析失效的概率。

整體式LED燈具結(jié)構(gòu)總體分電氣腔和光源腔兩個相對獨立的腔體，分別用硅橡膠密封圈通過機械壓力實現(xiàn)IP65以上的防護等級，以保護腔體內(nèi)的電器部件和LED及印刷線路板，兩個腔體間的電氣連接也在整體燈具內(nèi)走線，只有外殼是外露的，因此，發(fā)光部件和供電部件都得到最好的保護，燈具失效完全取決于所采用的部件質(zhì)量。

光引擎模塊化結(jié)構(gòu)燈具，光學(xué)部件與電器部件完全獨立，兩者之間的電氣連接復(fù)雜且多數(shù)電纜外露，而且多個模塊意味著密封失效的概率增高，故而燈具整體的失效不僅取決于所采用部件的質(zhì)量，往往還受外界環(huán)境的影響，總體故障率因此會提高，從而增加了維護成本。

將燈具設(shè)計成光引擎模塊化的結(jié)構(gòu)，一個原因是考慮光維持率到70%的L70壽命比燈具其他結(jié)構(gòu)件壽命低，在燈體壽命期內(nèi)可能因為光衰過大需要更換光學(xué)模塊。但根據(jù)美國能源部文件的預(yù)測，設(shè)計優(yōu)良的LED燈具現(xiàn)在已遠超5萬h L70使用壽命，2020年產(chǎn)品即可實現(xiàn)近10萬h的L70壽命(表2)[3]。對路燈應(yīng)用來說，10萬h意味著20年以上的達標(biāo)使用(每年4 300 h左右使用時間)，這個時間甚至比燈具的燈體壽命還長。事實上，在2014年前的項目中，就有制造商對自己的LED路燈產(chǎn)品提供5萬h的質(zhì)量延保服務(wù)�？梢姡琇ED的燈具設(shè)計完全可以不考慮光引擎模塊的更換和升級需求。

表2 LED燈具使用壽命預(yù)測

Table 2 LED luminaire lifetime projections

3 結(jié)束語

路燈工程影響深遠，一旦安裝就意味著在以后的長時間用戶都得承受安裝產(chǎn)品的照明質(zhì)量，不論好與壞；維護管理單位承擔(dān)安裝產(chǎn)品失效后的維護，不論多與少。在LED路燈市場大爆發(fā)的應(yīng)用推廣時期，行業(yè)人員應(yīng)該對LED路燈可能存在的問題、解決方向和路線有清醒的認識，引導(dǎo)和鼓勵優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品及解決方案的使用。設(shè)計和生產(chǎn)過程中，需進行合理的燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計、嚴(yán)格控制照明產(chǎn)品質(zhì)量；項目設(shè)計和采購時，合理根據(jù)道路照明安裝條件選擇燈具，在保證機動車道照明質(zhì)量的同時，還應(yīng)綜合考慮人行道垂直照度等指標(biāo)，考慮產(chǎn)品的可靠性和維護的簡便性，從而實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的照明水平和更低的運營維護成本。