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中美两国LED路灯推广应用比较

美国有领先世界的LED照明技术,有多年的照明节能推广和管理经验。全美国有路灯5200万盏,有全世界规模最大的城市照明系统。50%是公路灯,50%是街灯和城市公共广场用灯。美国能源部2009年开始,实施用LED替换现有路灯的计划。通过几年来的实践总结,目前对LED道路照明已经形成共识,稳步走上经济和使用效果统一的资本经管的发展方向。

  中国拥有全世界规模最大照明电器产品的制造能力,交通道路系统发展最快。全国道路照明用灯大约3500万盏,为世界第二。2004年3月,杭州临安市点亮的LED路灯,开创LED道路照明的先河。在政策的鼓励和支持下,LED照明的推广应用在各地经济增长的大潮中迅猛发展,2008年半导体联盟开始实施“十城万盏”推动计划,并推出 “50城200万盞”的示范计划。当前应用扩展的侧重是在城鎮化建设的道路扩展配套。高速发展带来了举世瞩目的成果,暴露出来的问题也引来了反思。

  十年内,全球仅LED路灯将有超过500亿美元的市场规模,当前已开始进入成长期。产品设计和应用方式日新月异,必然会突破旧模式。对比两国不同的经验,取长补短有助于推广LED路灯的推广应用,引导未来的路灯工程建设,产品发展和未来市场开拓。

  两国推广LED道路照明行业现狀

  美国能源部门鼓励推动下,以各地路灯经营管理机构为主,配合城市管理需求,重点着眼在旧的城市照明系统改造。目的是有助减少城市碳排放,降低市政开支,改善城市交通和民生管理,获得投资收益。

  从全国六个城镇开始实验。试点城镇概括不同的地理位置,气候环境,交通规模,有利于取得比较全面的经验。在这经验基础上,逐年自发扩大到几十个其它的城镇。按不完全统计,美国目前LED路灯的推广应用大约占到全国路灯总量的5%,预期到2020年可更换1/3,即1700万盏。迄今为止,还没有任何城市做到全面使用LED路灯。

  洛杉矶市是美国率先执行全国最大的LED道路照明改造计划的城市,更换21万盏LED路灯的50%;其次是东部的波士顿市区,已经更换65000街灯的40%,即25000盏。

  道路照明规模最大的纽约市相对比较保守,2003年开始计划在曼哈顿替换1600盏金鹵灯,予期3年可收回投资$1.4M,被看作为LED道灯应用的里程碑。

  工业城市Chicago市,权衡效益后,决定採用投入较低的陶瓷金卤灯来改造城市照明。

  我国科技部2009年初发起“十城万盞”示范计划,实际推行多以地方政府为主导。较偏重于未来新的城鎮化建设,而不是旧道路照明的改造;也有些省市推广的目的是为了推动当地GDP,支持地方产业爭夺市场,各地发展极不平衡。

  灯具产业集中的广东省,在支持地方产业的政策驱动下,一马当先。目前全省累计推广使用LED路灯近80万盏,示范路段超过10000公里,预计2013年新安装LED路灯超过110万盏,将掀起新一轮的全面推广应用的热潮。

  道路照明规模最大和城市管理比较成熟的上海市,为确保城市道路照明的安全稳定运行,保证推广效益。 在LED道路照明的应用实践中,相对稳健。截止到2012年年底试点应用LED路灯5000多盏,仅占总拥有量的1%。

  对LED道路照明推广应用试点的评估

  LED道路照明推广应用,其成败最终都应该落实到真正产生的效益上。直接经济效益主要依据是更新或新设置的成本,和原来的系统或标准设计,在同等照明条件下实际的节电效果,产品的有效的使用寿命和可靠性,运行维修保养费用。其它的应用效果因素还包括居民和用户反应,城市安全,照明效果等。

  一些与道路照明无关间接的因素,例如地方GDP,城市形象,未来发展,碳排放指标等等,不应该进入效益评估体系,只能作为具体项目的决策依据。

  LED道路照明的投入相对较高,但技术日新月异,产品价格不断下降,效益成本比在不断提高。早期的投入,成本较高,技术淘汰风险大。道路照明实际条件直接影响LED道路照明应用的效益。而优先选择回报周期短的试点项目,可以減少风险,取得经验,并起到良性示范作用。

  美国城市的LED道路照明推广计划,一般分成3至5个阶段。从初始阶级的小规模试用,取得产品的应用经验和实际回报的结果;在确得到平衡回报的结果后,进入第二期扩大推广;在确认照明改造的投入产出利益效果后,就可以完全依靠市场资金实现道路照明的全面改造。

  美国加州的Redland市展示了值得学习的经验。该市利用城市管理的地理信息系统, 按照最近三年的夜间交通事故率,城市治安纪录,夜间商业娱乐活动和居住密度设置了决策权重,再根据资金来源和经济回报的合理安排,设计了LED城市街道照明的五个阶段扩大推广计划,最后达到投资收益和城市管理双赢的目标。

  从开始试点城市的三年总结来看,城市之间投入回报(不计各种补贴)的差别很大。回报最快的城市是2年左右,最长的不超过7年,都达到了可以接受的水平。

  试点经验表明,LED路灯推广应首选旧道路照明的改造,新城鎮建造不必一次到位。旧道路照明系统效率低,维修成本高,但基础设施比较完整,道路环境和交通流量资料也充分。用LED路灯进行照明改造,成本较低,投资回报容易核算,风险也低。社会效应容易立竿见影,容易起到示范作用,应该是首选的目标。

  新建工程是参照现时的高压鈉灯或其它光源新技术在同一平台上进行效益核算的,LED的优势显著性相对差些。而且新城鎮的道路交通的增长要有时间过程,而LED产品日新月异,一次性高标准投入,技术淘汰风险较高,相对实效低。

  LED道路照明的经济分析

  为了避免主观因素的影响,或因缺少经验而产生错误,并有利于项目间的对比总结。美国DOE(能源部)提出了一套通用核算软件,方便大家从网上下载使用。

  经济平衡或收益分析,是以路灯购买,更换安装费用,和等照度电费,维护保养费用的节省之间的直接补偿来计算。不考虑任何间接或潜在收益,例如环境改善,控制方式改善,地方GDP等。

  美国道路照明系统的的维护费用较高,相当或甚至高于运行电费。由于LED路灯的寿命可靠性优势,节省维保费用在经济回报核算中的贡献,使LED照明效益明显,易于应用推广。美国试验表明,用LED路灯改造道路照明的回报周期为2至7年,已经具备了经济投资的价值。

  我国的LED道路照明立项过程和对工程后继的经济核算重视不夠,很少将回报周期作为主要评估指标。经常是用设计指标来代替实际效果核算,因而容易受主观因素影响产生效益高估。由于我国的劳动力相对低廉,采用LED照明所节省的维护费用贡献不显著,LED照明改造的经济回报主要依赖运行电费的节省,所以回报周期相对美国要长得多,因此对产品的寿命可靠性要求高于美国。加上当前产品质量,寿命可靠性,示范设计标准过高,工程产品成本过高等原因。大多数项目难以在产品寿命期间做到成本回收。因此目前要依赖于政策补贴,尚不具备真正社会投资价值。

  两国对高速公路LED照明的看法不同

  夜间高速驾驶的安全主要依靠的是对前方目标的能见度,或者说是前方目前的垂直照度。目前的道路照明灯具主要是提供路面的水平照度和路面亮度。因此路灯的作用很有限。而且目前的LED输出功率尚不足以满足城市主干道的路面照度要求,更不用说高速公路。

  美国高速公路只在道路更变、交会处设置照明,以起到提醒減速慢行,帮助看清道路的作用。

  我国不少地方在新建或改建高速道路时都设置了LED路灯,特别是内地或中小城镇,出现很多盲目追求豪华的超标准设计。完全忽视环保节能,投资回报和使用效果几个基本原则。这类以宣示城市发展或拉动地方GDP为目的的工程,不应该成为推广LED道路照明应用的样板,避免中小城市的仿效。

  关于照明效益的计算

  LED道路照明的效率有不同的计算方法。但主是由灯具特性的工程安裝设计两大因素构成。由于LED灯具的光学设计不同,照向路面的照明效率差异很大。因此绝不能用光源或灯具光效来计算比较不同灯具的节能效益。

  比较普遍接受的方法是在路面上产生同等的平均照度条件下,灯具的输入功率。 但如何计算平均照度实际上是十分复杂的。这一指标与灯具光分布设计和测量的采样方案密切相关. 照明工程安装设计还要在照度、亮度、眩光、工程造价、实际要求、标准应用等多方面平衡优化。简单的平均照度计算公式不能排除将局部区域的过度照明被作为最高照度进入计算而提高了计算结果。

  为解决不合理的路面照度分布对照明效率计算的影响,并且便于将高压钠灯和不同分布的LED路灯设计的照明效率进行比较,美国LED道路照明联盟提出了一种FTE(适合目标的照明效率)的照明效率的测算方案。该建议仅以与IES定义的均匀照明范围相应的等效矩形目标面积来计算灯具投向该面积的光通量作为照明效率计算基础,重叠照明或过暗区照明都不计入有效照明区。 FTP值可以从灯具IES测值和工程设计数据通过统一的公开软件来计算结果, 这至少避免了人为造成的偏差。

  经验数据表明,LED系统的FTE值大都高于HPS道路照明。充分估计了LED照明可能带来的效率优势,而且可以对灯具的二次光学设计提供了依据。这是一个研究道路照明效率方面值得进一步探讨的课题。

  LED路灯产品可靠性的管理

  目前,对产品所依赖的可靠性考核,仅限于发现受检产品短时间内是否存在重大设计缺陷和不可靠性,确定在同样的应力条件下评价可靠性基本水平的优劣,其结果不能直接用于预测产品的寿命可靠性。

  对于LED路灯产品早期失效可靠性的判定,目前只能依靠对进入的产品严格把关。根据美国方面公布的统计,在接受到的有技术认证的送选产品中,大约有30%可以达到候选指标。在候选产品里,也只有1/3可以真正采纳进入实际试用考核,这大约是不到10%的产品可以被接受参与试验使用。最后经过考验选定产品的只有2%。个别城市由于对进入产品不熟悉,对采购审查检验不严,试装的2000盏路灯,在恶劣天气下发现几盏早期失效后全部拆卸,连同未安裝的25000个产品,全部退回供应商。案例在联盟网上公布,引起了供应商和各城市的重视,促使改进今后的LED道路推广工作。

  中国尚未有可以反映工程质量的公共平台,以防止劣质产品进入市场和避免重复錯误发生。

色温和显色性的讨论

  关于LED路灯道路照明采取什么样的色温问题,目前还在探讨中。从美国的城市街道使用经验来看,从繁华市区和街道公共安全出发,倾向于高显色指数的白光。有助于各种目标识别,方便人群活动。但5000K以上的色温,不能被接受。传统纯居住区街区,郊外道路,偏向于较低色温,感觉比较平安温馨。对车辆行驶速度较高的近郊干道,主张用暖色调。初期试用安装的LED路灯都是色温比较高,目前正在探讨色温下调的可能性。大致范围都是3500-5000K之间。

  由于片面强调灯具的光效,我国早期安裝的LED路灯很多多采用高色温,显色性也低,公众难以接受。目前在向低色温回归。纽约和上海两个城市,呼吁3500K左右的夜间适宜色温。

  LED路灯的光衰

  LED道路照明回报的一个最大不确定因素,就是对灯具的光衰寿命可靠性的判定。光衰是一个需要时效来验证的参数,对实际使用的灯具进行长期跟踪验测是不现实的。但由于这种困难而放弃或放松对产品光衰的要求,会使大量廉价劣质灯具靠工程验收,混入在建工程,导致项目最终失败。

  美国对灯具光效光衰的控制方法是,只接受所选用有LM-80 和LM-79资格认证的LED元件的路灯产品。实际证明采用了符合认证资格元件的产品,至少在7年内光衰是可以接受的。我国绵阳灾后重建的辽宁大道,采用优质LED道路照明,两年实测光衰为5.5%,与美国现行水平相当,高于国内平均水平。LED道路照明的严格要求,将促使国内LED元件更重视产品光衰指标。

  对LED道路照明均匀性的要求

  美国的公共照明一般是在广场照明才强调均匀性。普通道路照明则更看重照明的提示性能,强调重点照明, 并不追求道路照明的高度均匀。城市街灯设置的距高比普遍大于我国,一般都在3以上;在非商业地区的居民街区,路面照度较低,距高比远大3的也不少见。但是在交叉道口或者居民进出的地方,都设置增强照明,起到照明和警示双重效果。

  最新的专题研究表明,明暗起伏的道路照明更符合人类对夜间照明的自然习惯,更能提高视觉的警觉性。 均匀的照明环境反而容易产生视觉疲劳,降低警觉识别目标能力,不利于駕驶安全。 而且人为构筑过度的均匀道路照明,不但技术难度高,耗费大,照明效率低,而且眩光增加。绝对是得不偿失的选择。

  我国的LED照明工程现状,由于路面照度均匀度指标易于检测,工程验收方便,而且观感明显,媒体宣传效果好,因此均匀性在我国LED照明工程设计中往往被过分强调。大多数示范工程在均匀性方面都超过规定标准,并视作最为突出的一项指标。为此,采用超低的距高比大大增加了建设和运行成本。但这种新建的华而不实明亮的工程,不足以成为LED道路照明推广应用的样板,最终成为反面教材。

  对LED眩光问题的新认识

  LED道路照明应用最受诟病的指标就是新灯具所产生的弦光。很多阈值增量TI达标的LED照明设计,仍然令人感觉到有明显的不适甚至接近失能的眩光。

  这是由于与传统灯具用大面积的反射罩来实现不同,LED灯具都是采用直接投射。发光光源视在面积小,每平方米上万cd表面亮度,超出普通灯具的千百倍。而肉眼的高分辨率使LED光源可以在局部的网膜细胞上直接产生强烈剌激而不只是光幕复盖。基于光幕理论而设定的阈值增量标准TI和空间极低分辨率的测量方法是完全无法区分这种视觉差异的。

  对于这种高亮度的光源,目前公认只能通过截光方法来解决,而不能用传统的阈值增量TI 指标来判断。但理论上任何对弦光控制的方法多少都要以损失效率为代价。这是对未来的LED道路照明技术的一项挑战。

  美国民众对环境的舒适性比较重视,出于提高目标能见度和避免扰民的目的,美国路灯设置对眩光的控制要求比较严格,甚至达到一票裁决的高度。

  中国目前仍然沿用阈值增量TI,即便对不能完全反映LED问题的TI指标.而且在系统评估时眩光也只放不太重要的地位。例如在全面推广LED道路照明的广东省,眩光TI指标只佔标杆指标权重的5%。

  放松对LED灯具眩光缺点的要求,一味追求灯具效率充许大量设计水平低的产品进入市场,这可能是出于认识水平和对现有产业状况的无奈宽容。如不引起足够的重视,及时纠正,则不利于未来的应用推广和市场竞争。

  LED道路照明的可控性

  与传统光源相比,LED光源另一个重要优势是光输出的可控性。未来的道路照明可以根据日照,车流情况实现自适应照明水平调节。这可以再减少额外能源消耗20%至30%。不但降低运行成本,还延长了灯具的使用寿命,大幅度提高路灯工程投入的经济回报率。

  美国的道路照明电路大都是从电网直接接入,不另设供电网络,路灯的控制普遍采用日照自动控制开关。鉴于未来LED路灯产品可以进行调光控制,现代的数字通讯技术可以提供远程控制的手段。2013年4月,美国LED道路照明联盟发布了关于道路照明灯的自适应和远程控制的标准,为今后新型LED路灯产品和系统的设置建立了一个基础。

  中国的路灯系统大都有独立的供电网络,因此实现控制比美国简单,市场上已经有多种方案可供选择。应该尽快总结经验,根据国情建立自己优化的标准系统,引导未来技术方向。避免在市场竞争下形成的多元化,对未来发展带来新的困局。

  对LED道路照明达成的基本共识

  采用用LED路灯,运行电耗大约可以节省40 %到60%。

  目前的LED光输出可以满足支干道以下道路照明的要求。

  质量控制良好的LED路灯,其光衰、寿命、可靠性和年失效率至少可以满足为期7年的合理回报要求。

  LED的可控特性可以更进一步给节省能耗,延长产品寿命带来20-30%的改善空间。

  LED光源提供的灯具光分布设计的机动性为道路照明的性能和节能效果的改善提供了新机会,但也给现有标准与规范带来了迫切的研究新课题。

  加强LED道路照明的信息交流,建立推广的稳固基础

  在DOE的支持下,美国在2010年5月成立了LED市政道路照明联盟,给各个试用城市和相关专业部门提供一个交流平台。其目的是打破地方性的局限,减少重复性的实验投入,尽量降低新的投入风险,缩短对LED照明使用学习的周期。这对小城镇地区的推广提供经验具有特别的意义。联盟及时总结交流,统一项目评估的标准,提供一致的软件手段。协助市政部门的决策和鼓励方针的制定。交流LED照明产品性能和价格信息,并经过实践对产品改进和标准完善提出建议,反映了以使用者为主导的应用推广模式。

  中国LED照明推广应用,形成了中央号召,地方响应的指导模式。除了一些简短的会议交流,缺少常设专业的交流机构平台,项目检查总结主要由行政指导安排。地方的标准和政策有时会受到上游生产企业和地方经济目标的局限,出现上游指导下游的现象。上游热下游冷现状不利于我国LED道路照明事业的发展,最终也会损害行业发展的整体和长远利益。这只能通过增加真实的信息经验交流,建立上游服从于下游的正确方向,帮助和促进应用部门的内在积极性,成为推广应用的原动力,我国的LED道路照明事业才能稳步发展,领先世界,实现中国成为照明强国的梦想。

 

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