城市道路照明采用LED燈與傳統高壓鈉燈方案的比較分析

摘要：按照我國“十二五”節能減排的要求，城市道路照明逐漸由高效節能的LED燈取代傳統的高壓鈉燈，節約能源以實現我國可持續發展的要求。作為城市道路照明，傳統的高壓鈉燈已經有幾十年的歷史，各類技術工藝相對成熟，而新生代照明產品的LED燈，具有耗電量小、壽命長、響應速度快等特點，是引起照明革命和傳統照明產業升級換代的新一代光源。特別是在現在節能減排、保護環境成為主題的今天，半導體照明更是成為新的經濟增長點，因而受到各國政府與產業界的高度重視。經過幾年的實驗使用效果，特別是在廣東省人民政府發布了《印發廣東省推廣使用LED照明產品實施方案的通知》后，廣東省所有公共照明推廣使用LED燈，隨著LED照明技術的不斷創新，實驗數據告訴我們，城市道路照明采用LED燈要比傳統高壓鈉燈更節能。本文就城市道路采用LED燈與高壓鈉燈的方案進行比較分析。

關鍵詞：城市道路照明；高壓鈉燈；LED燈；節能減排

一、高壓鈉燈與LED燈

（一）高壓鈉燈

高壓鈉燈是一種高強度氣體放電燈。其結構從內到外由汞、鈉、氙，電弧管，電極，玻殼，消氣劑，燈頭等構成。電弧管是高壓鈉燈的關鍵部件，由具有良好的耐高溫和抗菌素鈉蒸氣腐蝕的多晶氧化鋁和陶瓷管做成。燈芯是采用金屬支架將電弧管、消氣劑環等固定在芯柱上，電弧管兩端電極分別與芯柱上2根內導絲相連接。玻殼是選用高溫的硬料玻璃制造，玻殼與燈芯的喇叭口經高溫火焰熔融封口，然后抽真空或充入惰性氣體后，再裝上燈頭整個燈泡基本成型（如圖1、圖2所示）。燈泡啟動后，電弧管兩端電極之間產生電弧，由于電弧的高溫作用使管內的鈉汞受熱蒸發成為汞蒸氣和鈉蒸氣，陰極發射的電子在向陽極運動過程中，撞擊放電物質的原子，使其獲得能量產生電離或激發，然后由激發態回復到基態；或由電離態變為激發態，再回到基態無限循環，此時，多余的能量以光輻射的形式釋放，便產生了光。

圖1 高壓鈉燈結構圖 圖2 高壓鈉燈

（二）LED燈

LED（Light-Emitting-Diode中文意思為發光二極管）是一種能夠將電能直接轉化為可見光的半導體，是一種固態的半導體器件。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由2部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P一N結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P—N結的材料決定的。LED燈見圖2。

圖3 LED燈

二、工程實例

本文以某城市道路照明變更設計為例進行比較分析。某道路設計為城市主干道，設計速度40km/h，規劃紅線寬度37m，全線長1.6km，呈南北走向。道路標準橫斷面形式如圖3所示。

圖4 道路標準橫斷面圖

原設計方案為：道路照明采用12m高低桿路燈兩側對稱布置，燈桿間隔35m左右。車行道照明選用400W高壓鈉燈，人行道照明選用100W高壓鈉燈。

變更設計方案為：道路照明采用12m高低桿路燈兩側對稱布置，燈桿間隔35m左右。車行道光源選用240W LED燈，人行道光源選用60W LED燈。

本道路照明設計變更前后路燈數量變化情況見表1。由此可得，變更后路燈數量沒有變化，燈具總功率減少了。

表1 變更前后路燈數量對比表

序號名稱規格單位數量

變更前數量：

112m高低桿路燈配套400W+100W高壓鈉燈套94

變更后數量：

112m高低桿路燈配套200W+60W高壓鈉燈套94

三、高壓鈉燈與LED燈的光效分析

以光源功率400W高壓鈉燈與240W的LED燈為例進行分析。400W高壓鈉燈初始光通量為48000lm，是360°角度發光，應用到照射方向的光很少，只有約30%，非應用方向的光只有通過設置反射板采集反射到照射方向，以提高燈具效率，約47%。實際照射面光的光通量約22500lm，400鈉燈實際功率為440W（燈具實際功率=光源功率+驅動及線路，驅動及線路損耗10%），故400W高壓鈉燈的燈具光效約51lm/W。

200W LED燈初始光通量為27000lm，因為LED是單向性發光，燈具效率較高，達到80%以上（透鏡損失小于10%，燈具損失小于10%），燈具光通量約22400lm，燈具實際功率為220W（驅動及線路損失10%），故240W LED燈的燈具光效約102lm/W。

通過計算，在路燈桿高及布置間距保持不變的情況下，400W高壓鈉燈與200W LED燈對路面產生的照度相近。

由以上分析數據可知，高壓鈉燈理論總光通量值很高，但很大一部分光沒有利用上，燈具效率低。經過對比表明，LED燈整燈光效比高壓鈉燈整燈光效高。高壓鈉燈與LED燈的光效對比見表l。

表2 LED燈和高壓鈉燈光效對比表

項目高壓鈉燈LED燈

配光設計球形發光，以反射罩曲面設計配光及反射率LED直接照射路面，光學利用率高，配光設計復雜。冷光源不會造成光學及玻璃老化問題。

光通量較大，但損失大，浪費大，主要集中于高空燈泡周圍，在地面照明區城內有效光通量則小較小，但幾乎無損失、無浪費，在照明區域內有效光通量與高壓鈉燈一樣

色溫3500K5000K

顯色指數Ra低，20～30高， 65

光譜紫外線驅動，光諧含紫外線無紫外線，不傷害皮膚

四、高壓鈉燈與LED燈的能耗比較

由光效分析對比，2種燈具按照達到相同照度（亮度）水平時，200W的LED燈整燈光效與400W的高壓鈉燈整燈光效相近。在接近的照明質量標準的前提下比較兩者的照明安裝功率，能耗對比見表2。

表3 單只高壓鈉燈與LED燈能耗對比表

高壓鈉燈LED燈能耗功率

相比（W）

燈具功率（W）能耗功率（W）燈具功率（W）能耗功率（W）

400440200220220

100110606644

五、高壓鈉燈與LED燈的壽命比較

燈具平均壽命是指一批燈具開始使用到其中一半數量死亡的時間。

LED燈具中發光二極管的發光壽命可達100000h以上，很多廠家都在提LED燈具的壽命大于多少小時。此提法不科學，LED光源的理論壽命都非常長，但一個燈具的整體壽命不僅僅是光源壽命，燈具還包括驅動、透鏡部分的影響。所以最終燈具的壽命應該以所有燈具部件中壽命部件最短為限。目前尚無國標要求，廣東省地方標準DB 44/T 609-2009 《LED路燈》規定，LED路燈的額定平均壽命不應低于30000h，實際LED燈具的壽命可達到50000 h以上。不同功率的LED燈壽命基本一樣，按30000h計算，道路照明按平均每只燈每天11h計算，則平均使用年限為7.5年。

普通高壓鈉燈在額定電壓下點燃，其平均壽命為3000～6000h，一等品平均壽命為7000～9000h。在2008年由電力出版社的《路燈》一書中，全國600多城市，在用鈉燈約為413萬盞，截至2007年底鈉燈全國平均壽命為4000h。一只400W的一等品高壓鈉燈壽命9000h，道路照明每只燈每天11h，平均使用年限為2.2年。其他型號的燈使用年限見表3。

表4 LED燈與各型號高壓鈉燈使用年限對比表

燈具類型平均壽命/h平均使用年限/h

LED燈300007.5

100W高壓鈉燈（一等品）70001.7

400 W高壓鈉燈（一等品）90002.2

經分析對比可以看出，LED燈的使用年限比高壓鈉燈的要高許多。LED光源被稱為長壽燈。固體冷光源，環氧樹脂封裝，燈體內沒有松動的部分，不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰快等缺點，使用壽命可達50000～100000h。

六、高壓鈉燈與LED燈的環保比較

高壓鈉燈的光源是電弧管內的汞蒸氣和鈉蒸氣受電子激發輻射形式釋放的，光譜含紫外線。LED燈的光源是由發光二極管（固態的半導體器件）將電能直接轉化為可見光，是一種綠色光源，光譜中沒有紫外線和紅外線，熱量低和無頻閃，無輻射，冷光源，可以安全觸摸，是一種典型的綠色照明光源。

高壓鈉燈電弧管內填充的是金屬汞、金屬鈉，與LED燈對比壽命短，后續廢品處理對環境污染大。LED燈不含上述以及歐盟ROHS環保指令禁止的有害物質，燈具內的半導體芯片，可回收再利用。

七、高壓鈉燈與LED燈的成本比較

（一）建造成本

400W高壓鈉燈價格約400元/套，100W高壓鈉燈價格約280元/套，LED燈價格按20元/W計算，變更前后燈具初期投資詳見表5和表6。

表5 高壓鈉燈照明燈具及供電電纜費用統計表

項目名稱單位數量建造費用/元

高壓鈉燈100W套9426320

高壓鈉燈400W套9437600

合計元 63920

表6 LED燈照明燈具及供電電纜費用統計表

項目名稱單位數量建造費用/元

LED 燈 60W套94112800

LED燈 200W套94376000

合計元 488800

（二）維修成本

無論高壓鈉燈還是LED燈，其接觸器、斷路器、保險器、光控設備、燈具引線、各類保險器、小型配件等都要進行日常維修，故電控設備維修、零星材料補供、燈具清潔等費用可以考慮相等。

對于光源電器設備，高壓鈉燈的燈泡、鎮流器、觸發器2年后更換非常頻繁，LED燈發光設備7.5年內基本不用更換。

根據某道路的實際情況高壓鈉燈壽命按平均9000h計算，1d亮燈時間為11h，理論計算燈泡更換周期為T=9000/（11×365）=2.2年；鎮流器理論壽命為16000h，更換周期T=16000/（11 × 365）= 4.0年；觸發器的使用壽命參照燈泡的壽命也定為2.2年。高壓鈉燈7.5年維修增加成本見表7。

表7 高壓鈉燈光源電器設備維修費用表

項目規格數量單價/元7.5年費用/萬元

高壓鈉燈100W94522.2

高壓鈉燈400W94722.3

鈉燈鎮流器100W94400.7

鈉燈鎮流器400W941202.1

觸發器通用188150.48

合計 7.78

（三）運營成本

根據不同季節道路照明開啟和關閉的時間有所不同，但開燈總時間基本相同，以每天11h進行計算。安裝高壓鈉燈1d耗電量見表8，安裝LED燈1d耗電量見表9。按7.5年統計，LED燈耗電量比高壓鈉燈節約75萬度，平均每度電費0. 88元，7.5年節約電費66萬元，詳見表10。

表8道路安裝高壓鈉燈1d耗電量統計表

燈泡名稱標稱功率/W無功損耗/W燈盞數耗電量/度

高壓鈉燈100W1001094114

高壓鈉燈400W4004094455

合計 569

表9 道路安裝LED燈1d耗電量統計表

燈泡名稱標稱功率/W無功損耗/W燈盞數耗電量/度

LED燈60W6069468

LED燈200W2002094227

合計 295

表10 高壓鈉燈與LED燈5年耗電及電費對比表

項目1d耗電量/度7.5年耗電量/度單價/（元/度）7.5年電費/萬元

高壓鈉燈56915576380.88137

LED燈2958075630.8871

量差2747500750.8866

（四）長期總費用比較

短期建造成本對比反映，高壓鈉燈的造價低，LED燈的造價高，LED燈的建造費用要比高壓鈉燈高許多，但是投人使用后長期的維修成本及運營成本反差懸殊。按7.5年運營計算，本道路LED燈的總費用要比高壓鈉燈節省31.28萬元；

按1km長道路計算，LED燈的總費用要比高壓鈉燈節省19.55萬元。

八、其他情況比較

（一）關于照明效果

（1）眩光。只要是燈具設計問題，不論是高壓鈉燈還是LED燈都會出現，這需要在燈具配光設計上進行改進，與光源本身關聯不大。

（2）顯色性。高壓鈉燈顯色性差，對物體本身色彩的還原性差，不利于對周邊環境深度進行判斷。LED燈光源顯色性好，能很好地還原物體的實際色彩，但白光偏冷。

（3）對于光線的透射性。在霧天車燈要求打開霧燈并慢行，霧燈其作用不是照明用的，只作為指示作用。對于道路照明，使用穿透性好的光源也僅僅是能仰頭看到一個黃色的光點，對道路前方的照明沒有什么實際的作用。

（4）對于照度。照度是對于照明效果判斷的重要的標準之一。因為鈉燈的配光間題，導致照度均勻度不高。

（二）啟動速度比較

高壓鈉燈啟動后，在初始階段是汞蒸氣和氮氣的低氣壓放電。這時候，燈泡工作電壓很低，電流很大；隨著放電過程的繼續進行，電弧溫度漸漸上升，汞、鈉蒸氣壓由放電管最冷端溫度所決定，當放電管冷端溫度達到穩定，放電便趨向穩定，燈泡的光通量、工作電壓、工作電流和功率也處于正常工作狀態。在正常工作條件下，整個啟動過程約需10min。LED燈是瞬間啟動，無延時。

九、結束語

綜上所述，對2種燈具的有關參數進行比較分析，得出了LED燈的光效高，光衰小，能耗低，使用壽命長，環保無污染，運營成本低，照明效果好，啟動不延時等結論，從而肯定了LED燈在道路照明領域應用的優越性。