LED路灯取代传统照明的可行性评估与测量结果 - 全文

　　随着LED的发光效率与寿命提升，加上具备省电、节能以及环保的优势，LED在路灯的应用上取代传统灯饰照明的可行性大为提升。在LED技术快速成长、产品特性不断改良下，LED路灯的示范计划遂在各国展开，透过LED路灯示范计划的评估与分析，提供各国政府与LED厂商在未来路灯市场的投入应用上作一参考。

　　LED路灯示范性计划-美国加州奥克兰市

　　以美国能源局在加州奥克兰市进行的LED路灯示范性计划评估为例，该项目采两阶段评估过程进行，其一阶段研究小组先选择奥克兰市的停车场做了装置前与装置后的测量，目的在于评估LED照明在一般街道上实际部署时是否可能产生安全上的负面影响；确认装置后对当地民众无特殊负面影响后，其二阶段进行方式为在实际道路进行装置与评估，并通过当地居民调查满意度、接受程度以及经济成本的估算。

　　本计划是一个LED在路灯应用上的照明效果评估，通过LED灯取代原有的高压钠灯在奥克兰市的车用道路上进行研究。评估方式采用四个项目进行评估，包含光源输出效率、能源与电力的使用、用户满意度调查与经济成本预估。此评估项目通过能源的节省、需求的减少、市场潜力、市场进入障碍、逐渐增加的成本以及预期的技术生命周期等信息，期望加州地区能够更快速的导入尚未采用的新兴能源技术与应用。

　　本评估计划的目的在于评估高压钠灯相较于LED灯的电力、光源效率以及经济表现。潜在经济需求与能源节省以平均使用瓦特数及预估年使用千瓦数做评估；光源表现以照度、均匀度、相关色温以及相关团体的满意程度来考虑，最后，经济表现以装置换新或置换的回收期（simple-payback）、灯具的寿命、维护成本与电力成本来做评估。

　　相比传统照明光源，由于LED在光源分散与节能方面提供更好的照明能力，同时改变了一般业界对于高质量光源使用上的认知，也应用在街道与一般车行道路上。当前街道采用高压钠灯来做照明，另外有些是采用金属卤化物、低压钠灯或其它种类供照明使用。高压钠灯的使用是由于其较长的使用寿命、相较于其它传统灯具的较高效率，可是在色彩的提供上较少选择性.LED比高压钠灯有更长的使用寿命，较低的维护费用、多种类的色彩提供、耗用能源较低且能节省费用。然而，使用LED的初始成本仍高于一般常用的灯光来源。

　　根据美国能源局的报告显示，当前LED技术的改变相当快速，整体而言，LED每年的发光效率进步约35%，成本可因而降低20%。

　　计划实施地点与评估方式

　　此LED路灯示范计划是在奥克兰市的Sextus与Tunis两条道路上，以15盏78瓦特的LED灯取代原本121瓦特的高压钠灯（HPS），为便于比较与对照，在Sextus路东侧装设全新的高压钠灯，西侧装设LED路灯；Tunis路上全部装设LED路灯，而邻近的Cairo路上全部装设新的高压钠灯。所有灯具皆装设在高于路面28.5英尺处，杆距为110，120或160英尺。

　　研究结果发现，每盏LED路灯使用的平均电力为77.7瓦特，相比高压钠灯HPS的平均电力121瓦特省下了约35%的电力，以一年4100小时的运作时间计算，预计一年可以省下178千瓦小时。

　　在每一阶段的LED评估测试进行前，会有一个前测作业，所有的测试皆在黄昏后进行，其一盏照明灯具与其二盏照明灯具间距离为110英尺，其二盏与其三盏之间距离为165英尺，最后其三盏与其四盏路灯之间距离为120英尺。就合理情况而言，灯具的照明均匀度应相同，但实际进行设置与评估时，路灯于交叉路口设置时无法完全设在一码内的距离，从北到南距离为12英尺，由路街道宽度调整至10英尺。

　　本评估项目测量方式与国际道路照明规范（IESNA）路灯设置测量的方式有些微差异，国际道路照明规范建议测量位置应在光源正下方各距离一半方格的范围，本研究测量范围为在光源正下方直接以及两光源间的中心点位置进行测量，在测试范围内预测照度的最大值及最小值，并记录高压钠灯与LED灯均匀度的差异程度。而传感器建议装设位置应在离地面6英尺处。研究小组考虑过去的测量经验与建议，将测量位置订在18英尺处，此为三脚架与传感器结合时可达最低高度。

　　测量过程中同时包含温度的测量，采用电子温度计每隔20分钟对高压钠灯与LED灯分别进行测量；此外，在测量LED灯具的夜晚，每隔30秒采用HOBO仪器U12数据记录器取得相对湿度与其它温度测量。而有关于LED灯与高压钠灯的相关测量信息，包括各种角度的照片摄影，功率、照度、色温与环境温度共四项测量项目。

　　有关耗电量的测量，采用DENTELite数据记录器对单一的高压钠灯与LED灯进行测量，由于测试项目历时一段期间，测量仪器必须设置在离地面难以被人们直接接触的高度位置，研究项目人员倚赖奥克兰市的路灯维护小组协助装设与卸除测量设备，而测量期间并无功率消耗情形产生而造成的特殊差异存在。

　　测量结果分析

　　1.电力需求与能源消耗的差异

　　高压钠灯如以每日使用11.97小时计，平均消耗电量为121W，在年使用时数4100小时计算的条件下，年消耗电量总数为496kWh；LED灯如以每日使用12.75小时计，平均消耗电量为78W，同样以年使用时数4100小时计算，预计年消耗电量为319kWh。比较两种测量结果可以得知，采用LED灯可以省下43.3W的耗用电量，预计每年可以省下178kWh。每日灯具使用时间在日出与日落之间，因研究测量期间针对LED灯的测试较接近冬天，故平均LED灯日使用时数较高压钠灯稍长。

　　2.照度测量结果

　　照度的测量范围为395英尺乘以36英尺大小的区域，包含4种不同位置，各距离110、120及165英尺远，由于路灯设置位置因素，无法直接在灯具的正下方进行照度的测量，但在整体研究上面影响的误差并不太大，照度平均值采用尺烛光为计算单位，测量灯具最大照度与最小照度，并根据最大与最小照度计算最大/最小均匀度。

　　根据测量结果可以得知，整体而言，LED灯的照度皆与高压钠灯为相同等级或是较高压纳灯来得更高。另外，由于LED灯在固定装置正下方直接测量照度微暗于高压钠灯，故LED灯具的均匀度较为良好。在光线较暗的条件下，相比高压钠灯而言，LED路灯的照度能够维持在同样照度水平下或有所增加。

　　3.LED寿命与光衰程度

　　高压钠灯的寿命约为三万小时，且在其三万小时使用时，高压钠灯预期可提供原始光通量的75-85%；而LED灯在环境温度为25°C或更低时，于其三万小时使用时，仍可提供90%的光通量。由于LED灯具底部的表面为丙烯酸的合成树脂，光通量也会随着底部变黄有所影响，以当地气候条件来看，经过十年的使用时间后，可能会因为灯具底部变色而有2%的影响程度。

　　LED路灯在照明应用上节能的潜力相当大，从这个示范计划评估结果可以得知，LED路灯的设置对于当地居民不论是在可视程度以及夜间安全上都有相当正面的影响。然而，当前LED的初始成本费用高昂，经济效益以及可回收周期仍是相关单位及厂商相当重视的一个主要问题，即使LED这一新兴技术在当前提倡环保节能的趋势上逐渐受到多数厂商的接受，未来仍需要政府部门更多的经费关注，补助地方进行示范性计划与评估，并降低厂商的初始投资成本，方能让LED在未来的路灯市场更有发挥的展望与成长空间。可喜的是，当前中国LED路灯正在政府工程的带动下，如“十城万盏”计划，以及奥运会/世博会/大运会的示范，正迸发出前所未有的发展商机，不过在此火暴背景下我们也注意到出现厂商“一窝蜂”抢进该市场的现象，产品质量参差不齐，忽视技术研发，过度冒进导致在实际应用中问题频出，反而导致用户对LED灯源的质疑，例如近期光电新闻网编辑得到的消息，深圳最近正在科技园某路对LED路灯进行评估，由于是开放式测试，任何厂商都可以参与，不过在短短一个月内已经有企业提供的LED路灯出现“死灯”现象，部分程度影响了用户对LED灯具的信心。因此，加强技术研发和储备，提高产品可靠性和稳定度将是影响未来LED路灯能否真正普及的重要因素。