发光二极管（LED）街道照明示范评估

发光二极管（LED）街道照明示范评估

执行摘要

本报告总结了一个LED路灯评估项目，该项目旨在研究LED灯具在路灯应用中的适用性。在两个阶段中的第一阶段，项目团队在奥克兰市拥有的停车场进行了安装前和安装后的测量，以评估在公共街道上安装LED灯具对安全产生任何负面影响的可能性。由于没有发现重大问题，该项目进入第二阶段，涉及在实际公共道路上安装。对所有街道进行了定量和定性的光和电功率测量，并通过居民调查估计了经济成本和定性满意度。本报告记录了第二阶段的成果1。

在该项目的第二阶段，15个78瓦的LED灯具取代了奥克兰居民区Empire Rd和Coral Rd之间Sextus和Tunis道路上相同数量的121瓦高压钠（HPS）灯具（标称功率为100瓦）。为了进行各种比较，Sextus Rdwas在东半部使用新的HPS灯具照明，在西半部使用LED灯具照明，突尼斯路仅使用LED灯具照亮，而邻近的开罗Rdwas则完全重新使用新的HP灯具照明。所有灯具的高度均高于路面28.5’，灯具之间的间距约为110’、120’或165’。

研究的测量结果见下表ES-1。计量LED灯具的平均功率为77.7瓦，比计量HPS灯具低约35%（43.3瓦）。据估计，每年运行4100小时，每更换一个灯具，每年可节省约178千瓦时的电力。

HPS和LED灯具下的测量照度水平如表ES-2所示。

HPS灯具的照明分布通常会过度照明灯具正下方的区域（产生“热点”），以便在更远的地方保持最低水平。这种差异在表中列出的HPS测量值中表现得很明显。因此，在LED照明器下测量的较低平均照度水平并不表示较差的光性能；LED照明器在所有间距上保持最小光水平同时与HPS相比显著降低均匀性比率（即增加总体均匀性）。更大的均匀性意味着总体照明水平可以从HPS所需的水平降低，以实现显著的节能。当HPS灯是新的时，这一点更加明显，因为它们需要考虑其寿命过程中的流明折旧或输出减少。照明指南必须考虑即使在光源的最坏点（即其寿命结束）也要保持最低照明水平；因此当HPS灯是新鲜的时，过度照明的问题是最大的。与传统光源相比，LED在其使用寿命内具有低得多的流明衰减曲线，因此大大减少了对初始过度照明的需求。

由于这些LED灯具的使用寿命尚未得到证实，因此经济性和可靠性声明基于制造商和DOE报告中的可用信息。该特定案例研究中的回收期如图ES-1所示，使用了不同的假设维护场景。在这项特别的研究中，在新的建筑场景中安装LED灯具的估计增量成本约为500美元。经济绩效部分提供了详细的经济分析。

图ES-1：LED灯具的预计回报

虽然该评估的结果估计，在当前条件下，这种特定的LED路灯产品的回收期相对较长，但回收期对安装特定的维护成本和电气成本很敏感。此外，其他性能属性与运营成本节约相结合，可以接受更长的回收期。这些可能包括能见度提高带来的各种好处，如报告中记录居民对新LED照明的反馈的客户接受部分所示。

LED灯具的商业可行性取决于许多因素。其中最重要的两个是灯具的功效和初始成本，LED技术在这两个方面都在迅速发展。随着规模经济的实现和制造业竞争的加剧，消费者的产品成本也有望降低。这两个方面都是通过销售现有产品来鼓励的。在短期内降低消费者成本的方法将有助于促进销售，因此建议有兴趣加快利用这一快速发展的技术实现潜在节能的组织使用。

LED路灯的节能潜力非常大。据估计，PG&E服务区域的道路照明每年使用860 GWh的电力，其中很大一部分是由类似于此处研究的眼镜蛇头灯具构成的。与之前的灯具相比，本研究中使用的LED灯具减少了超过1/3的能量。随着LED技术的进步和效率的提高，这些节省也可能会提高。

项目背景

项目概况

LED街道照明评估项目研究了发光二极管（LED）灯具在现有街道灯杆上的适用性。在奥克兰的一条街道上，高压钠灯被新的LED灯取代。该技术的适用性由光输出、能源和电力使用、经济因素和质量满意度决定。LED路灯评估项目是作为太平洋天然气和电力公司新兴技术计划的一部分进行的。新兴技术计划“是一个仅限信息的计划，旨在加快引入加利福尼亚州未广泛应用的创新节能技术、应用程序和分析工具……[这些]信息包括经验证的节能和需求减少、市场潜力和市场壁垒、增加成本以及技术的预期寿命。”

技术概述

在进行此评估时，LED开始安装在户外环境中，因为与传统光源相比，灯具能够提供更大的光散射控制和更大的维护节省，并且改变了行业对更高质量的室外照明的看法。一个相应的应用是街道和道路灯具。目前，街道用高压钠照明，而不太常见的是金属卤化物、低压钠或其他灯。HPS灯的使用主要是因为它们的额定寿命长，与其他传统选项相比效率高，但色彩再现性低。LED具有比HPS更长的寿命、减少维护、高色彩再现和降低操作成本（包括更低的能耗）的潜力。然而，目前LED的初始成本远高于传统光源。

美国能源部报告称，这项技术正在快速变化。总体而言，LED灯具的性能以每年约35%的速度提高，成本以每年20%的速度下降。

项目目标

该项目的目标是检查与LED灯具相比，光头HPS灯具的电气、照明和经济性能。潜在的电力需求和能源节约是根据平均瓦数和估计的年千瓦时使用量来衡量的。照明性能是根据照度、均匀性、相关色温（开尔文）以及相关方的满意度和关注度来衡量的。最后，经济性能被计算为在新的安装或更换场景中替换的简单回报，考虑到灯的寿命、维护成本和电气成本。

方法论

主机站点信息

在加利福尼亚州奥克兰的奥克兰国际机场，帝国路和珊瑚路之间的Sextus和突尼斯公路上安装了15个LED灯具。为了进行各种比较，Sextus Rd在东半部使用新的HPS灯具照明，在西半部使用LED灯具照明，Tunis Rd仅使用LED灯具照亮，而相邻的Cairo Rd则完全重新使用新的HP灯具照明。TunisRoad上的预安装路灯是高压钠眼镜蛇头灯具。这是一个住宅区，所有灯具的高度都高于路面约28.5’，灯具之间的间距约为110’、120’或165’。

在每次HPS和LED实地考察中收集的信息如下：

1.现场照片

2.功率、照明、相关色温和环境温度读数

本监测计划执行过程中使用的以下监测设备来自太平洋能源中心：

照度计

带有光电探测器（PMA2130）和Scotopic探测（PMA2131）的太阳光SnP计（PMA220），上次校准于2007年10月

相关色温计

柯尼卡美能达色度计，型号CL-200，上次校准10/2007

功率计

Dent ElitePro数据记录器，上次校准时间为2007年4月

环境温度

数字温度计（GE61290DWT）Hobo Instruments U12数据记录器，上次校准未知

项目结果和讨论

电力需求和节能

使用DENT ElitePro数据记录器记录单个HPS灯具和单个LED灯具的功率数据。HPS测量是在2007年8月10日至2007年10月10日的三个晚上进行的。该HPS灯具随后被替换为LED灯具，该灯具在2007年10月17日至2007年10日的13个晚上进行了测量。

由于电表要放置几天，所以它必须安装在离地面够不到的高度。因此，监测小组依靠奥克兰市及其路灯维护人员来安装和拆除电表。LED和HPS灯具的计量天数是可以安装和拆除数据表的时间的乘积。在测量期间，功耗没有发生显著变化。

HPS灯具在平均每天11.97小时的时间内平均消耗每个灯具121瓦。因此，假设每年运行4100小时，灯具的估计年功耗为496千瓦时。

在平均每天12.75小时的时间里，LED灯具平均每个灯具消耗78瓦。因此，假设每年运行4100小时，灯具的估计年功耗为319千瓦时。

两种灯具类型之间的工作时间变化是由开关周期的光电管调节引起的。对运行时间的主要影响是日落和日出之间的时间；由于LED灯具的监测时间比HPS灯具更接近冬至，因此运行时间略长。

照明性能

照度

在395’x 36’网格上，在包含4个不同灯具的区域内，以110’、120’和165’的间距进行了15次照相和暗光照度测量。

应注意的是，由于测试区域的布局和灯具臂的方向，测量不一定直接在灯具下方进行。

然而，任何偏差都被认为是小到足以对整体分析产生最小影响的程度。此外，由于监测的现场性质，一些测量位置受到阻碍。在可能的情况下，这些位置的数据估计与网格上等效位置的数据相同。为了便于使用，计算每个灯具间距以及整个测试区域的平均照度水平，并将其转换为英尺烛光。18然后使用这些平均照度水平以及最大和最小测量值来计算平均和最大与最小均匀度比。在165’间距的中间有一个部分，其中明视和暗视照度值都低于仪表的灵敏度。因此，无法计算出165’间距区域以及整个测试区域的精确均匀性比率。相反，使用仪表可检测到的最低水平的最小照度（0.5勒克斯）来计算这些区域的最小可能均匀度比。然后可以说实际的均匀性比率大于这个值。应该注意的是，使用LED灯具时，仪表指示零测量的位置数量较少。

与HPS照明器相比，LED照明器在所有间距上保持相同或更高的最小光照水平，并降低了均匀性比率（增加了整体均匀性）。然而，LED灯具的平均照度降低可能并不表示性能降低。这是因为LED灯具比直接位于固定装置下方的HPS灯具更暗，从而使LED灯具具有更好的均匀性。

与HPS灯具相比，LED灯具在所有空间内保持或提高了最低照度水平。在110’以外的间距中，LED灯具的均匀性比率有所增加，而110’的间距有所减少。在所有空间中，LED灯具的平均暗光照度水平也有所提高。

使用Microsoft Excel生成测量的明视和暗视照度水平的表面图，如下所示：

流明维持

LED制造商声称，与传统光源相比，LED流明折旧最小。本研究中使用的LED制造商提供了下表，对应于他们对其产品在各种环境温度下的流明维持率的估计。然而，应该注意的是，由于预期的年平均夜间温度低于25摄氏度，并且没有类似的灯具运行超过100000小时（近25年，每年4100小时），因此没有独立的数据来证实这些估计。2008年1月，北美照明工程学会（IESNA）计划公布流明折旧测试标准，该标准将允许测量流明维护性能。

图5:LED流明维护曲线

该评估中使用的HPS灯是标称额定功率为100瓦的灯。制造商提供了以下管腔维护图。图中的阴影区域表示在制造商的HPS系列中发现的流明维持范围。它是根据该公司HPS系列产品的平均功率（灯泡瓦数）计算的。

图6:HPS流明维持曲线

该高压钠灯的额定寿命为30000小时。在30000小时时，预计HPS灯将提供初始流明的75-85%。如果制造商的预测是正确的，并且环境条件平均为25°C或更低，那么LED灯具此时仍将提供90%以上的初始流明。

由于LED灯具的底面是丙烯酸树脂，因此该树脂的发黄也会影响流明维护。Ruud Lighting使用的Cyro Acrylite树脂预计会出现相对较小的泛黄。在与亚利桑那州类似的气候条件下，十年后，透射率（通过树脂的入射光的比例）将下降约2%。

相关色温

使用柯尼卡美能达色度计在每种类型的3个样品灯具下测量颜色测量值；LED和HPS。对于LED灯具，直接测量相关色温。对于HPS灯具，色度计无法计算相关色温，因此测量三刺激值，然后将其转换为相关色温。LED灯具的平均相关色温为6255K。HPS灯具的平均值为1991K。由于在安装LED灯具之前难以获得色度计，因此没有在用于照度测量的灯具下进行HPS色温测量。

为了定性地分析颜色表现，拍摄了每种灯具类型的照片。它们是用尼康D80数码相机拍摄的，每张照片的白平衡也从最初的4000k调整到4200k。该值被选择为HPS灯（1900k）和LED（6500K）的色温的文献值的平均值。

每张照片的相机设置相同：

Flash：没有

焦距：18毫米

F编号：F/6.3

曝光时间：5秒。

白平衡：4000k（调整为4200k）

每种灯具类型的两张照片如下所示：

客户接受度

太平洋西北国家实验室管理了该评估的客户意见调查。一家名为Fairbank，Maslin，Maullin&Associates的民意调查公司通过电话与该社区的居民联系，并获得他们对新灯光的反馈。街道上有新路灯的49户家庭和附近其他地方的106户家庭的电话号码都已获得。在11月30日至12月19日期间，共有60户家庭尝试联系。

问居民的第一个问题是，他们是否真的注意到了街道照明的变化。这个问题的“否”意味着跳过除年龄和性别的最终统计问题之外的大部分其他问题。最终，只有16个直接在灯光下的街道上的住宅和附近其他地方的4个住宅报告注意到了新的灯光。因此，以下结果仅限于20个答复；这个数字足以记录任何压倒性的趋势，但不足以对更大的人口进行任何统计推断。

总的来说，20名受访者中有17人认为，新路灯至少与旧路灯一样好（即，要么不喜欢，要么直接喜欢新路灯），如果不是明显更好的话。见下表6。

表6：新路灯或旧路灯的首选项

所有注意到新路灯的受访者都认为，新路灯至少保持或改善了他们社区的整体外观、夜间安全和夜间能见度。见表7。

表7：新路灯对社区的影响

在关于能见度不同方面的三个问题（驾驶员的能见度、行人的能见度和夜间对人的识别）中，受访者表示新路灯有所改进。14名受访者表示，新路灯大大提高了他们驾驶时的道路能见度，13名受访者表示新路灯大大改善了他们作为行人的视觉能力。此外，13人表示，新的街灯使人们在晚上更容易识别人。鉴于街灯的主要目标是提高夜间能见度，这些结果与受访者对新型街灯的总体偏好一致。

在注意到新街灯的受访者中，对街灯有效性的其他主观衡量标准——眩光、亮度和阴影产生——的看法更为不同。虽然人们对新街灯对能见度和整个社区的影响持更加一致的积极态度，但对于潜在的次要影响，人们的看法则有点混合。10名受访者认为新路灯减少了眩光，而7名受访者没有注意到眩光的变化；3名受访者表示，新的街灯会产生更多的眩光。关于阴影产生的问题，结果有些相似，12名受访者没有表示新街灯在阴影产生方面有任何变化，这表明旧街灯可能不会产生阴影。

尽管样本量较小，不允许得出太多具体的统计结论，但绝大多数受访者都表示强烈且一致地倾向于新的街灯。这在很大程度上似乎归因于驾驶员和行人能见度的提高，以及新路灯对社区整体外观和夜间安全的几个方面的总体积极影响。这与那些喜欢新街灯的人的开放式反应是一致的；其中一半的人表示，他们表达的偏好是基于能见度的提高。

讨论

LED灯具在保持或提高照明性能的同时，为户外照明提供潜在的节能效果。这项特殊研究中使用的LED灯具的功率均比其更换的121瓦HPS灯具（标称功率为100瓦的灯具）低43瓦，节省了约36%的电力。如果PG&E服务区域内道路照明的估计用电量的1/2也能实现同样的节约，那么由此产生的节约将超过150 GWh。

根据额定平均灯流明（8550流明）、眼镜蛇头向下平均效率（85%28）和测量功率使用量（121瓦），本研究中使用的HPS灯具的估计维持效率约为每瓦60流明。虽然本研究中使用的LED灯具的效率为每瓦57.5流明，略低于HPS灯具，但它们提高了照明质量，从而可以在减少（光）流明输出的情况下实现足够的照明性能，从而减少功率。随着LED变得更加有效，还存在进一步节约的潜力。此外，LED光源的使用将允许先进的操作程序，如根据规定的条件进行双级操作或调光。

LED灯具提供了足够的照明，以满足奥克兰市的街道照明要求，并被证明是100瓦HPS灯具的可行替代品。奥克兰市的新住宅设施标准要求平均光照度大于0.4英尺烛光，最大与最小均匀度之比小于6:1。除了最大间距的均匀度外，LED灯具通常都符合这些标准。应该注意的是，这些标准适用于新的住宅安装，可能与安装电线杆时适用的标准不同。

虽然LED灯具的平均光照度有所下降，但这并不一定意味着光性能较差。这是因为HPS灯具的照明分布表明，它们必须过度照明正下方的区域（产生“热点”），以便在更远的地方保持最低水平。事实上，与HPS灯具相比，LED灯具在所有间距上都保持了最小的光照水平，同时降低了均匀性比率（即提高了整体均匀性）。

人类对光的感知遵循两条不同的光谱响应曲线，这取决于光的水平。在典型的白天条件下占主导地位的光谱响应曲线是光视觉响应曲线，它是由人眼的“视锥”产生的。在极低的光照条件下，感知遵循暗视反应曲线，相比之下，这是由人眼中的“杆”产生的。暗视响应曲线的峰值光谱发光效率（在507纳米处为1700流明/瓦）显著大于明视响应曲线（在555纳米处为683流明/瓦特）。

传统上，光水平仅根据光致响应曲线来测量。然而，近年来，由于人眼能够更清楚地感知来自具有增强的暗光质量的光源的物体，特别是在夜间，人们对暗光的兴趣越来越大。在本研究中，根据明视和暗视光谱响应曲线测量光照水平，得出两组值：“明视照度”和“暗视照度”。

在低光照水平下，暗视照度和明视照度的相对重要性尚不确定。29然而，可以合理地假设，如果在增加暗视照度的同时保持明视照度，则会产生更好的照明性能。在这项研究中，如上所述，保持了最小的微光照水平，并保持或增加了暗光照度水平。

尽管节省了电力，但LED路灯灯具目前高昂的前期成本可能会阻碍其目前的采用。在为新电杆选择HPS或LED灯具时，在这项特定研究中，LED灯具的简单回报期约为15年。在客户可以选择用新的LED灯具取代完全运行的HPS灯具的情况下，简单的回报期约为26年。为了满足2年或更短的简单回报，在新的施工方案中，LED灯具的成本需要在250美元左右（不包括安装成本，假设LED和HPS灯具的安装成本相同）。为了满足5年或更短的简单回收期，LED灯具的成本需要接近350美元。由于在给定的改造方案中的安装成本，LED灯具很难满足2年的简单投资回收期，并且价格必须低于100美元才能满足5年的简单回报。

然而，如前所述，这些简单的回报对特定情况下相关的维护成本很敏感。HPS灯具的成组更换程序有可能通过在故障前稍微更换灯具来降低维护成本，因为最大的维护费用是人工费用。这将导致LED灯具的不太有利的比较经济性能。此外，随着LED效率的快速提高和半导体成本的降低，未来任何LED灯具安装的回报率都有望提高。各种激励计划也可以帮助消费者更快地将价格降到这个水平。

PG&E利用这一评估和其他新兴技术评估来支持制定新兴节能解决方案的潜在激励措施。由于LED灯具的性能和质量对长期节能至关重要，因此激励计划包括质量控制机制非常重要。激励计划应包括合格产品的性能标准，包括保修、功效、配光和其他重要标准的最低标准。

结论

LED路灯具有巨大的节能潜力。虽然该演示为LED灯具的性能改进提供了进一步的证据，但该演示的成本和节约细节表明，经济性仍处于大多数商业客户可接受的范围之外。LED灯具的性能，加上行业对其比高压钠灯更高性能的日益认可，可能会为早期采用者提供投资新兴技术的动力。公用事业公司或政府的激励计划也可以通过减少初始投资，帮助将LED灯具更多地用于街灯应用。这些公用事业激励计划应要求合格产品的最低性能标准，以确保长期节能。