核心提示： 中美兩國LED路燈推廣應用比較關福民前 言美國有領先世界的LED照明技術，有多年的照明節(jié)能推廣和管理經驗。
全美國有路燈5200萬
中美兩國LED路燈推廣應用比較
關福民
前 言
美國有領先世界的LED照明技術，有多年的照明節(jié)能推廣和管理經驗。全美國有路燈5200萬盞，有全世界規(guī)模最大的城市照明系統(tǒng)。50%是公路燈，50%是街燈和城市公共廣場用燈。美國能源部2009年開始，實施用LED替換現(xiàn)有路燈的計劃。通過幾年來的實踐總結，目前對LED道路照明已經形成共識，穩(wěn)步走上經濟和使用效果統(tǒng)一的資本經管的發(fā)展方向。
中國擁有全世界規(guī)模最大照明電器產品的制造能力，交通道路系統(tǒng)發(fā)展最快。全國道路照明用燈大約3500萬盞，為世界第二。2004年3月，杭州臨安市點亮的LED路燈，開創(chuàng)LED道路照明的先河。在政策的鼓勵和支持下，LED照明的推廣應用在各地經濟增長的大潮中迅猛發(fā)展，2008年半導體聯(lián)盟開始實施“十城萬盞”推動計劃，并推出 “50城200萬盞”的示范計劃。當前應用擴展的側重是在城鎮(zhèn)化建設的道路擴展配套。高速發(fā)展帶來了舉世矚目的成果，暴露出來的問題也引來了反思。
十年內，全球僅LED路燈將有超過500億美元的市場規(guī)模，當前已開始進入成長期。產品設計和應用方式日新月異，必然會突破舊模式。對比兩國不同的經驗，取長補短有助于推廣LED路燈的推廣應用，引導未來的路燈工程建設，產品發(fā)展和未來市場開拓。
兩國推廣LED道路照明行現(xiàn)狀
美國能源部門鼓勵推動下，以各地路燈經營管理機構為主，配合城市管理需求，重點著眼在舊的城市照明系統(tǒng)改造。目的是有助減少城市碳排放，降低市政開支，改善城市交通和民生管理，獲得投資收益。
從全國六個城鎮(zhèn)開始實驗。試點城鎮(zhèn)概括不同的地理位置，氣候環(huán)境，交通規(guī)模，有利于取得比較全面的經驗。在這經驗基礎上，逐年自發(fā)擴大到幾十個其它的城鎮(zhèn)。按不完全統(tǒng)計，美國目前LED路燈的推廣應用大約占到全國路燈總量的5%，預期到2020年可更換1/3，即1700萬盞。迄今為止，還沒有任何城市做到全面使用LED路燈。
洛杉磯市是美國率先執(zhí)行全國最大的LED道路照明改造計劃的城市，更換21萬盞LED路燈的50%；其次是東部的波士頓市區(qū)，已經更換65000街燈的40%，即25000盞。
道路照明規(guī)模最大的紐約市相對比較保守，宣布今年（2003）開始計劃在曼哈頓替換1600盞金鹵燈，予期3年可收回投資$1.4M，被看作為LED道燈應用的里程碑。
工業(yè)城市Chicago市，權衡效益后，決定採用投入較低的陶瓷金鹵燈來改造城市照明。
我國科技部2009年初發(fā)起“十城萬盞”示范計劃，實際推行多以地方政府為主導。較偏重于未來新的城鎮(zhèn)化建設，而不是舊道路照明的改造；也有些省市推廣的目的是為了推動當?shù)谿DP，支持地方產業(yè)爭奪市場，各地發(fā)展極不平衡。
燈具產業(yè)集中的廣東省,在支持地方產業(yè)的政策驅動下，一馬當先。目前全省累計推廣使用LED路燈近80萬盞，示范路段超過10000公里，預計2013年新安裝LED路燈超過110萬盞，將掀起新一輪的全面推廣應用的熱潮。（示范規(guī)模和建設進度領先全世界。——此句建議刪除）
道路照明規(guī)模最大和城市管理比較成熟的上海市，為確保城市道路照明的安全穩(wěn)定運行，保證推廣效益。 在LED道路照明的應用實踐中，相對穩(wěn)健。截止到2012年年底試點應用LED路燈5000多盞，僅占總擁有量的1%。
對LED道路照明推廣應用試點的評估
LED道路照明推廣應用，其成敗最終都應該落實到真正產生的效益上。直接經濟效益主要依據(jù)是更新或新設置的成本，和原來的系統(tǒng)或標準設計，在同等照明條件下實際的節(jié)電效果，產品的有效的使用壽命和可靠性，運行維修保養(yǎng)費用。其它的應用效果因素還包括居民和用戶反應，城市安全，照明效果等。
一些與道路照明無關間接的因素，例如地方GDP，城市形象，未來發(fā)展，碳排放指標等等，不應該進入效益評估體系，只能作為具體項目的決策依據(jù)。
LED道路照明的投入相對較高，但技術日新月異，產品價格不斷下降，效益成本比在不斷提高。早期的投入，成本較高，技術淘汰風險大。道路照明實際條件直接影響LED道路照明應用的效益。而優(yōu)先選擇回報周期短的試點項目，可以減少風險，取得經驗，并起到良性示范作用。
美國城市的LED道路照明推廣計劃，一般分成3至5個階段。從初始階級的小規(guī)模試用，取得產品的應用經驗和實際回報的結果；在確得到平衡回報的結果后，進入第二期擴大推廣；在確認照明改造的投入產出利益效果后，就可以完全依靠市場資金實現(xiàn)道路照明的全面改造。
美國加州的Redland市展示了值得學習的經驗。該市利用城市管理的地理信息系統(tǒng), 按照最近三年的夜間交通事故率，城市治安紀錄，夜間商業(yè)娛樂活動和居住密度設置了決策權重，再根據(jù)資金來源和經濟回報的合理安排，設計了LED城市街道照明的五個階段擴大推廣計劃，最后達到投資收益和城市管理雙贏的目標。
從開始試點城市的三年總結來看，城市之間投入回報（不計各種補貼）的差別很大?；貓笞羁斓某鞘惺?年左右，最長的不超過7年，都達到了可以接受的水平。
試點經驗表明，LED路燈推廣應首選舊道路照明的改造，新城鎮(zhèn)建造不必一次到位。舊道路照明系統(tǒng)效率低，維修成本高，但基礎設施比較完整，道路環(huán)境和交通流量資料也充分。用LED路燈進行照明改造，成本較低，投資回報容易核算，風險也低。社會效應容易立竿見影，容易起到示范作用，應該是首選的目標。
新建工程是參照現(xiàn)時的高壓鈉燈或其它光源新技術在同一平臺上進行效益核算的，LED的優(yōu)勢顯著性相對差些。而且新城鎮(zhèn)的道路交通的增長要有時間過程，而LED產品日新月異，一次性高標準投入，技術淘汰風險較高，相對實效低。
LED道路照明的經濟分析
為了避免主觀因素的影響，或因缺少經驗而產生錯誤，并有利于項目間的對比總結。美國DOE（能源部）提出了一套通用核算軟件，方便大家從網上下載使用。
經濟平衡或收益分析，是以路燈購買，更換安裝費用，和等照度電費，維護保養(yǎng)費用的節(jié)省之間的直接補償來計算。不考慮任何間接或潛在收益，例如環(huán)境改善，控制方式改善，地方GDP等。
美國道路照明系統(tǒng)的的維護費用較高，相當或甚至高于運行電費。由于LED路燈的壽命可靠性優(yōu)勢，節(jié)省維保費用在經濟回報核算中的貢獻，使LED照明效益明顯，易于應用推廣。美國試驗表明，用LED路燈改造道路照明的回報周期為2至7年，已經具備了經濟投資的價值。
我國的LED道路照明立項過程和對工程后繼的經濟核算重視不夠，很少將回報周期作為主要評估指標。經常是用設計指標來代替實際效果核算，因而容易受主觀因素影響產生效益高估。由于我國的勞動力相對低廉,采用LED照明所節(jié)省的維護費用貢獻不顯著，LED照明改造的經濟回報主要依賴運行電費的節(jié)省，所以回報周期相對美國要長得多，因此對產品的壽命可靠性要求高于美國。加上當前產品質量，壽命可靠性，示范設計標準過高，工程產品成本過高等原因。大多數(shù)項目難以在產品壽命期間做到成本回收。因此目前要依賴于政策補貼，尚不具備真正社會投資價值。
兩國對高速公路LED照明的看法不同
夜間高速駕駛的安全主要依靠的是對前方目標的能見度，或者說是前方目前的垂直照度。目前的道路照明燈具主要是提供路面的水平照度和路面亮度。因此路燈的作用很有限。而且目前的LED輸出功率尚不足以滿足城市主干道的路面照度要求，更不用說高速公路。
美國高速公路只在道路更變、交會處設置照明，以起到提醒減速慢行，幫助看清道路的作用。
我國不少地方在新建或改建高速道路時都設置了LED路燈，特別是內地或中小城鎮(zhèn)，出現(xiàn)很多盲目追求豪華的超標準設計。完全忽視環(huán)保節(jié)能，投資回報和使用效果幾個基本原則。這類以宣示城市發(fā)展或拉動地方GDP為目的的工程，不應該成為推廣LED道路照明應用的樣板，避免中小城市的仿效。
關于照明效益的計算
LED道路照明的效率有不同的計算方法。但主是由燈具特性的工程安裝設計兩大因素構成。由于LED燈具的光學設計不同，照向路面的照明效率差異很大。因此絕不能用光源或燈具光效來計算比較不同燈具的節(jié)能效益。
比較普遍接受的方法是在路面上產生同等的平均照度條件下，燈具的輸入功率。 但如何計算平均照度實際上是十分復雜的。這一指標與燈具光分布設計和測量的采樣方案密切相關. 照明工程安裝設計還要在照度、亮度、眩光、工程造價、實際要求、標準應用等多方面平衡優(yōu)化。簡單的平均照度計算公式不能排除將局部區(qū)域的過度照明被作為最高照度進入計算而提高了計算結果。
為解決不合理的路面照度分布對照明效率計算的影響，并且便于將高壓鈉燈和不同分布的LED路燈設計的照明效率進行比較，美國LED道路照明聯(lián)盟提出了一種FTE(適合目標的照明效率)的照明效率的測算方案。該建議僅以與IES定義的均勻照明范圍相應的等效矩形目標面積來計算燈具投向該面積的光通量作為照明效率計算基礎，重疊照明或過暗區(qū)照明都不計入有效照明區(qū)。 FTP值可以從燈具IES測值和工程設計數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的公開軟件來計算結果, 這至少避免了人為造成的偏差。
經驗數(shù)據(jù)表明，LED系統(tǒng)的FTE值大都高于HPS道路照明。充分估計了LED照明可能帶來的效率優(yōu)勢，而且可以對燈具的二次光學設計提供了依據(jù)。這是一個研究道路照明效率方面值得進一步探討的課題。
LED路燈產品可靠性的管理
目前，對產品所依賴的可靠性考核，僅限于發(fā)現(xiàn)受檢產品短時間內是否存在重大設計缺陷和不可靠性，確定在同樣的應力條件下評價可靠性基本水平的優(yōu)劣，其結果不能直接用于預測產品的壽命可靠性。
對于LED路燈產品早期失效可靠性的判定，目前只能依靠對進入的產品嚴格把關。根據(jù)美國方面公布的統(tǒng)計，在接受到的有技術認證的送選產品中，大約有30%可以達到候選指標。在候選產品里，也只有1/3可以真正采納進入實際試用考核，這大約是不到10%的產品可以被接受參與試驗使用。最后經過考驗選定產品的只有2%。個別城市由于對進入產品不熟悉，對采購審查檢驗不嚴，試裝的2000盞路燈，在惡劣天氣下發(fā)現(xiàn)幾盞早期失效后全部拆卸，連同未安裝的25000個產品，全部退回供應商。案例在聯(lián)盟網上公布，引起了供應商和各城市的重視，促使改進今后的LED道路推廣工作。
中國尚未有可以反映工程質量的公共平臺，以防止劣質產品進入市場和避免重復錯誤發(fā)生。
色溫和顯色性的討論
關于LED路燈道路照明采取什么樣的色溫問題，目前還在探討中。從美國的城市街道使用經驗來看，從繁華市區(qū)和街道公共安全出發(fā)，傾向于高顯色指數(shù)的白光。有助于各種目標識別，方便人群活動。但5000K以上的色溫，不能被接受。傳統(tǒng)純居住區(qū)街區(qū)，郊外道路，偏向于較低色溫，感覺比較平安溫馨。對車輛行駛速度較高的近郊干道，主張用暖色調。初期試用安裝的LED路燈都是色溫比較高，目前正在探討色溫下調的可能性。大致范圍都是3500-5000K之間。
由于片面強調燈具的光效，我國早期安裝的LED路燈很多多采用高色溫，顯色性也低，公眾難以接受。目前在向低色溫回歸。紐約和上海兩個城市，呼吁3500K左右的夜間適宜色溫。
LED路燈的光衰
LED道路照明回報的一個最大不確定因素，就是對燈具的光衰壽命可靠性的判定。光衰是一個需要時效來驗證的參數(shù),對實際使用的燈具進行長期跟蹤驗測是不現(xiàn)實的。但由于這種困難而放棄或放松對產品光衰的要求，會使大量廉價劣質燈具靠工程驗收，混入在建工程，導致項目最終失敗。
美國對燈具光效光衰的控制方法是，只接受所選用有LM-80 和LM-79資格認證的LED元件的路燈產品。實際證明采用了符合認證資格元件的產品，至少在7年內光衰是可以接受的。我國綿陽災后重建的遼寧大道，采用優(yōu)質LED道路照明，兩年實測光衰為5.5%，與美國現(xiàn)行水平相當,高于國內平均水平。LED道路照明的嚴格要求，將促使國內LED元件更重視產品光衰指標。
對LED道路照明均勻性的要求
美國的公共照明一般是在廣場照明才強調均勻性。普通道路照明則更看重照明的提示性能，強調重點照明, 并不追求道路照明的高度均勻。城市街燈設置的距高比普遍大于我國，一般都在3以上；在非商業(yè)地區(qū)的居民街區(qū)，路面照度較低，距高比遠大3的也不少見。但是在交叉道口或者居民進出的地方，都設置增強照明，起到照明和警示雙重效果。
最新的專題研究表明，明暗起伏的道路照明更符合人類對夜間照明的自然習慣，更能提高視覺的警覺性。 均勻的照明環(huán)境反而容易產生視覺疲勞，降低警覺識別目標能力，不利于駕駛安全。 而且人為構筑過度的均勻道路照明，不但技術難度高，耗費大，照明效率低，而且眩光增加。絕對是得不償失的選擇。
我國的LED照明工程現(xiàn)狀，由于路面照度均勻度指標易于檢測，工程驗收方便，而且觀感明顯，媒體宣傳效果好，因此均勻性在我國LED照明工程設計中往往被過分強調。大多數(shù)示范工程在均勻性方面都超過規(guī)定標準，并視作最為突出的一項指標。為此，采用超低的距高比大大增加了建設和運行成本。但這種新建的華而不實明亮的工程，不足以成為LED道路照明推廣應用的樣板，最終成為反面教材。
對LED眩光問題的新認識
LED道路照明應用最受詬病的指標就是新燈具所產生的弦光。很多閾值增量TI達標的LED照明設計，仍然令人感覺到有明顯的不適甚至接近失能的眩光。
這是由于與傳統(tǒng)燈具用大面積的反射罩來實現(xiàn)不同，LED燈具都是采用直接投射。發(fā)光光源視在面積小，每平方米上萬cd表面亮度，超出普通燈具的千百倍。而肉眼的高分辨率使LED光源可以在局部的網膜細胞上直接產生強烈剌激而不只是光幕復蓋?；诠饽焕碚摱O定的閾值增量標準TI和空間極低分辨率的測量方法是完全無法區(qū)分這種視覺差異的。
對于這種高亮度的光源，目前公認只能通過截光方法來解決，而不能用傳統(tǒng)的閾值增量TI 指標來判斷。但理論上任何對弦光控制的方法多少都要以損失效率為代價。這是對未來的LED道路照明技術的一項挑戰(zhàn)。
美國民眾對環(huán)境的舒適性比較重視，出于提高目標能見度和避免擾民的目的，美國路燈設置對眩光的控制要求比較嚴格，甚至達到一票裁決的高度。
中國目前仍然沿用閾值增量TI，即便對不能完全反映LED問題的TI指標.而且在系統(tǒng)評估時眩光也只放不太重要的地位。例如在全面推廣LED道路照明的廣東省，眩光TI指標只佔標桿指標權重的5%。
放松對LED燈具眩光缺點的要求，一味追求燈具效率充許大量設計水平低的產品進入市場，這可能是出于認識水平和對現(xiàn)有產業(yè)狀況的無奈寬容。如不引起足夠的重視，及時糾正，則不利于未來的應用推廣和市場競爭。
LED道路照明的可控性
與傳統(tǒng)光源相比，LED光源另一個重要優(yōu)勢是光輸出的可控性。未來的道路照明可以根據(jù)日照，車流情況實現(xiàn)自適應照明水平調節(jié)。這可以再減少額外能源消耗20%至30%。不但降低運行成本，還延長了燈具的使用壽命，大幅度提高路燈工程投入的經濟回報率。
美國的道路照明電路大都是從電網直接接入，不另設供電網絡，路燈的控制普遍采用日照自動控制開關。鑒于未來LED路燈產品可以進行調光控制，現(xiàn)代的數(shù)字通訊技術可以提供遠程控制的手段。2013年4月，美國LED道路照明聯(lián)盟發(fā)布了關于道路照明燈的自適應和遠程控制的標準，為今后新型LED路燈產品和系統(tǒng)的設置建立了一個基礎。
中國的路燈系統(tǒng)大都有獨立的供電網絡，因此實現(xiàn)控制比美國簡單，市場上已經有多種方案可供選擇。應該盡快總結經驗，根據(jù)國情建立自己優(yōu)化的標準系統(tǒng)，引導未來技術方向。避免在市場競爭下形成的多元化，對未來發(fā)展帶來新的困局。
對LED道路照明達成的基本共識
采用用LED路燈，運行電耗大約可以節(jié)省40 %到60%。
目前的LED光輸出可以滿足支干道以下道路照明的要求。
質量控制良好的LED路燈，其光衰、壽命、可靠性和年失效率至少可以滿足為期7年的合理回報要求。
LED的可控特性可以更進一步給節(jié)省能耗，延長產品壽命帶來20-30%的改善空間。
LED光源提供的燈具光分布設計的機動性為道路照明的性能和節(jié)能效果的改善提供了新機會，但也給現(xiàn)有標準與規(guī)范帶來了迫切的研究新課題。
加強LED道路照明的信息交流，建立推廣的穩(wěn)固基礎
在DOE的支持下，美國在2010年5月成立了LED市政道路照明聯(lián)盟，給各個試用城市和相關專業(yè)部門提供一個交流平臺。其目的是打破地方性的局限，減少重復性的實驗投入，盡量降低新的投入風險，縮短對LED照明使用學習的周期。這對小城鎮(zhèn)地區(qū)的推廣提供經驗具有特別的意義。聯(lián)盟及時總結交流，統(tǒng)一項目評估的標準，提供一致的軟件手段。協(xié)助市政部門的決策和鼓勵方針的制定。交流LED照明產品性能和價格信息，并經過實踐對產品改進和標準完善提出建議，反映了以使用者為主導的應用推廣模式。
中國LED照明推廣應用，形成了中央號召，地方響應的指導模式。除了一些簡短的會議交流，缺少常設專業(yè)的交流機構平臺，項目檢查總結主要由行政指導安排。地方的標準和政策有時會受到上游生產企業(yè)和地方經濟目標的局限，出現(xiàn)上游指導下游的現(xiàn)象。上游熱下游冷現(xiàn)狀不利于我國LED道路照明事業(yè)的發(fā)展，最終也會損害行業(yè)發(fā)展的整體和長遠利益。這只能通過增加真實的信息經驗交流，建立上游服從于下游的正確方向，幫助和促進應用部門的內在積極性，成為推廣應用的原動力，我國的LED道路照明事業(yè)才能穩(wěn)步發(fā)展，領先世界，實現(xiàn)中國成為照明強國的夢想。
2013/7/12于上海
