无电极荧光灯与城市道路照明

  言:

城市道路照明所采用的光源已经历了白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯三个时代,随着无极灯(无电极荧光灯)以及LED 等作为第四代新光源的出现,依靠其具有的使用寿命长、发光效率高、维护工作量低、安全可靠性强,环保节能等优良特性,正逐渐进入城市道路照明设计者的视线中。由于城市道路照明市场的参与者已投入了较大的人力物力推动LED进入该领域,尽管目前依然存在这样那样的不足,但可以相信这仅仅是前进道路中的问题,随着技术的进步将迎来一个灿烂的明天。相对于LED,无电极荧光灯目前已具备了进入城市道路照明的节能改造的相关条件,并已在多处批量使用,均获得理想的效果。本文就以无极灯荧光灯应用于城市道路照明的相关技术进行讨论,以促进该项技术在城市道路照明的节能改造中获得应有的作用,为国家的节能减排添砖加瓦做出贡献。

 

一、无极灯原理简介

    无电极荧光灯是基于法拉第电磁感应原理,采用类似于变压器的结构,完成初级绕组(原边)与等离子体环路所形成的次级绕组(副边)之间的电功率耦合,来进行灯功率传递的一种长寿命,高光效的电光源。
  它的创新点为:无电极,去除了制约传统光源寿命的灯电极,使无极荧光灯的有效使用寿命大大延长。而无极荧光灯工作所需的电能完全通过磁场感应的方式耦合到灯泡内,使无极荧光灯内的低压汞和惰性气体的混合蒸汽电离形成等离子体,处于激发态的汞原子返回基态时,自发辐射出253.7nm的紫外线,激发灯泡内壁的三基色荧光粉发光,将紫外光(不可见光)转换为可见光。其电能与可见光的转换原理和传统的荧光灯相似。但由于闭合的等离子体放电区均可视为正柱区,故不存在阴极电位降,其理论数据光效可比传统的日光灯高1015%左右。由于无极荧光灯的工作过程不再使用传统光源中所必须的灯丝和电极,避免了传统光源的灯电极损耗等一系列制约灯寿命和性能的难题,从而提高了整个照明系统的性能和寿命。是新一代技术已成熟且已产品化的实用型长寿命、高光效的光源。广泛应用于城市道路街道,工矿企业,公路隧道等的节能照明。

    性能技术指标如下:

(1)   超长寿命,灯内无灯丝和电极,灯泡寿命仅取决于荧光粉等的自然衰减,光衰 70@60000小时,设计寿命指标10万小时,考虑电器配合的能力目前为系统指标6万小时。

(2)   目前光效80~90lm/w左右,显示指数75~80左右,灯功率范围:12W400W

(3)   面光源,无眩光 ,无闪烁,可以满足(DARK SKY )概念。

(4)   瞬间启动, 无需预热,可瞬间热启动。

    道路照明灯具品种齐全,环境温度范围宽-40~40,能满足各种气候各种道路的照明需求。

二、城市道路照明与相关的标准和要求

国家建设部于200771日实施的CJJ 45-2006(城市道路照明设计标准)中对城市道路照明提出了相应的亮度和照度指标,并给出了照明节能的评价指标,以功率密度值为标准,对城市街道照明节能提出了具体的要求,见下表:

 

3.3.1 机动车交通道路照明标准值

 

道路类型

路面亮度

路面照度

眩光限制

阈值增量T1(%)

最大

初始值

环境比

SR

最小值

平均亮度

Lav

(cd/m2)

总均匀度

Uo

最小值

纵向

均匀度

UL

最小值

平均照度

Eav(lx)

维持值

均匀度

UE

最小值

快速路、主干路

(含迎宾路、通向政府机关和大型公共建筑的主要道路,位于市中心或商业中心的道路)

1.5/2.0

0.4

0.7

20/30

0.4

10

0.5

次干路

0.75/1.0

0.4

0.5

10/15

0.35

10

0.5

支路

0.5/0.75

0.4

8/10

0.3

15

 

: 1 表中所列的平均照度仅适用于沥青路面。若系水泥混凝土路面,其平均照度值可相应降低约30%。根据本标准附录A给出的平均亮度系数可求出相同的路面平均亮度,沥青路面和水泥混凝土路面分别需要的平均照度。

   2 计算路面的维持平均亮度或维持平均照度时应根据光源种类、灯具防护等级和擦拭周期,按照本标准附录B确定维护系数。

   3 表中各项数值仅适用于干燥路面。

   4 表中对每一级道路的平均亮度和平均照度给出了两档标准值,“/”的左侧为低档值,右侧为高档值。

3.5.1 人行道路照明标准值

 

夜间行人流量

区域

路面平均照度

Eav(lx),维持值

路面最小照度

Emin(lx),维持值

最小垂直照度

Evmin(lx),维持值

流量大的道路

商业区

20

7.5

4

居住区

10

3

2

流量中的道路

商业区

15

5

3

居住区

7.5

1.5

1.5

流量小的道路

商业区

10

3

2

居住区

5

1

1

 

: 最小垂直照度为道路中心线上距路面1.5m高度处,垂直于路轴的平面的两个方向上的最小照度。

 

 

 

 

7.1.1 机动车交通道路照明应以照明功率密度(LPD)作为照明节能的评价指标。

7.1.2 机动车交通道路的照明功率密度值不应大于表7.1.2的规定。

 

7.1.2 机动车交通道路的照明功率密度值

 

道路级别

车道数

()

照明功率密度值

(LPD)(W/m2)

对应的照度值

(lx)

快速路

主干路

6

1.05

30

6

1.25

6

0.70

20

6

0.85

次干路

4

0.70

15

4

0.85

0.45

10

4

0.55

支路

2

0.55

10

2

0.60

2

0.45

8

2

0.50

 

 

: 1 本表仅适用于高压钠灯,当采用金属卤化物灯时,应将表中对应的LPD值乘以1.3

     2 本表仅适用于设置连续照明的常规路段。

     3 设计计算照度高于标准值时,LPD值不得相应增加。

 

 

 

 

 

三、无极灯用于城市道路照明的照度和LPD值估算

要让无极灯应用于城市道路照明,就应满足该标准所提出的指标。

   下面以采用350W无极灯路灯为例,通过计算来核对采用无极灯为光源的灯具能否满足城市道路照明标准所提出的要求:

1)计算条件 :快速路双向6车道 双侧带2米宽人行道  灯杆高10米,灯杆间距为 32,采用ZD12-350E 无极灯路灯灯具,光源采用ST350W其系统光效为87.5 Lm/W  灯具输入功率为360.0W  灯具效率为71%。

2)标准要求为 30 Lux LPD 值为< 1.05 W/m2

无电极荧光灯与城市道路照明-11.jpg


 

LPD值计算如下:

面积=32 m*11m = 352 m2     功率=360W   

 LPD360/352=1.023  W/m2

 

3)从以上计算可知,从明视觉的角度来计算,无极灯具应用于城市道路照明中确能满足国家建设部的照明节能要求。

 

 

 

 

四、城市道路照明的特点,中间视觉的引入,道路照明与光源的选择的关系(道路照明常用光源在中间视觉条件下的光效)

 

人类视觉系统按可见光的强弱可分为三种视觉情况:

*暗视觉 (scotopic vision)   亮度低于  0.034cd/平方米             照度(0.42 lux

*中间视觉(mesopic vision) 亮度  0.034cd/平方米-10cd/平方米  照度介于0.42lux --127 lux

*明视觉 (photopic vision )  亮度超过  10cd/平方米                照度(127 lux

 

    从国家建设部CJJ 45-2006号(城市道路照明设计标准)以及上述的分类数据可知,城市道路照明亮度水平一般处于在中间视觉范围内,所以目前依据明视觉光谱光视效率函数确定光源在道路照明条件下光效的方法是不准确的.这与城市道路照明实际情况所处的中间视觉亮度条件下的照明效果差别很大,由此带来的问题会给照明质量的评价系统带来误差。

 
无电极荧光灯与城市道路照明-2.jpg 

从上述图表可以看出,明暗视觉的视觉效率函数的最大值有近3倍的差异,目前道路照明中推荐选用HPS灯的主要依据是其具有约120 lm/W的高光效。但这里的光效是明视觉(>10cd/m2) 条件下所得的数据,随着亮度水平的降低,人眼的视见函数会发生普尔金耶偏移,作为普遍使用的HPS由于其光谱能量集中于555nm 的黄色光区,而暗视觉的视觉效率函数中心值 555nm移到507nm,这个区域对于HPS来说能量很少,故对于照度较低的区域HPS并不能显示出其高光效的优点,而无极灯却正好相反,位于暗视觉507nm处它的光谱能量较高,在较低照度的条件下,其每瓦流明数比明视觉更高,以下表为例加以说明:

无电极荧光灯与城市道路照明-3-1.jpg 

光源的光效随人类视觉系统适应亮度水平的变化而变化,但不同光源随适应亮度水平而变化的规律不同. 在中间视觉范围内,无极灯的光效随适应亮度水平的下降而增大;HPS的光效随着适应亮度水平的下降而减小,. 在选择道路照明光源时,应将光源使用环境所需要的亮度水平作为重要依据. 如在需要的环境亮度水平高于中间视觉区域时(明视觉),选择HPS比选择无极灯的效率要高,但在需要的环境亮度水平处于中间视觉区域时选择无极灯则比选择HPS的效率要高. 总之,在选择照明光源时,应充分考虑光源使用环境需要的亮度水平以及光源的光效随适应亮度水平变化的规律,以充分利用光源的发光特性,从而达到节能的目。

另外,试验还发现按明视觉条件下测量和计算高压钠灯的光效大于同功率的无极灯,然而在夜间处于中间视觉范围下的道路照明中,实验得到普遍的结论:行人和驾驶员都感觉高压钠灯照明的效果不如相同功率的无极灯。这就给道路照明均应采用光效高的高压钠灯概念带来了冲击,现在已有许多道路照明开始采用无极灯来代替高压钠灯。这一点在夜间照明、尤其是夜间道路照明的实际应用中有非常重要的价值。

 

五、无极灯的节能控制技术

    由于无极灯属于低气压放电灯,故在调光状态下可以可靠运行。目前以具备以下几种调光方式:

  (1)组成DALI控制系统,使用计算机技术,安照特定的要求进行联网调光节能运行。

  (2)深夜适当降低路面亮度(照度)是一项十分有效的节能措施,可采用灯具内的单片机完成各种智能调光工作(定时调光)。

六:无电极荧光灯在城市道路照明的应用

 无电极荧光灯与城市道路照明-3-2.jpg

从图片中可以清楚的看出,作为路灯照明的HPS 无极灯的 视觉差异,光源该如何选择读者应该能做出明确的判断。

结语:

    随着技术的进步,各种新光源不断涌现,大功率白光LED的实验室光学数据十分诱人。尽管目前依然存在这样那样的不足,但可以相信这仅仅是前进道路中的问题,随着技术的进步将迎来一个灿烂的明天。

从白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯一路走来,各种光源有着各自的技术以及经济的优势,占据自己的份额,就城市道路照明而言,一个以传统路灯、大功率LED路灯、无极荧光灯路灯三分天下的局面一定会更放光彩。

 

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