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从技术角度看,LED是否适用于道路照明?

时间:2019-04-04 作者:Brian Santo 阅读:
LED一向被认为适于街道照明;然而,面对可能影响健康的顾虑以及考虑相较于高压钠灯的种种优势,计划换装LED照明的城市如何权衡LED街灯是否更具效益?

市政照明(municipal lighting)是一个巨大的LED市场。美国大多数的城市中或多或少都安装了一些LED街灯,还有少数几座城市已经完全转换至LED照明了。LED一直被认为更适于街道照明,但在2016年,当美国医学会(AMA)警告某些LED对夜间驾驶和人类健康可能产生不利影响后,它们的吸引力大减。从那时起,在照明专家以及对LED街灯感兴趣的许多城市之间不断掀起针对这一警语的各种争论。

AMA警告说,高密度LED照明不利于夜间驾驶,因为肉眼看起来是白色的部份(蓝光频率)在一部份光谱中产生的照明过于强烈,因而被认为是可能影响驾驶的眩光。此外,AMA还指出,这些光的频率可能抑制人体中的褪黑激素,从而导致失眠、日间的生产力降低以及甚至肥胖等问题。

AMA建议尽量减少光谱中蓝光部份的输出,并做好眩光保护。在讨论光源呈现时的质量因子是相关色温(CCT),其单位以开尔文(Kelvin)温度(K)表示。大多数已安装的LED街灯额定值CCT大约介于3,000K和4,000K之间。由于蓝光照明的影响,AMA建议道路安装的灯具应为3,000K或更低。

美国能源部(DOE)旗下的市政街灯固态照明联盟(MSSLC)持续针对AMA提出问题作出反应。MSSLC指出,在测量LED照明的褪黑激素输出时,CCT并不是唯一要考虑的因素。

在有关LED街灯的讨论中,「褪黑激素」(melanopic)一词不断出现。但它或许是太新或太深奥,以至于一般字典中还找不到这一词。「黑视素」(melanopsin)是一种光色素——一种蛋白质,出现在视网膜中,而且与昼夜节律(如生理时钟)有直接关系。「褪黑激素」解释了某些类型的光由于诱发黑视素而影响了人们的睡眠周期。LED街灯照明就是最佳的例子。

据MSSLC表示,针对LED街灯的褪黑激素输出进行评估与测量时,除了CCT之外,还必须考虑其他许多因素,包括灯具的输出、灯具类型/配光以及照明设计。照明工程师可以均衡考虑这些因素,在符合AMA降低褪黑激素输出的建议下,设计出具有更高CCT值的LED灯。

早在AMA发出警告之前,美国波特兰市(Portland OR.)即已开始更换其钠街灯了,在那之后也仍持续进行。如今,这座城市中大约有45,000盏街灯,几乎全部都采用LED,而且大部份都是4,000K色温的LED灯。装饰灯(例如都会公园)则均为3,000K。在波特兰的市政网站上,波特兰交通局(Portland Bureau of Transportation;PBOT)针对该新照明的常见问答(FAQ)中响应了AMA的警告,包括提供有关其他信息的链接。因为许多波特兰人对于这些健康警告倾向于绝对支持的态度。

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越来越多的城市开始换装LED照明以取代钠街灯。新的LED灯效率更高,而且其生命周期成本也已经大幅降低了。图中是美国波特兰市的26号公路(Route 26;Powell Blvd),该城市拥有的45,00盏街灯几乎都采用了LED(来源:EDN)

其他以LED取代大部份钠街灯的城市还有波士顿(Boston)、洛杉矶(LA)和西雅图(Seattle)。然而,在其他的美国城市中,大多数的街灯仍然采用高压钠灯(HPS)。钠灯的特点是发出橙黄色光,由于其发光效率较白炽灯和荧光灯更好,因而对街灯照明而言十分具有吸引力。

但它也有缺点。波特兰市发现,采用HSP街灯时,太多的光线会聚焦在其所安装的灯柱底部,而不足以填满各灯柱之间的空间。钠光也是单色的,因而易于导致难以处理的颜色失真。此外,废弃钠灯的处置也很困难,因为其中含汞。

然而,LED可望降低维护成本、降低能源成本,且其使用寿命比市政照明的其他选择更持久。PBOT称以往必须每5年更换一次旧的钠灯,而新的LED灯预计将可持续24年。

LED灯的价格也一直在稳步降低中,预计还会再进一步降低。PBOT表示,在2000年时,其所安装的某个LED灯具品牌和型号(Leotek ECobra)成本约为500美元,但到2018年时已降至每个124美元了。

相形之下,HPS灯目前仍然较为便宜,每个110美元,所以当一座城市以LED取代50,000盏街灯时,将面对大约70万美元的额外前置成本。市政当局一直在争取预算,毕竟就算是对于一座大城市来说,这也不是一笔小数目。

但即使购买HPS的成本较低,只要考虑其寿命长短,从长远来看,LED其实更具有经济效益。在一座采用LED街灯的城市必须为LED汰旧换新之前,采用HPS的城市可能已经需要至少2轮更新经费了。同时,据PBOT指出,「因为LED可持续更久且易于维护,该市预计在LED的产品生命周期间将降低75%的维护成本。」

新的街灯每盏功率29W,而更换的钠灯为118W。支持者还主张,LED街灯的光线反射比钠灯的光线反射更少,从而尽可能地减少光污染。

假设关于LED的工程主张正确,就算前置成本略高,LED也会是市政街道照明的更佳选择。就算AMA对于LED街灯照明的最大顾虑也经证实,LED街灯的经济性仍更具有吸引力,并可能超越健康顾虑而存在。不可避免的似乎是,与都会区生活有关的黄橙光街灯最终将成为回忆。

对于希望获得更多信息的市政工程师而言,MSSLC是其主要的信息来源,提供包括多种照明相关的工程数据。2014年成立的MSSLC目的在于协助计划导入LED的城市。在DOE的能源效率和可再生能源办公室营运之外,MSSLC「代表着感兴趣的城市、电力供货商、政府组织以及其他机构之间的协调力量,以尽可能地减少工作重复,并将可能的风险分散至多个位置。」它本质上是一个由DOE资源支持的使用者团体。

那些所谓的「资源」主要是指知识库。根据美国联邦标准,该组织的预算仅几百万美元。也就是说,提供有关可用技术的信息,以及偶时的适度补助金,已足以让一些城市启动街灯更新。计划安装LED照明的城市不必从头开始,而且可以从已经导入该技术的其他经验中受益。

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN美国版,参考链接:Weighing the costs of LED street lights,编译:Susan Hong,EDNTaiwan)

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Brian Santo
EETimes美国版主编。Brian Santo已经为多家出版物撰写技术文章达30年,包括Electronic News、EE Times、IEEE Spectrum以及其最近担任CED主编的一些出版物。 他文章涉及的主题包括测试与测量、半导体生产、消费电子、军事电子、有线网络、宽带、无线技术等等。 他在俄勒冈州波特兰的住所外工作,所以请忽略他办公室外嘎嘎叫的鸡。
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