從光分布考慮選擇合適LED功能燈燈具——LED功能燈在寧溧路道路照明工程中試用的一些思考

楊 韜

(南京路燈管理處，南京 210036）

0 引言

隨著社會發(fā)展的進步，國家確立了節(jié)能減排的方針，為LED應(yīng)用發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)。眾多省市紛紛上馬的LED路燈項目，明示了LED應(yīng)用的強大生命力。但由于目前LED路燈尚缺少統(tǒng)一的技術(shù)標準和測量標準，沒有某些強制性的性能指標，LED路燈質(zhì)量良莠不齊，在一些地方過早地使用，影響了社會和用戶對LED燈具的信心。為了有效引導(dǎo)我國半導(dǎo)體照明應(yīng)用的健康快速發(fā)展，擴大半導(dǎo)體照明市場規(guī)模，促進產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新能力的提高，科技部在21座城市開展LED“十城萬盞”應(yīng)用試點示范活動，推動LED在城市道路、隧道、橋梁、小區(qū)等城市功能照明領(lǐng)域的應(yīng)用，希望通過試點工作發(fā)現(xiàn)問題、取得經(jīng)驗。2008年初，我市開始在城市功能照明中研究、試驗及應(yīng)用LED，其中LED在城市道路照明中已得到部分應(yīng)用，取得了一些設(shè)計經(jīng)驗，也發(fā)現(xiàn)一些問題。

1 LED燈具在道路照明應(yīng)用過程中存在的問題

由于LED功能燈產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，在應(yīng)用試驗過程中存在光源光衰較大、燈具配件損壞難以更換、維護難度大、成本高、路面照明質(zhì)量差等一些問題。其中路面照明質(zhì)量問題主要集中在兩個方面。

1.1 路面亮度不均勻

圖1是一個LED功能燈應(yīng)用的案例。路面上出現(xiàn)嚴重的光斑不均勻——斑馬線現(xiàn)象。

斑馬線現(xiàn)象的出現(xiàn)緣于路燈的配光曲線，燈具射出光束沒有拉開并投射到兩個較遠的角度，而是把大部分光通量射向燈下較近的地方，使兩燈之間的光通量不夠，更談不上投射過另一個路燈燈柱的遠射光線了。

1.2 環(huán)境比SR值不符合要求

圖1 LED照明斑馬線現(xiàn)象

圖1顯示出的另一個問題就是在道路的兩側(cè)沒有得到足夠的照明，除燈桿后面有一點光以外，其他部分顯得非常暗。利用許多顆LED光線的迭加得到路燈的全部配光的過程，是LED路燈設(shè)計的基礎(chǔ)，據(jù)此，可以比較方便地將射向路邊的光線截止掉，并用這樣的措施來提高LED路燈的效率，從而減小LED路燈的使用功率，達到比使用傳統(tǒng)光源更節(jié)能的目的。然而，這是不符合道路照明要求的。

2 LED路燈的光學特性

LED路燈是LED技術(shù)與路燈應(yīng)用的有機結(jié)合，是相對新興的產(chǎn)品。相比傳統(tǒng)路燈，它將具備更多優(yōu)異的特性，同時又對LED和燈具設(shè)計提出了新的更高的要求。合理的、優(yōu)化的燈具光強分布是體現(xiàn)燈具光學設(shè)計水平的重要因素，其具有以下重要的意義:

(1）燈具光強分布與道路燈具布置的協(xié)同設(shè)計能更好地滿足道路照明規(guī)范相應(yīng)的要求;

(2）在同等燈具光效下，合理的燈具光強分布可以最大程度地節(jié)能;

(3）可以最大程度地滿足道路使用者對于舒適、安全的要求。

3 燈具光分布對路面照明效果的影響

選擇LED功能燈燈具進行路面照明設(shè)計，首先要了解LED路燈的光度學性能。影響路面照明效果的因素包括LED功能燈燈具的光輸出、沿道路的縱向光分布、沿道路的橫向光分布、C－90°和C－270°的配光對稱性、光束均勻度和截光水平，以及LED功能燈燈具的能效。影響路面照明效果的燈具光分布因素如下。

3.1 燈具的光分布情況

3.1.1 燈具縱向光分布

燈桿間距與縱向光分布的關(guān)系如下:

縱向光分布是以最大光強的投射角度進行分類的，縱向投射角度不同的路燈，能夠照亮的路面長度就不一樣，如果沿道路縱向光線投射角度小的燈具，照亮的路面長度就比較短。當燈具沿道路縱向光線投射角度增大時，燈桿的間距增大，單位道路面積的燈功率就相應(yīng)減小，光束投射的遠或近是路燈節(jié)能水平的重要因素之一。

3.1.2 燈具沿道路的橫向光分布

應(yīng)按車道的數(shù)量配用適宜的橫向配光類型的路燈，如某一類橫向配光的路燈的正確應(yīng)用是4車道，那么如果錯誤地用于2車道，就會有較大比例的光通量照射到道路以外的區(qū)域，光通量的利用率降低，LPD值會受到影響。

圖2 相同功率不同配光燈具在路面上產(chǎn)生的光斑

3.1.3 C －90°和 C －270°的配光對稱性

因為道路的縱向延伸特性，以及路邊區(qū)域和屋邊區(qū)域的照明需求不同，所以路燈應(yīng)具有特殊的配光形式，滿足照亮道路的同時、也適當照亮道路邊界線旁的屋邊，這體現(xiàn)在道路照明標準中的SR值。路邊需要的光通量多，而屋邊需要的少，所以路燈在滿足上述光度特性以外，還應(yīng)合理分配路邊和屋邊的光通量，在光度學上表達為C－90°和C－270°的光通量。測量得到的燈具配光圖中C－90°平面和C－270°的配光曲線不能簡單得處理成對稱形式，否則，將產(chǎn)生燈具光通量分配不合理、利用系數(shù)不高的問題，降低燈具的照明效率。

3.2 光束均勻度

3.2.1 最大光強的γ角

最大光強的γ角位置與道路照明的均勻度有關(guān)，包括照度均勻度和亮度均勻度。DOE(美國能源部）給出的標桿是最大光強處于55°～65°區(qū)域內(nèi)。

3.2.2 燈下點附近25°范圍內(nèi)的光強和最大光強的比值 I0～25/Imax

光束均勻度中另一個重要條件是燈下點的光強應(yīng)是最小的，隨著γ角的增大，光強應(yīng)逐漸增大。燈下點附近25°范圍內(nèi)的光強I0～25和最大光強Imax的比值是評估路燈配光的均勻性的重要參數(shù)之一。I0～25/Imax≤0.35是路燈配光滿足道路照明均勻度的重要條件之一，當其比值大于0.35時，會產(chǎn)生燈下點亮，燈桿之間暗的光斑不均勻現(xiàn)象。

3.3 截光水平

為了改善眩光對視覺的不良影響，要求道路照明燈具具有截光控制措施。從駕駛員的觀察位置和觀察方向分析，路燈垂直面上80°～90°的光輸出會直接射入眼睛造成眩光?？刂?0°～90°的環(huán)帶光通是控制路燈眩光的重要途徑，DOE給出的標準是80°～90°的燈具光通量φ80～90不超過總光通量的10%。造成燈具眩光的另一個重要因素是80°～90°的光強太大。DOE給出的標準是80°～90°的光強I80～90不超過最大光強Imax的5%。

4 寧溧路工程概況

寧溧路(見圖3）快速化改造工程位于南京市主城東南部，是南京市“井字外環(huán)”快速路網(wǎng)的組成部分，具有減輕城市中心路網(wǎng)壓力、均衡路網(wǎng)流量、溝通新城區(qū)與主城聯(lián)系、完善快速路網(wǎng)等功能。本次改造起于雙橋門立交南端，終于麥德龍路，改造范圍約2.5 km。主要相交道路有雨花路、大明路、寧南大道等。寧溧路全線高架，過麥德龍路后落地。

實驗內(nèi)容包括機場高速連接線新建匝道、拼寬橋梁、立交橋下改造道路的照明、寧溧路地面部分及高架橋道路的照明設(shè)計。本次照明實驗使用LED功能燈部分為寧溧路高架橋下道路部分。整條路段共分為三種斷面。本次照明設(shè)計使用LED功能燈部分為寧溧路高架橋下道路部分。共兩種燈具:9 m高112 W LED功能燈和5 m高56 W LED功能燈(見圖4）。

圖3 寧溧路區(qū)位圖

圖4(a） 斷面一

圖4(b） 斷面二

圖4(c） 斷面三

5 照明試驗測試及相關(guān)問題探討

為了保證道路照明設(shè)計的質(zhì)量，我們結(jié)合Dialux照明設(shè)計軟件和現(xiàn)場照度實測，對本工程選用的LED功能燈的照明質(zhì)量進行評價，發(fā)現(xiàn)照明質(zhì)量問題，從照明設(shè)計方法及LED功能燈燈具配光形式方面優(yōu)化設(shè)計方案。本次現(xiàn)場燈具實測斷面選擇具有代表性的斷面一的布燈形式，試驗場地在應(yīng)天大街高架橋下，其斷面形式與斷面一形式基本相同。試驗分兩次進行。

第一次照明方案選擇的LED路燈的配光曲線(見圖5）。

通過Dlalux軟件模擬和現(xiàn)場實測照度結(jié)果分析，軟件模擬結(jié)果基本能反映路面照明情況。通過軟件模擬和照度實測，我們發(fā)現(xiàn)使用LED功能燈進行照明存在一些問題。

第一次選用LED燈具布燈方式及計算結(jié)果見表1。

表1 第一次選用LED燈具布燈方式及計算結(jié)果

圖5(a） LED 56 W

圖5(b） LED 112 W

某廠家提供LED燈具試驗現(xiàn)場照明效果見圖6。

圖6(a） LED燈具試驗現(xiàn)場照明效果

圖6(b） LED燈具試驗現(xiàn)場照明效果

通過照明計算及現(xiàn)場照度實測計算發(fā)現(xiàn)采用某廠家推薦的LED燈具進行道路照明時存在以下問題:

(1）路面照度計算值低，未達到標準要求(主干路30 lx，均勻度 0.4）。

(2）從照明軟件計算結(jié)果看，路面照度均勻度良好，但從現(xiàn)場實測情況看，路面照度均勻度差。

從LED光源的配光特性來分析原因:

(1）本路段采用LED路燈功率為112 W(10 m）/56 W(5 m）小功率路燈，選用功率較小的光源導(dǎo)致路面照度值降低。

(2）以112 W LED燈具為例。

1）蝙蝠翼配光曲線兩翼光強最大值過大(C90°－C270°配光平面中 50°方向的光強值最大，為623 cd/klm），而 0°方向的光強過小(C90°－ C270°配光平面0°到光強最大值出現(xiàn)角度50°中0°方向的光強值最小，為193 cd/klm），造成兩燈之間的路面亮度過大，形成亮斑，燈桿下位置路面上照度過低，形成暗區(qū)，進而出現(xiàn)斑馬紋效應(yīng)。

2）LED路燈最大光強所在的γ為50°，角偏小，未達到等照度配光角度要求的最大光強所在的γ角在55°～65°范圍之內(nèi)，因而出現(xiàn)路面照度均勻度差的情況。

(3）燈下點附近25°范圍內(nèi)的光強I0～25和最大光強 Imax的比值 I0～25/Imax=193/623=0.310，符合I0～25/Imax≤0.35的情況，但由于存在 0°位置光強值過小的情況，仍然存在路面照度均勻度差的情況。

(4）C0°－C180°平面上的配光曲線基本為對稱型，且最大光強值在0°附近，因此要達到較好的路面照明效果，需要增大燈具的安裝仰角。本次方案計算和實際測量時燈具仰角為30°。

(5）從實測結(jié)果分析，雖然整體照度均勻度較好，但測試區(qū)域兩燈之間部分具有很高亮度的亮斑，現(xiàn)場出現(xiàn)強烈的斑馬紋效應(yīng)，實際觀察照度均勻度不好。

通過和業(yè)主及燈具生產(chǎn)廠家的多次溝通協(xié)調(diào)，采用了以下的方法來改善路面的照明效果。

(1）降低桿高并增加單燈功率來提高路面照度水平。

將原設(shè)計112 W LED功能燈燈具桿高由原設(shè)計10 m降低至9 m，功率由112 W提高至170 W。原設(shè)計56 W LED功能燈燈具桿高不變，功率由56 W提高至68 W。

(2）通過縮短布燈間距、改善LED路燈的配光曲線，使其達到本次道路照明的要求。

將原設(shè)計112 W LED功能燈布燈間距由35 m調(diào)整為30 m。通過透鏡的配光來優(yōu)化燈具的配光曲線，將最大光強方向的光強降低，并適當提高0°方向的光強值，消除兩燈中間的亮斑，使之達到本次道路的照明要求。

改進后的LED道路燈具的配光曲線見圖7。

圖7(a） LED 68 W

圖7(b） LED 170 W

燈具配光優(yōu)化后的照明計算結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化后的LED燈具布燈方式及計算結(jié)果

優(yōu)化后LED燈具試驗現(xiàn)場照明效果見圖8。

圖8(a） 優(yōu)化后的LED燈具試驗現(xiàn)場照明效果

從軟件模擬結(jié)果來看，路面照度值有所提高，以斷面一為例，路面照度由19 lx提高至29 lx。112 W LED燈具桿高由10 m下降至9 m，引起路面照度均勻度下降，但從試驗照明現(xiàn)場觀察，改進后的LED燈具消除了兩燈桿間的亮斑，路面照明均勻度較改進前有所提高。但仍存在一些問題:

圖8(b） 優(yōu)化后的LED燈具試驗現(xiàn)場照明效果

(1）路面照度水平有待進一步提高，照度設(shè)計值應(yīng)達到國家規(guī)范要求值(主干路30 lx，均勻度0.4）。

(2）路面照度均勻度并不理想，應(yīng)通過優(yōu)化LED燈具的配光來進一步改善路面照明質(zhì)量以達到較高的路面照明質(zhì)量。

從LED光源的配光特性來分析原因:

(1）以170 W LED燈具為例，參照功能燈的配光曲線。

1）蝙蝠翼配光曲線兩翼光強最大值(C90°－C270°配光平面中 50°方向的光強值最大，為349 cd/klm）較優(yōu)化前的燈具有所下降，0°方向的光強(C90°－C270°配光平面0°到光強最大值出現(xiàn)角度50°中0°方向的光強值最小，為198 cd/klm）變化不大，消除了兩燈間亮度過高出現(xiàn)的亮斑。

2）LED路燈最大光強所在的γ為50°，角偏小，未達到等照度配光角度要求的最大光強所在的γ角在55°～65°范圍之內(nèi)，出現(xiàn)了路面照度均勻度差的情況。

(2）燈下點附近25°范圍內(nèi)的光強I0～25和最大光強 Imax的比值 I0～25/Imax=198/349=0.567，符合 I0～25/Imax=0.5～1.0的情況，造成了路燈下亮度較高，而亮燈中間較暗的路面照明效果。

(3）C0°－C180°平面上的配光曲線基本為對稱型，且最大光強值在0°附近，因此要達到較好的路面照明效果，在安裝時，需要增大燈具的仰角。本次方案計算和實際測量時燈具仰角為30°。

(4）從實測結(jié)果分析，照度水平有所提高，整體照度均勻度較燈具配光改進前有所提升，消除了測試區(qū)域兩燈之間部分高亮度的亮斑，但又出現(xiàn)燈下亮度較高的情況，實際觀察照度均勻度較燈具配光改進前稍有提升。

通過對問題的分析，參照影響路面照明效果的因素，可以從以下幾個方面進行改進以提高路面照明質(zhì)量:

(1）參照合格燈具配光曲線，優(yōu)化本工程使用的燈具配光。

1）優(yōu)化燈具配光，使最大光強處于55°～65°區(qū)域內(nèi)。

2）燈具配光盡量按照 I0=I'×cos3γ的曲線優(yōu)化。

3）I0～25/Imax≤0.35是路燈配光滿足道路照明均勻度的重要條件之一。

4）C－90°和C－270°配光優(yōu)化為非對稱配光，使其最大光強投向路邊區(qū)域。提高燈具的光通量利用率，減小燈具仰角。

(2）在技術(shù)允許的情況下，提高光源功率，使照度水平達到應(yīng)有水平。

為了達到更好的路面照明效果(見圖9），這些工作也在進一步和業(yè)主及燈具生產(chǎn)廠商協(xié)調(diào)之中。

6 小結(jié)

路面照明質(zhì)量與LED路燈的光度學性能有很大關(guān)系。LED功能燈具有以下優(yōu)點:

(1）發(fā)光立體角小，近似點光源，便于二次光學系統(tǒng)的設(shè)計;

(2）系統(tǒng)的光損小，總的光效高;

(3）光學系統(tǒng)設(shè)計精確，對光線的控制作用強，光強分布理想，均勻度有望大大提高。

這些特點都是LED燈具所具有的而傳統(tǒng)光源不可比擬的優(yōu)勢，充分發(fā)揮這些優(yōu)勢，從影響路面照明效果因素的角度出發(fā)，設(shè)計合適的燈具，道路照明的質(zhì)量會有質(zhì)的飛躍。

影響路面照明效果的因素包括LED功能燈燈具的光輸出、沿道路的縱向光分布、沿道路的橫向光分布、C－90°和C－270°的配光對稱性、光束均勻度和截光水平等。在選擇燈具時應(yīng)從這些方面綜合考慮:

(1）在避免眩光的前提下，LED功能燈燈具盡量選用燈具沿道路縱向光線投射角度較大的燈具，這樣可適當增大燈桿的間距，減小單位道路面積的燈功率，進而達到路燈節(jié)能效果。

(2）本文未詳盡討論LED功能燈燈具的光輸出沿道路的橫向光分布，在選擇燈具時應(yīng)當在照明設(shè)計之初考慮路幅。

(3）燈具在道路橫斷面方向上的配光應(yīng)為非對稱形式，應(yīng)合理分配路邊和屋邊的光通量，且其最大光強投向路邊區(qū)域。

(4）最大光強的γ角位置與道路照明的均勻度有關(guān)，最大光強應(yīng)處于55°～65°區(qū)域內(nèi)。

(5）燈下點附近25°范圍內(nèi)的光強I0～25和最大光強Imax的比值是評估路燈配光的均勻性的重要參數(shù)之一。I0～25/Imax≤0.35是路燈配光滿足道路照明均勻度的重要條件之一。

(6）燈具80°～90°的光強 I80～90不超過最大光強Imax的5%。

圖9 具有較好LED照明效果的道路

［1］王曄，陳超中，施曉紅.LED道路照明燈具光度數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析［J］.照明工程學報，2009，20(3）:54～63

［2］王曄，陳超中，施曉紅.LED道路照明燈具光度數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析 (續(xù)篇）［J］.照明工程學報2010，21(3）:34～42

［3］章海驄.道路照明標準比較及其對燈具配光的要求［C］.2009中國道路照明論壇論文集(會刊），14～23

［4］鄒吉平.道路照明燈具配光性能的重要性［J］.電氣應(yīng)用，2008，27(7）:22 ～26