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

隨著社會發展的進步，國家確立了節能減排的方針，為LED應用發展提供了堅實的基礎。眾多省市紛紛上馬的LED路燈項目，明示了LED應用的強大生命力。但由于目前LED路燈尚缺少統一的技術標準和測量標準，沒有某些強制性的性能指標，LED路燈質量良莠不齊，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。為了有效引導我國半導體照明應用的健康快速發展，擴大半導體照明市場規模，促進產業核心技術研發與創新能力的提高，科技部在21座城市開展LED“十城萬盞”應用試點示范活動，推動LED在城市道路、隧道、橋梁、小區等城市功能照明領域的應用，希望通過試點工作發現問題、取得經驗。2008年初，我市開始在城市功能照明中研究、試驗及應用LED，其中LED在城市道路照明中已得到部分應用，取得了一些設計經驗，也發現一些問題。

1 LED燈具在道路照明應用過程中存在的問題

由于LED功能燈產品質量良莠不齊，在應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、路面照明質量差等一些問題。其中路面照明質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功能燈應用的案例。路面上出現嚴重的光斑不均勻——斑馬線現象。

斑馬線現象的出現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 環境比SR值不符合要求

圖1 LED照明斑馬線現象

圖1顯示出的另一個問題就是在道路的兩側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路燈設計的基礎，據此，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，達到比使用傳統光源更節能的目的。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技術與路燈應用的有機結合，是相對新興的產品。相比傳統路燈，它將具備更多優異的特性，同時又對LED和燈具設計提出了新的更高的要求。合理的、優化的燈具光強分布是體現燈具光學設計水平的重要因素，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同設計能更好地滿足道路照明規范相應的要求;

(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減小，光束投射的遠或近是路燈節能水平的重要因素之一。

3.1.2 燈具沿道路的橫向光分布

應按車道的數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，以及路邊區域和屋邊區域的照明需求不同，所以路燈應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，將產生燈具光通量分配不合理、利用系數不高的問題，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，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°區域內。

3.2.2 燈下點附近25°范圍內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是最小的，隨著γ角的增大，光強應逐漸增大。燈下點附近25°范圍內的光強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，會產生燈下點亮，燈桿之間暗的光斑不均勻現象。

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。控制80°～90°的環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”快速路網的組成部分，具有減輕城市中心路網壓力、均衡路網流量、溝通新城區與主城聯系、完善快速路網等功能。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問題探討

為了保證道路照明設計的質量，我們結合Dialux照明設計軟件和現場照度實測，對本工程選用的LED功能燈的照明質量進行評價，發現照明質量問題，從照明設計方法及LED功能燈燈具配光形式方面優化設計方案。本次現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軟件模擬和現場實測照度結果分析，軟件模擬結果基本能反映路面照明情況。通過軟件模擬和照度實測，我們發現使用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果見表1。

表1 第一次選用LED燈具布燈方式及計算結果

圖5(a） LED 56 W

圖5(b） LED 112 W

某廠家提供LED燈具試驗現場照明效果見圖6。

圖6(a） LED燈具試驗現場照明效果

圖6(b） LED燈具試驗現場照明效果

通過照明計算及現場照度實測計算發現采用某廠家推薦的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）從照明軟件計算結果看，路面照度均勻度良好，但從現場實測情況看，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，進而出現斑馬紋效應。

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，因而出現路面照度均勻度差的情況。

(3）燈下點附近25°范圍內的光強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）從實測結果分析，雖然整體照度均勻度較好，但測試區域兩燈之間部分具有很高亮度的亮斑，現場出現強烈的斑馬紋效應，實際觀察照度均勻度不好。

通過和業主及燈具生產廠家的多次溝通協調，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。

將原設計112 W LED功能燈燈具桿高由原設計10 m降低至9 m，功率由112 W提高至170 W。原設計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。

將原設計112 W LED功能燈布燈間距由35 m調整為30 m。通過透鏡的配光來優化燈具的配光曲線，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

燈具配光優化后的照明計算結果見表2。

表2 優化后的LED燈具布燈方式及計算結果

優化后LED燈具試驗現場照明效果見圖8。

圖8(a） 優化后的LED燈具試驗現場照明效果

從軟件模擬結果來看，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） 優化后的LED燈具試驗現場照明效果

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

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

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，出現了路面照度均勻度差的情況。

(2）燈下點附近25°范圍內的光強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，消除了測試區域兩燈之間部分高亮度的亮斑，但又出現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量:

(1）參照合格燈具配光曲線，優化本工程使用的燈具配光。

1）優化燈具配光，使最大光強處于55°～65°區域內。

2）燈具配光盡量按照 I0=I'×cos3γ的曲線優化。

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°配光優化為非對稱配光，使其最大光強投向路邊區域。提高燈具的光通量利用率，減小燈具仰角。

(2）在技術允許的情況下，提高光源功率，使照度水平達到應有水平。

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主及燈具生產廠商協調之中。

6 小結

路面照明質量與LED路燈的光度學性能有很大關系。LED功能燈具有以下優點:

(1）發光立體角小，近似點光源，便于二次光學系統的設計;

(2）系統的光損小，總的光效高;

(3）光學系統設計精確，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光源不可比擬的優勢，充分發揮這些優勢，從影響路面照明效果因素的角度出發，設計合適的燈具，道路照明的質量會有質的飛躍。

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，在選擇燈具時應當在照明設計之初考慮路幅。

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

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

(5）燈下點附近25°范圍內的光強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據的現狀分析［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據的現狀分析 (續篇）［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］.電氣應用，2008，27(7）:22 ～26