評價(jià)LED道路照明燈具配光性能的兩個(gè)重要指標(biāo)：從配光設(shè)計(jì)角度談LED道路照明節(jié)能

鄒吉平

(同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092)

1 引言

在資源匱乏的當(dāng)今時(shí)代，低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排、綠色照明等相關(guān)題材屢見不鮮，國家倡導(dǎo)的LED固態(tài)照明技術(shù)由此迅猛發(fā)展起來。LED芯片制造商Cree于2010年3月宣稱其芯片光效達(dá)到208lm/W(實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù))，而其成熟的主打產(chǎn)品已超過130lm/W?？梢灶A(yù)見，LED光源很快達(dá)到并超過傳統(tǒng)光源的光效，其節(jié)能效益逐漸顯現(xiàn)。但是，在道路照明燈具研發(fā)過程中，仍然存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，如電源損耗、散熱技術(shù)，二次光學(xué)設(shè)計(jì)等，使得燈具的整體光效大打折扣，燈具系統(tǒng)效率不足75lm/W。到目前為止，LED道路照明仍然處在政府主導(dǎo)的示范性推廣階段，整個(gè)LED道路照明行業(yè)缺乏實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，燈具研發(fā)與照明應(yīng)用之間存在一定的差距，例如，燈具二次配光設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求的差距，使得LED道路燈具的輸出光通量投射到路面上時(shí)，存在亮度不夠或利用系數(shù)過低問題，從而導(dǎo)致了LED道路照明的節(jié)能效果并不理想。本文將從配光設(shè)計(jì)的角度討論如何提高LED道路照明燈具的節(jié)能效果，提出除了滿足照度亮度均勻性指標(biāo)外，有必要采用利用系數(shù)CU和照度亮度比E/L來評價(jià)道路照明燈具配光性能好壞，并總結(jié)了道路照明配光設(shè)計(jì)中的問題。

2 評價(jià)道路照明配光設(shè)計(jì)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)

在LED照明行業(yè)內(nèi)，節(jié)能是炒作的主要亮點(diǎn)之一，但從實(shí)際工程案例的經(jīng)驗(yàn)來看，其節(jié)能效果卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如廠家宣稱的那樣可觀，如果在不犧牲照明等級和效果的情況下，甚至不如傳統(tǒng)高壓鈉燈節(jié)能。其原因很多，例如，散熱技術(shù)的問題導(dǎo)致熒光粉在受熱之后出現(xiàn)老化，其轉(zhuǎn)換光效率降低;電源損耗問題，許多廠家在評價(jià)LED節(jié)能效果時(shí)，不考慮電源損耗造成的系統(tǒng)光效下降;二次配光問題，不少燈具的配光不合理，導(dǎo)致很多的光飄逸出路面，一部分光照射到距道路較遠(yuǎn)的區(qū)域，不僅浪費(fèi)能源，還導(dǎo)致光污染和光侵入等不良后果。行業(yè)內(nèi)缺乏評價(jià)配光性能好壞的技術(shù)指標(biāo)，而業(yè)內(nèi)的光學(xué)工程師對道路照明的應(yīng)用要求不甚了解，他們在做LED燈具配光設(shè)計(jì)時(shí)，主要目標(biāo)則是滿足 CJJ45—2006城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的均勻度和眩光等方面的技術(shù)參數(shù)，而對什么樣的配光更適合道路照明了解不夠。CJJ45—2006標(biāo)準(zhǔn)主要是道路照明設(shè)計(jì)遵循的規(guī)范，對道路燈具配光設(shè)計(jì)構(gòu)成的約束有限，而且該標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)傳統(tǒng)光源制定，對方興未艾的LED道路照明而言，其約束力很低。

什么樣的配光更適合道路照明?簡言之，就是用更少的光達(dá)到道路照明規(guī)范中規(guī)定的技術(shù)參數(shù)，并盡可能的提高均勻性、降低眩光值。但在配光設(shè)計(jì)時(shí)，由于缺乏技術(shù)指標(biāo)來評價(jià)配光性能的好壞，導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)魚龍混雜的局面。好的配光設(shè)計(jì)，首先要滿足照度均勻度，這已經(jīng)在業(yè)內(nèi)達(dá)成共識，一般的光學(xué)軟件都能實(shí)現(xiàn)照度均勻性模擬。由于目前尚無光學(xué)軟件載入道路路面亮度系數(shù)庫，光學(xué)設(shè)計(jì)者無法模擬不同材質(zhì)的路面亮度均勻性，所以行業(yè)內(nèi)的多數(shù)配光設(shè)計(jì)無法滿足亮度縱向均勻度UL或總體均勻度UO，甚至行業(yè)內(nèi)還沒有對亮度均勻性有足夠的認(rèn)識。除了滿足照度及亮度均勻度以外，還需要考慮利用系數(shù)是否高，照度與亮度的比值是否夠低，是否具有節(jié)能效應(yīng)。筆者在研究對比不同廠家的配光曲線后，提出采用利用系數(shù)CU和照度亮度比E/L來評價(jià)配光性能的好壞，足以凸顯其光學(xué)性能的優(yōu)劣。

2.1 利用系數(shù)(Coefficient of Utilization)

利用系數(shù)是指道路計(jì)算面接受到的光通量占燈具輸出總光通量的百分比，可由公式 (1)計(jì)算，利用系數(shù)CU與平均照度E、功率密度LPD的關(guān)系由公式 (2)和 (3)得出。從公式 (3)看出，功率密度LPD與利用系數(shù)CU成反比，即:提高利用系數(shù)CU，可直接降低功率密度LPD值，達(dá)到節(jié)能的效果，只有利用系數(shù)高的配光設(shè)計(jì)才能保證路面有足夠的照度與亮度。在傳統(tǒng)道路照明行業(yè)內(nèi)，曾把公式 (1)中的分母部分規(guī)定為光源光通量，由于LED的光源光通量受燈具影響因素較為復(fù)雜，比傳統(tǒng)光源的光通量難以界定，本文推薦采用燈具輸出光通量來定義利用系數(shù)，以便于計(jì)算和該技術(shù)指標(biāo)的推廣。

式中 CU——利用系數(shù);

E——平均照度，單位:勒克斯;

MF——維護(hù)系數(shù)，燈具使用過程中，燈具光通量輸出降低引起的照度降低因素;

W——道路路寬，單位:米;

S——燈桿間距，單位:米;

η——燈具的系統(tǒng)光效，成套 LED燈具的輸出光通量除以耗電功率數(shù)，單位:流明/瓦;

LPD——功率密度，單位計(jì)算面積內(nèi)的耗電功率。

一般來說，燈桿高度越低、馬路越寬的應(yīng)用場景，利用系數(shù)越高，圖1和圖2顯示了利用系數(shù)CU與寬高比 (W/H)的關(guān)系。如果燈具的橫向配光設(shè)計(jì)過寬 (如圖1所示)，在應(yīng)用到較窄道路 (如2～3車道)的照明場景時(shí)，出現(xiàn)利用系數(shù)過低而造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)問題;如果燈具的橫向配光設(shè)計(jì)過窄 (如圖2所示)，在應(yīng)用到較寬道路時(shí)，出現(xiàn)均勻度降低的問題。

圖1 非對稱型較寬配光CU曲線

圖2 對稱型較窄配光CU曲線

2.2 照度亮度比(E/L)

照度亮度比是指道路計(jì)算面的平均照度與平均亮度的比值，可由公式 (4)計(jì)算得到:

式中 Eavg——道路計(jì)算面內(nèi)的平均照度;

Lavg——道路計(jì)算面內(nèi)的平均亮度。

該技術(shù)指標(biāo)由燈具配光的類型、路面的材質(zhì)、光線照射到路面的入射角大小、觀察員的位置和視線方向等因素有關(guān)，對于道路照明而言，國際照明學(xué)會(huì)推薦的觀察員位置為距離道路計(jì)算面60米遠(yuǎn)、高度1.5米的位置。JTJ 026.1—1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦的瀝青路面E/L比值按照15～22取值，水泥路面 E/L比值按照10～13取值。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的配光可以使該比值降低，甚至低于規(guī)范推薦的范圍很多，即:使用更少的光通量可以實(shí)現(xiàn)更高的亮度［1］。如配光設(shè)計(jì)不合理，也可能造成E/L比值過大，甚至超出推薦的取值范圍，造成照度達(dá)標(biāo)而亮度不夠的問題。根據(jù)CJJ45—2006的規(guī)定，亮度2cd/m2的標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)30lx的照度，其照度亮度比 E/L按照15取值，據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用在該標(biāo)準(zhǔn)推薦的R3瀝青路面時(shí)，一般的道路燈具配光的照度亮度比值在14～19范圍內(nèi)［1］，即:需要28～38lx的照度才能使 R3瀝青路面達(dá)到2cd/m2的亮度水平。這就是說，通過降低照度亮度比，可以實(shí)現(xiàn)10%～25%的節(jié)能效果。

3 采用CU和E/L技術(shù)指標(biāo)評價(jià)配光性能的實(shí)例

筆者選取10款 (如圖3～4所示)來自不同廠家的配光曲線，為了便于比較分析，修正其輸出光通量，選取120W整燈功率的輸出總光通量為9000lm(按照系統(tǒng)光效75lm/W計(jì)算)。在計(jì)算過程中，路面材質(zhì)選取R3瀝青路面，維護(hù)系數(shù)按照0.7取值，把這10款配光曲線分別應(yīng)用在不同典型照明場景中，對比各種場景的計(jì)算結(jié)果，總結(jié)各款配光性能好壞，如表1～4所示。表1中的應(yīng)用場景為:道路寬度為7米2車道，間距30米單側(cè)布燈，燈桿高度8米 (距高比為3.75);表2中的場景為:道路寬度為10.5米3車道，間距30米單側(cè)布燈，燈桿高度8米 (距高比3.75);表3中的場景為:道路寬度為25米雙向6車道 (包括1米中間隔離帶)，雙側(cè)對稱間距30米布燈，燈桿高度8米 (距高比3.75);表4中的場景為:道路寬度為25米雙向6車道 (包括1米中間隔離帶)，雙側(cè)對稱間距30米布燈，燈桿高度10米 (距高比3.0)。

圖3 對稱型配光曲線

圖4 非對稱型配光曲線

表1 各種配光曲線在場景1下的結(jié)果對比表

表2 各種配光曲線在場景2下的結(jié)果對比表

表3 各種配光曲線在場景3下的結(jié)果對比表

表4 各種配光曲線在場景4下的結(jié)果對比表

4 從計(jì)算結(jié)果比較表中發(fā)現(xiàn)的問題

4.1 配光設(shè)計(jì)忽視亮度均勻性

從表1～表4的所列數(shù)據(jù)看出，尤其是在距高比不超過3.5的情況下，絕大多數(shù)的配光設(shè)計(jì)能滿足照度均勻性指標(biāo)，但是有將近一半的配光曲線在本文所有應(yīng)用場景中無法滿足亮度均勻性指標(biāo)。一般情況下，可以通過適當(dāng)縮小距離比使照度均勻性不夠的配光設(shè)計(jì)達(dá)到0.4以上，但是縱向均勻度是很難通過縮小距離比來提高的，除非距離比很小的情況下才能達(dá)標(biāo)。筆者建議在配光設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先考慮亮度均勻性，因?yàn)楦鶕?jù)亮度均勻性設(shè)計(jì)的配光曲線一般都能滿足照度均勻性要求［2］。

4.2 許多配光曲線的利用系數(shù)低

從表1～表2的數(shù)據(jù)看出，許多配光設(shè)計(jì)橫向過寬，其CU曲線斜率小，上升速度太慢，在應(yīng)用到較窄道路時(shí)，出現(xiàn)利用系數(shù)低的問題，不僅造成浪費(fèi)能源問題，還出現(xiàn)光污染或光侵入的問題。個(gè)別配光設(shè)計(jì)，如列表中的Sym 4的配光曲線，在本文中所有應(yīng)用環(huán)境中的利用系數(shù)都非常低，與相同輸出光通量的其他燈具相比，照度亮度均出現(xiàn)低50%的問題，造成近50%的電能浪費(fèi)。

4.3 對稱型配光無法滿足道路照明的要求

從表1～表4的比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對稱配光 (如Sym 1～3)不適合單側(cè)或雙側(cè)布燈，具有縱向均勻度過低的問題;在使用的過程中，需要具有很大的仰角，可能出現(xiàn)眩光超標(biāo)的問題 (如Sym 4)，或者出現(xiàn)利用系數(shù)降低的問題 (如Sym 4)。對稱配光比較適合布置在道路中間，如安裝在隧道中央的應(yīng)用場景。

4.4 個(gè)別配光曲線出現(xiàn)照度亮度比E/L過大的問題

從表1～表4的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，配光曲線Asm 3在所有應(yīng)用場景中都有E/L過大的問題，即:要達(dá)到同樣的亮度標(biāo)準(zhǔn)，需要更高的照度，需要更多的光通量照射到同樣面積的路面上，造成能源浪費(fèi)的問題。

4.5 矩形配光原理無法滿足道路照明要求

從表1～表4的結(jié)果看出，配光曲線Asm 1的照度均勻性最好，該配光是典型矩形非對稱配光設(shè)計(jì)，完全按照等照度設(shè)計(jì)的要求定制配光，但其亮度均勻性很差。目前，業(yè)內(nèi)的不少LED路燈廠商主推該類配光，甚至建議標(biāo)準(zhǔn)制定部門把該類型的配光作為規(guī)范頒布，其后果將導(dǎo)致我國照明業(yè)出現(xiàn)退步的后果。

4.6 SR技術(shù)指標(biāo)可單獨(dú)考慮

在表1～表4中，許多SR技術(shù)指標(biāo)未滿足規(guī)范中0.5的要求，筆者建議在配光設(shè)計(jì)時(shí)，單獨(dú)設(shè)計(jì)SR技術(shù)指標(biāo)，在有SR要求的應(yīng)用場景中，可另外設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo)的配光曲線，這使得在無SR要求的應(yīng)用環(huán)境中 (如高架橋、封閉式高速路等場景)，可以節(jié)省很多LED芯片，并實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的效果。

4.7 提高CU帶來的節(jié)能效益分析

根據(jù)CJJ45—2006對功率密度LPD的規(guī)定 (如表5所示)，傳統(tǒng)路燈的利用系數(shù)不夠高，導(dǎo)致光效較高的高壓鈉燈道路燈具 (最高達(dá)140lm/W以上，如某些進(jìn)口品牌的HPS250W可輸出33000lm)，很大一部分的輸出光通量無法到達(dá)道路計(jì)算面而被浪費(fèi)了。經(jīng)計(jì)算，表1所列場景中的功率密度為0.5714 W/m2，如照度標(biāo)準(zhǔn)為 10lx，則只需要0.286W/m2，同 CJJ中規(guī)定的兩車道 LPD小于0.55W/m2相比，提高CU的配光設(shè)計(jì)能節(jié)約近50%的電能。如配光設(shè)計(jì)不合理，如表1中的Sym4配光，達(dá)到10lx則需要0.5714W/m2，其節(jié)能效果還不如傳統(tǒng)光源。

表5 CJJ45—2006中規(guī)定的LPD值

就目前LED廠家的綜合水平來看，LED路燈的系統(tǒng)光效很快突破75lm/W，筆者建議標(biāo)準(zhǔn)制定部門增加 CU指標(biāo)，并適當(dāng)調(diào)高 CJJ45—2006的 LPD標(biāo)準(zhǔn)作為LED路燈的配光設(shè)計(jì)規(guī)定，可按照表6所列的LPD執(zhí)行，同表5相比，平均節(jié)約20%～30%電能。據(jù)預(yù)測，LED道路照明的LPD值在三年內(nèi)或許會(huì)在表6推薦值的基礎(chǔ)上再降低20%。

表6 筆者推薦的CU與LDP值

4.8 好的配光設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用場景

從計(jì)算結(jié)果比較表1～表4看出，應(yīng)用在較窄的2～3車道的場景中比較理想的配光在場景3～4中效果更佳，但適合較寬道路的配光卻不適合在較窄的道路應(yīng)用場景中，即燈具單側(cè)布置的場景相對而言難度更大，按照寬高比W/H=1設(shè)計(jì)的配光可以通過調(diào)整燈桿高度 (7～13.5m)、挑臂 (0～1.5m)、仰角 (0～15度)以及布燈方式 (中間布置、對稱布置、交錯(cuò)布置)等，可以滿足6～42m的多數(shù)應(yīng)用場景;按照距高比S/H=3.75設(shè)計(jì)的配光，通過適當(dāng)調(diào)整燈桿高度 (7～13.5米)，可滿足布燈間距20～50米的多數(shù)應(yīng)用場景。但應(yīng)用到不同材質(zhì)的路面時(shí)，要滿足亮度均勻度指標(biāo)，需另行設(shè)計(jì)配光曲線［2］。按照規(guī)范推薦的R3和C1兩種路面，最多四款配光可以滿足我國道路照明的絕大多數(shù)應(yīng)用場景。

5 結(jié)束語

半導(dǎo)體白光照明行業(yè)方興未艾，LED路燈行業(yè)也剛興起，業(yè)內(nèi)人士對道路照明應(yīng)用需求缺乏了解，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范不夠完善，整個(gè)LED道路照明行業(yè)處在探索性創(chuàng)新階段，所以難免出現(xiàn)許多認(rèn)識上或技術(shù)上的問題。筆者在撰寫本文的過程中，得到許多廠家的支持，為本文提供原始的配光數(shù)據(jù)資料，借此機(jī)會(huì)向他們表示誠摯的感謝。

［1］鄒吉平，李麗，解全花等.重視道路和隧道照明中亮度與照度的關(guān)系.照明工程學(xué)報(bào)，Vol.20 Supplement，2009(8):39～45.

［2］鄒吉平，李麗，解全花等.LED道路照明燈具配光設(shè)計(jì)的誤區(qū)分析——照度均勻性并非亮度均勻性.照明工程學(xué)報(bào)，Vol.20 Supplement，2009(8):46～52.

［3］國家標(biāo)準(zhǔn).CJJ45—2006.城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).

［4］國家標(biāo)準(zhǔn).JTJ 026.1—1999.公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范.