青島海灣大橋LED低空照明應(yīng)用分析

◎ 山東高速青島公路有限公司 張國(guó)慶

山東高速公路股份有限公司信息管理中心 張 偉

【關(guān)鍵字】海灣大橋 LED 低空照明 分析

一、青島海灣大橋項(xiàng)目簡(jiǎn)介

青島海灣大橋是國(guó)家高速公路網(wǎng)青島至蘭州高速公路的起點(diǎn)段，是山東省“五縱四橫一環(huán)”公路網(wǎng)主框架的重要組成部分，也是青島市規(guī)劃的膠州灣東西岸跨海通道“一路、一橋、一隧”中的“一橋”。青島海灣大橋一期工程?hào)|起青島側(cè)環(huán)灣大道李村河大橋北200米處，終于黃島側(cè)膠州灣高速公路東1公里處，順接濟(jì)青南線設(shè)計(jì)起點(diǎn)，中間設(shè)立紅島互通立交與紅島連接線相接。主線全長(zhǎng)28.047公里，其中跨海大橋25.171公里，青島側(cè)接線749米，黃島側(cè)接線1.3公里。主線橋?qū)?5米，雙向六車(chē)道，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為80公里/小時(shí)。

青島海灣大橋建成后，必將成為島城的標(biāo)志性建筑和重要的景點(diǎn)之一。為保證夜間行車(chē)安全，并展現(xiàn)海灣大橋在夜間的獨(dú)特魅力，需要針對(duì)橋梁進(jìn)行符合美學(xué)規(guī)律的照明設(shè)計(jì)。為此，不僅需要關(guān)心橋梁交通安全的需要，也需要關(guān)心橋梁與周?chē)h(huán)境的相互影響，關(guān)心橋梁的標(biāo)志性意義。海灣大橋的夜景照明應(yīng)是功能性和景觀性并重，將兩者結(jié)合起來(lái)以達(dá)到舒適、安全的照明效果，實(shí)現(xiàn)橋梁交通功能與景觀功能的有機(jī)統(tǒng)一。

二、燈光照明設(shè)計(jì)要求

青島海灣大橋地處海灣，自然環(huán)境條件復(fù)雜、氣候惡劣多變，它的燈光照明方案必須基于對(duì)當(dāng)?shù)氐乩砗蜌夂颦h(huán)境的充分熟悉和認(rèn)識(shí)，按高速公路路橋技術(shù)規(guī)范結(jié)合大橋運(yùn)營(yíng)功能需求、自然條件而設(shè)計(jì)。除需要以節(jié)能、環(huán)保和智能化為設(shè)計(jì)理念之外，還需要對(duì)景觀效果做充分的考慮。其設(shè)計(jì)要求如下：

表一 青島海灣大橋技術(shù)指標(biāo)

1、符合照明功能要求

橋梁的照明直接影響到車(chē)輛的行駛安全，在照明設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證一定的亮度和均勻度，要讓駕駛者能清楚地分辨路面交通情況和交通標(biāo)志，且不感到眼部疲勞，同時(shí)對(duì)眩光的控制尤為重要，以確保交通安全。由于海面上往往濕度較大，霧天較多，能見(jiàn)度較低，因此還必須考慮光源的透霧性及誘導(dǎo)性。同時(shí)，亮度的選擇要符合夜景照明的有關(guān)規(guī)定，抑制光污染。

2、高可靠性

青島海灣大橋距離長(zhǎng)，其所處環(huán)境具有高鹽霧、多雷雨、臺(tái)風(fēng)等天氣的特點(diǎn)。因此，在燈具的選擇和安裝方面要充分考慮到抗震、抗風(fēng)、抗腐蝕、易于維護(hù)等因素。系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)具有多重防護(hù)，可抵御感應(yīng)雷擊和電網(wǎng)浪涌，防水氣侵入和鹽霧腐蝕；在個(gè)別設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，不影響或者少影響照明系統(tǒng)的按時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉。單燈可自穩(wěn)壓，能克服電網(wǎng)、長(zhǎng)距離供電電壓波動(dòng)對(duì)道路照明及設(shè)施的影響，延長(zhǎng)光源壽命。

3、環(huán)保節(jié)電

為達(dá)到照明要求需安裝較多數(shù)量的燈具，這帶來(lái)了巨大的電力消耗。為此，應(yīng)在滿(mǎn)足照明功能要求的情況下，盡量選擇節(jié)能燈具。采用路燈控制系統(tǒng)，根據(jù)交通量及環(huán)境情況控制路燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及照度控制，以減少照明系統(tǒng)用電負(fù)荷。

4、增強(qiáng)橋梁美觀度

整體照明效果要塑造建筑物良好的夜間形象，同時(shí)其燈位布置又不能破壞建筑物的日間形象。作為景觀的一部分，橋梁照明需具備觀賞性和裝飾性。照明設(shè)計(jì)應(yīng)把握建筑師的設(shè)計(jì)風(fēng)格和意圖，在不改變橋梁原有風(fēng)格、結(jié)構(gòu)、布局的同時(shí)，使之在夜間煥發(fā)出不同于白天的風(fēng)彩，并將建筑物重點(diǎn)部位的結(jié)構(gòu)和裝飾細(xì)節(jié)展示的更加鮮明、恢宏。

三、大橋照明技術(shù)參數(shù)

青島海灣大橋是連接青島、紅島、黃島的重要交通干道，車(chē)速快，流量大，整個(gè)大橋?qū)φ彰饕蠓浅Ｖ?，由于目前?guó)家對(duì)LED低空照明沒(méi)有具體實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，故參照國(guó)際照明委員會(huì)CIE提供的大橋照明質(zhì)量七項(xiàng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)為：橋面平均照度、橋面均勻度、眩光閾值增量、燈具溫升、燈具壽命、IP等級(jí)、LED粒子光效。

四、LED和HID鈉燈實(shí)際比較

1、LED低空照明和高壓鈉燈高桿照明比較優(yōu)劣勢(shì)：

目前大橋采用的主要是高桿鈉燈光源，具體見(jiàn)以下圖片：

杭州灣大橋燈光照明效果夜視圖

東海大橋燈光照明效果圖

青島大橋燈光照明效果圖

中國(guó)目前已建成的海灣大橋如杭州灣大橋和東海大橋均采用燈桿和高壓鈉燈光源作為主照明，青島海灣大橋?qū)⒉捎肔ED低空照明作為照明，兩者優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)以下分析：

● 高壓鈉燈發(fā)光顏色為黃色，色溫及顯像指數(shù)都比較低，顯像指數(shù)僅為25左右（黃光）。

LED光源的色溫可以在4000～7000K之間靈活選擇，顯像指數(shù)可達(dá)80以上，視覺(jué)效果更接近于自然光。

● 鈉燈的燈泡結(jié)構(gòu)決定了燈具的光源利用率較低，僅有70%左右。燈管的發(fā)光角度為360°，大部分必須通過(guò)反射器反射后才能照射到指定區(qū)域。

LED燈具光源利用率高，約為90%，LED二極管發(fā)光角度同燈具的發(fā)光角度可保持一致，方向性強(qiáng)，因此燈具大部分的光是直接照射到指定區(qū)域，光源利用率高。

● 高壓鈉燈燈泡啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，啟動(dòng)時(shí)造成電壓波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)有污染，再次啟動(dòng)時(shí)需要有一定的時(shí)間間隔。高壓鈉燈在通電5～10分鐘左右的時(shí)間，才能達(dá)到正常的亮度，再次啟動(dòng)的時(shí)間間隔一般要大于5分鐘。

LED燈不存在啟動(dòng)延時(shí)問(wèn)題，直流驅(qū)動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有污染?？伤矔r(shí)接通，隨時(shí)工作，能夠非常方便地實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)能控制。

● 鈉燈由于燈亮?xí)r與燈滅時(shí)的溫度差異很大，若燈體不帶呼吸系統(tǒng)時(shí)，反射器容易被有害氣體腐蝕而產(chǎn)生較大光損。

LED燈具不需要加裝呼吸系統(tǒng)，利用設(shè)計(jì)可很好地解決散熱問(wèn)題，此大橋上采用的一般功率為4W到10W的燈具，燈具散熱效果好，亮燈時(shí)燈具表面上溫度約為30℃左右。

表二 低桿鈉燈和低空LED燈照明性能比較

● 從眩光閾值上看，高桿路燈的眩光閾值一般都在9～15之間，而采用低空LED照明的眩光閾值可控制在1～5之間，對(duì)駕乘人員影響低。

● 鈉燈壽命一般在2萬(wàn)小時(shí)左右（GE NG400T/E40 標(biāo)稱(chēng)壽命為2.4萬(wàn)小時(shí)），和鎮(zhèn)流器、觸發(fā)器、電容配套使用，將會(huì)低于2萬(wàn)小時(shí)（實(shí)際應(yīng)用中，很少達(dá)到2萬(wàn)小時(shí)的壽命）。

LED光源的壽命可達(dá)到3萬(wàn)至5萬(wàn)小時(shí)（CREE R2芯片標(biāo)稱(chēng)壽命5萬(wàn)小時(shí)），驅(qū)動(dòng)壽命一般在3萬(wàn)到5萬(wàn)小時(shí)，配套使用燈具散熱非常好的情況下（大橋低空照明燈具功率都在4W到10W之間），壽命將達(dá)到3萬(wàn)小時(shí)以上。

綜上可知，在能達(dá)到相同照明要求的情況下，LED燈具比鈉燈在功耗上有很大的優(yōu)勢(shì)，更加符合目前國(guó)家所倡導(dǎo)的低碳、節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)的大方針,缺點(diǎn)是由于低空LED燈具目前還處于研發(fā)及起步階段，造價(jià)成本相對(duì)較高，目前在特大型橋梁工程上面的功能性照明還沒(méi)有具體實(shí)際案例，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。

五、Led護(hù)欄燈低空照明實(shí)踐

雖然低空LED護(hù)欄燈還沒(méi)有大規(guī)模的應(yīng)用，但是根據(jù)資料顯

表三 鈉燈和LED燈具在安裝和維護(hù)性能比較

表四 低桿鈉燈和低空LED燈能耗對(duì)比

說(shuō)明：

◇為了比較方便，以上數(shù)據(jù)是模擬青島海灣大橋28千米長(zhǎng)，且使用兩種燈具的具體數(shù)據(jù)

◇低桿鈉燈燈具計(jì)算方法為:大橋間隔33M布燈

◇低空LED燈具計(jì)算方法為:大橋間隔2M布燈

◇電費(fèi)采用30天，每天10小時(shí)，單價(jià)1元/千瓦時(shí)示，LED的低空護(hù)欄照明目前在全國(guó)很多地方立交橋在應(yīng)用，以下是實(shí)例：

遠(yuǎn)處是高壓鈉燈，顯色指數(shù)明顯比LED差。護(hù)欄管LED燈光照明效果實(shí)圖。

從以下照片實(shí)景圖可以看出，LED低空照明完全能滿(mǎn)足實(shí)際照度需求，而且照度均勻性較好，顯色性也明顯好于高壓鈉燈。

武廣高鐵株洲站

廈門(mén)立交橋（近景圖、俯瞰圖）

六、LED低空照明在青島大橋上的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)表一可知，燈具的主要設(shè)計(jì)點(diǎn)為以下幾點(diǎn)：

平均照度：根據(jù)表一可知，CIE規(guī)定室外交通區(qū)域的照度范圍是20～30lx，照度均勻度一般控制在0.3～0.4之內(nèi)就能滿(mǎn)足車(chē)輛行駛的要求，而參與青島海灣大橋LED護(hù)欄燈試驗(yàn)段的部分燈具均勻度能達(dá)到0.6甚至更高，這可以基本滿(mǎn)足電視轉(zhuǎn)播的需要。

眩光限制：由觀察者視野內(nèi)出現(xiàn)的高亮度發(fā)光體而引起的眩光為直接眩光。在觀察者眼睛來(lái)看，直接眩光一般來(lái)自于于視軸成0°～45°角的范圍內(nèi)，尤其以0°～20°最為嚴(yán)重（如下圖1所示）。

圖1

圖2

說(shuō)明：

1.燈具安裝在護(hù)欄上，高度為1.2m

2.護(hù)欄總高1.4m

3.圖中的矩形線為汽車(chē)，車(chē)內(nèi)人高為1.3m左右

4.如圖所示，車(chē)內(nèi)的人眼的距離燈具的安裝高度相差10cm以上，也就是說(shuō)燈具的出光口在人眼正視范圍以下(﹣5°角)，沒(méi)有燈具的直射光射入人眼，這就非常好的解決了燈具的眩光問(wèn)題

5.這個(gè)方案對(duì)燈具的配光有著非常的要求，燈具的出光口必須位于紅線之間

6.目前參與試驗(yàn)段的廠家有幾家采用此方式來(lái)解決眩光問(wèn)題，實(shí)際效果良好。

以護(hù)欄燈具為例，在圖1所示中，由于不采用燈桿，人眼無(wú)法在45°以上看見(jiàn)燈具，故燈具設(shè)計(jì)時(shí)如果將眩光限制在0°以下的負(fù)角，那將是非常完美的解決眩光問(wèn)題，以下是部分廠家實(shí)際采用的解決方式：

眩光閾值：

閾值增量TI是用來(lái)度量失能眩光的。失能眩光會(huì)造成可見(jiàn)度的下降。這是因?yàn)閬?lái)自眩光源的光在視網(wǎng)膜方向上散射，形成一個(gè)明亮的光幕，疊加在原本清晰的景象上，從而增加了背景亮度，使對(duì)比度降低。這個(gè)光幕可用一個(gè)等效光幕亮度Lv來(lái)度量。閾值增量的大小除了取決于光幕亮度外，也和眼睛的適應(yīng)亮度Lav有關(guān)。其計(jì)算公式為：

式中：K—年齡系數(shù)，一般取10，適合23歲的觀察者

Lav—路面平均亮度(cd/m2)

Eeyei—由第i個(gè)光源在垂直視線方向上的人眼視網(wǎng)膜的照度（lx）

θ—視線方向和第i個(gè)眩光源入射觀察者眼睛光線方向的夾角(°)

n—眩光源總數(shù)

由式中可以看出，此眩光閾值增量主要針對(duì)路燈而言，因?yàn)樗泄庠丛诖怪币暰€方向上的照度，而低空照明的燈具安裝在人眼以下（如圖2所示）,故眩光閾值增量在這里就不再適用。也就是說(shuō)，采用低空照明，眩光閾值基本為零，對(duì)駕駛員視線幾乎沒(méi)有影響。

燈具溫升：

由于此次燈具均采用低功率照明，最大不過(guò)10瓦，燈具設(shè)計(jì)散熱合理，燈具溫升在30℃，基本沒(méi)有影響。

燈具壽命：

采用CREE芯片，選用高可靠性配套電源，燈具整體適用壽命預(yù)計(jì)在3萬(wàn)小時(shí)以上。

燈具的光效：

由于指定采用光效在110Lm以上的芯片，燈具基本上采用凸鏡的反射方式，損失率相對(duì)HID光源來(lái)說(shuō)，燈具效率一般在80%以上,有效光效在90Lm以上。

七、LED低空照明問(wèn)題及展望

LED是以半導(dǎo)體為原材料，加以高科技電腦芯片而產(chǎn)生的發(fā)光二級(jí)管照明產(chǎn)品，它以無(wú)燈絲、無(wú)汞、無(wú)電子熒光粉、純凈照明的綠色光源走進(jìn)人類(lèi)生活，它與一般的照明燈具相比具有綠色、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、冷光源等特點(diǎn)，光源壽命在3萬(wàn)小時(shí)以上，色溫5000K左右，接近于日光，同等照度可比傳統(tǒng)光源節(jié)能50%～70%，無(wú)重金屬排放，無(wú)紫外線及紅外線放射，完全符合國(guó)際和國(guó)內(nèi)的照明行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

雖然目前LED燈具還不太成熟，總是存在這樣或那樣的缺陷，較為昂貴，同時(shí)目前還是以國(guó)家道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，在實(shí)際上有一些具體標(biāo)準(zhǔn)不符合LED特別是低空照明的需要。

2009年初，為了擴(kuò)大內(nèi)需，推動(dòng)我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，降低能源消耗，科技部推出“十城萬(wàn)盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范城市方案，計(jì)劃涵蓋北京、上海、深圳、武漢等21個(gè)城市。青島海灣大橋也是積極響應(yīng)國(guó)家的提倡，首次在如此長(zhǎng)的大橋上采用LED低空照明，雖然也存在著未知風(fēng)險(xiǎn)，但是在前期的準(zhǔn)備工作和試驗(yàn)段燈具的使用情況下，讓我們對(duì)LED低空照明有著比較深的認(rèn)識(shí)和信心，相信青島海灣大橋一定會(huì)是第一個(gè)吃“螃蟹”的LED低空照明的大工程。在相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專(zhuān)家及廠家的共同努力下，LED低空照明將在青島海灣大橋得以應(yīng)用，同時(shí)LED光源必將成為21世紀(jì)的主導(dǎo)光源。LED低空照明在青島海灣大橋的應(yīng)用與實(shí)踐，也將為國(guó)內(nèi)、外其它大型橋梁及城市立交照明工程實(shí)施提供一個(gè)新的思路與借鑒。