采用低安裝高度LED燈具的道路照明

周生力 李 騰 蘇 浣

(勤上半導體照明技術研究院，東莞 523565)

1 引言

LED以其優(yōu)異并日趨先進的光色電性能，完全能夠并且已經大量取代傳統(tǒng)光源，成為各照明應用領域的新寵。在此進程中，LED的作用又不僅僅在于替代，而更在于對現有照明質量的提升、在于對新興照明需求的滿足、在于對照明應用領域的擴展和對照明設計理念的創(chuàng)新，引領著一場照明的革命。

具體對于低安裝高度照明 (簡稱低位照明)來講，傳統(tǒng)光源和傳統(tǒng)技術局限了其在各功能性照明領域的應用，也限制了低位照明功能性效果的發(fā)揮。

2 低安裝高度照明應用現狀

當前，低位照明主要應用于消防通道等的應急照明，庭院、草坪等的景觀照明，也局部用于車道較窄的道路欄桿照明。

應急照明［1］:低位照明在消防通道的應急照明指示照明的應用主要是考慮到發(fā)生火災情況下，煙霧彌漫將削弱高位應急指示照明燈光的強度，而且煙霧的升騰將使得地面相對于高空煙少、氧氣多，正常匍匐逃生時低位指示照明的作用將得到彰顯。按照《建筑設計防火規(guī)范》規(guī)定，疏散指示標志應設置在疏散走道及其轉角處距地面高度1米以下的墻面上 (如圖1)。目前航空工業(yè)、客船等領域也已經具有相關的低位照明技術要求標準。

圖1 應急疏散指示低位照明

景觀照明:低位照明在景觀照明領域的應用著眼于對景觀氛圍的渲染、多元色彩的表現、光影效果的控制、景觀構型的重塑和對細節(jié)亮點的強調等等。例如通過泛光燈對建筑墻體的低位安裝上射泛光照明能夠給人以偉岸端莊的印象 (如圖2);低位草坪燈的使用則更多是對不同景物區(qū)塊的區(qū)分。而且，即使低位燈具往往也通過創(chuàng)意的造型做出藝術性的表達，但在景觀照明領域選擇低位照明方式更多目的是取其隱蔽性、能與景物融為一體，方便安裝與維護等優(yōu)點［2］。

圖2 景觀泛光照明

欄桿照明:對比于應急指示照明和景觀照明，欄桿照明是功能性要求最突出的應用，但限于傳統(tǒng)技術，目前欄桿照明只能應用于車道寬度較窄的道路欄桿，而不當的配光和設計往往使得道路功能性照明效果差強人意 (如圖4)，使欄桿照明淪為僅用于勾勒欄桿輪廓的裝飾性照明 (如圖3)。

圖3 傳統(tǒng)護欄燈

圖4 配光處理不當的護欄燈

3 低位照明的加強和創(chuàng)新應用

因為傳統(tǒng)光源和傳統(tǒng)技術的限制，傳統(tǒng)的低位照明的應用偏向于裝飾性的景觀照明，功能性照明的表現不佳。LED光源以其優(yōu)異光色電性能、精確配光和高度可控性，在傳統(tǒng)低位照明應用上替代傳統(tǒng)光源顯得毫無難度。而在功能性照明上，LED則可得到廣泛的加強和創(chuàng)新應用，并且具有無可比擬的優(yōu)勢。

3.1 LED新型護欄燈的應用

同樣采用低位安裝方式，對比傳統(tǒng)護欄燈，LED護欄燈將可在以下方面得到加強:

1)采用大功率超高亮度LED，解決傳統(tǒng)護欄燈裝飾性大于功能性的問題;

2)依靠精確配光技術獲得一個高亮度均勻度的車道表面，解決傳統(tǒng)護欄燈照明效果差的問題。

3)采用二次非成像技術［3］實現光的大角度水平投射，破解傳統(tǒng)護欄燈只能用于車道寬度較窄道路的局限 (見圖5)。

圖5 LED護欄燈效果圖

3.2 LED低位路燈的應用

目前，道路照明燈具的安裝方式大都為桿裝，桿高多為8～12m，在立交或平面交叉路口常采用桿高20m以上的高桿照明，而LED低位路燈將安裝在離地面1.5m以下的高度。如同LED護欄燈技術，LED低位路燈將能夠達到并優(yōu)化當前道路照明效果，其成功應用也將大大擴展低位照明的應用范圍 (見圖6、表1)。

圖6 LED低位路燈應用示意圖

表1 道路高桿照明、常規(guī)照明和低位照明的比較

對于高桿照明和常規(guī)照明具有改善道路與空間環(huán)境亮度的優(yōu)點，低位照明僅照亮地面，但在除了進出路口及交叉路口等節(jié)點外的大部分路段，對空間的照亮將導致光浪費而且可能帶來直接眩光的發(fā)生。

綜上，LED路燈低位照明的應用將優(yōu)化道路照明效果，同時節(jié)約成本、方便安裝并實現二次節(jié)能。

4 具體應用及系統(tǒng)解決方案

以LED護欄燈為例，針對傳統(tǒng)護欄燈存在的均勻度低、眩光、安裝復雜等問題，我們綜合考慮了精密配光控制、眩光控制、頻閃控制、安全簡便又兼顧防霧、耐鹽霧腐蝕的要求，設計出一款低位照明燈具 (如圖7)。

4.1 配光控制

上述LED低位照明燈具的光度測試數據如表2所示，可以看出該燈具光源光通量為638.6lm，燈具光通量為583.6lm，采用高透過率的二次光學透鏡和PC面罩，燈具效率可達到91.4%。

圖7 LED護欄燈

表2 LED低位照明燈具的光度數據表

通過適當的LED排布和二次光學透鏡設計，配光效果十分理想 (見圖8～圖11)。

4.2 眩光控制

由于低位照明燈具的安裝高度在1.5m以下，為正常行駛中的汽車駕駛員視線以下，故無對汽車駕駛員造成直接眩光的影響。而根據具體路況，在上坡路段即需進行眩光控制，特殊路段采用特殊配光處理的燈具或者調整安裝狀態(tài)可以加以解決。

4.3 頻閃控制

LED光源直流驅動的特性決定了LED本身無頻閃的情況，加上驅動器的恒流設計，為LED燈具的穩(wěn)定工作提供了保障 (見圖12)。

為避免汽車駕駛員行駛過程中由于燈具間隔安裝導致的頻閃感覺，根據北美道路照明標準，本設計的燈具安裝間距避開了5～10Hz的頻段，即相當于80km/h時燈具間距大于4.44m或小于2.22m，采用了2m的安裝間距。由于低位安裝，無直接燈光進入人眼，頻閃效應更加不會發(fā)生［4］。

圖8 LED低位照明燈具配光曲線

圖9 三維配光圖

圖10 側面配光分布示意圖

圖11 平面配光分布示意圖

圖12 頻閃控制示意圖

4.4 安全考慮

考慮到低位安裝燈具在防觸電保護、耐熱防火、耐腐蝕、以及防機械撞擊等特殊要求，本設計燈具燈體采用鋁合金外殼并做防腐蝕表面處理、面罩采用防火材料、對帶電部件采用加強絕緣和雙重絕緣、采用Z型連接方式等等。

4.5 供電方式及異常反饋

本項目采用集中控制的可調式恒壓電源，首先集中供電可以顯著降低項目的成本，另外相對于傳統(tǒng)的恒流源而言，恒壓源也有如下優(yōu)勢:

1)恒壓源工作于低電壓，對人體更加安全;

2)恒壓源可以避免大電容的使用，而大電容恰是LED電源的壽命瓶頸所在，因此恒壓源明顯具有更長的壽命和更佳的可靠性;

3)恒壓源具有相對較小的體積，更加易于安裝和維護;

即使考慮到燈具LED的伏安特性曲線的漂移，我們也可以通過調整電源的輸出電壓來滿足LED的正常工作，而這種漂移一般是一個長期的過程。同時，通過對電源輸出電流的監(jiān)控反饋，我們可以監(jiān)測整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，例如當一盞燈被盜時，總電流會明顯降低到異常水平，觸發(fā)相應的系統(tǒng)報警，這種簡單的措施可有效防盜。

4.6 維護考慮

相對于方便安裝維護的優(yōu)點，塵灰泥沙、汽車尾氣、以及可能的機械撞擊和人為破壞等等都給低位照明燈具的維護帶來了難題。為此，本設計燈具面罩附加了具有自凈功能的鍍層材料，并通過對燈體的機械強度加強以及合理牢靠的安裝設計，能夠有效保護燈具同時防盜。不可避免的是，低位照明的應用和效果保持需要更多的維護來保障，因此更加適合橋梁、高速公路、隧道等環(huán)境相對較為封閉處的應用。

4.7 應用實例

圖13是該燈具在某海灣大橋上實際應用的效果圖，圖中燈具雙側對稱分布，安裝高度1.2米，燈具間距2米，整個橋面寬度為12米。

圖13 實際照明效果

圖14 測試布點示意圖

實際測試時我們選取了橋面中間段對稱6個燈的對應區(qū)域，具體布點方式如圖14:

測試點在橋面上縱向的間距為1米，橫向間距為1.2米，邊緣測試點與燈的橫向間距為0.6米，用照度計測試后數據如表3。最終可計算得到平均照度值:31.19lx，縱向均勻度:0.85以上，總均勻度 (最小/平均)0.5962。

表3 橋面照度從實測值 (單位:lx)

5 結論

LED護欄燈的低位安裝照明打破了傳統(tǒng)模式，能夠充分滿足該應用場合的照明要求，并在節(jié)能環(huán)保、眩光控制，配光分布等方面有突出優(yōu)勢。同樣的設計理念也適用于擴展到道路照明領域，這將引起道路照明設計理念的變革，為照明方式多元化提供了新方向。

［1］姚沁.低位照明應急系統(tǒng).上海消防.1996年05期.

［2］宗良慧.城市景觀橋梁照明設計實踐與探討.光源與照明.2007年05期.

［3］薛國良.非成像光學及其應用.物理通報.1995年04期.

［4］劉洋.基于駕駛員生理與心理反應的公路隧道光環(huán)境分析.內蒙古大學碩士論文.2009年.