道路照明標(biāo)準(zhǔn)比較和節(jié)能分析

史玲娜，陳偉民，劉顯明,賴(lài) 偉，雷小華

(1.重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司交通工程與節(jié)能分院，重慶 400067)

通信作者：陳偉民，E-mail:wmchen@cqu.edu.cn

引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)和交通的快速發(fā)展，作為城市建設(shè)配套的照明規(guī)模及數(shù)量越來(lái)越大，城市照明的用電量也在迅速上升。如何在滿(mǎn)足城市道路照明要求，實(shí)現(xiàn)交通安全及交通通暢的前提下，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理地節(jié)電已成為當(dāng)前的一個(gè)重要課題[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外在道路照明節(jié)能方式的研究上主要體現(xiàn)在以下兩方面：一是采用優(yōu)質(zhì)高效的新光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源，如2009年中國(guó)科技部推出的“十城萬(wàn)盞計(jì)劃”就是充分利用LED光源的巨大的節(jié)能潛力來(lái)逐漸代替高壓鈉燈等傳統(tǒng)光源，即重點(diǎn)研究LED光源及燈具的設(shè)計(jì)[2-4]；一是根據(jù)不同時(shí)段道路照明的要求來(lái)實(shí)現(xiàn)按需照明，如早期采用的半夜以后關(guān)閉半數(shù)光源以達(dá)到節(jié)電效果[5]，近期研究用智能調(diào)光技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段光源強(qiáng)度的自動(dòng)控制以達(dá)到照明節(jié)能[6-7]。這兩種方式都是從工程實(shí)施的層次即戰(zhàn)術(shù)層次進(jìn)行道路照明節(jié)能設(shè)計(jì)，其前提必須滿(mǎn)足現(xiàn)有道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這就意味著道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照明節(jié)能水平起著至關(guān)重要的影響。如果標(biāo)準(zhǔn)要求過(guò)高影響節(jié)能水平，如果標(biāo)準(zhǔn)要求過(guò)低會(huì)影響行車(chē)安全。因此，從道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)自身出發(fā)，研究如何在保證道路照明行車(chē)安全前提下使標(biāo)準(zhǔn)本身更利于節(jié)能，在道路照明節(jié)能的研究上具有更深層次的意義，這一研究工作的開(kāi)展可以將道路照明節(jié)能的研究從戰(zhàn)術(shù)層次上升至戰(zhàn)略層次，從而實(shí)現(xiàn)更大程度的節(jié)能。

各國(guó)對(duì)本國(guó)道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定及研究一般都是在現(xiàn)有道路交通實(shí)際情況的基礎(chǔ)上參考國(guó)際道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)際上最權(quán)威的有兩大標(biāo)準(zhǔn)體系：一是國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)提出的《機(jī)動(dòng)車(chē)和人行交通的道路照明建議》(CIE115—1995)，它為全球絕大多數(shù)國(guó)家采用；二是北美照明工程協(xié)會(huì)(IESNA)提出的《道路照明》(RP-8-00)[8-9]，它主要在美洲國(guó)家使用。這兩套標(biāo)準(zhǔn)都是在道路行車(chē)安全與節(jié)能這兩個(gè)因素之間進(jìn)行了全面的平衡，且都在相當(dāng)大的范圍上獲得了推廣，但對(duì)于這兩套標(biāo)準(zhǔn)的異同，國(guó)際上也僅僅進(jìn)行了一些定性層次的比較[10-12]，至于這兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)在評(píng)價(jià)方法、照明指標(biāo)、節(jié)能效果等方面的主要差異，尚缺乏定量的深入研究。因此，深入分析這兩種標(biāo)準(zhǔn)在評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法上的定量差異及與之相關(guān)的照明效果及能耗差異，對(duì)從道路照明標(biāo)準(zhǔn)的戰(zhàn)略高度上推動(dòng)節(jié)能減排具有較大的工程指導(dǎo)意義和科學(xué)價(jià)值。

1 兩種道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的比較

1.1 CIE提出的道路照明推薦標(biāo)準(zhǔn)

在CIE115—1995中，機(jī)動(dòng)車(chē)道路被分為M1—M5五類(lèi)，用平均亮度Lave、亮度總均勻度Uo、亮度縱向均勻度UL、環(huán)境比SR和評(píng)價(jià)眩光的閾值增量TI來(lái)評(píng)價(jià)道路照明質(zhì)量，其評(píng)價(jià)內(nèi)容與指標(biāo)具體如表1所示[8，13-15]。

表1 CIE道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(115—1995)Table 1 The road light standard in CIE (115—1995)

1.2 IESNA提出的道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

在美國(guó)道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，道路按道路復(fù)雜程度和車(chē)流量大小被分為六大類(lèi)，對(duì)于每一類(lèi)道路又分別根據(jù)路面反射材料的不同及人流量的大小設(shè)定高中低三檔不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)規(guī)定值。IESNA提出了三類(lèi)道路照明評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要選擇合適的指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這三類(lèi)指標(biāo)分別是照度指標(biāo)(包含平均照度和照度均勻度)、亮度指標(biāo)(包含平均亮度、亮度均勻度和亮度縱向均勻度)和小目標(biāo)可見(jiàn)度指標(biāo)。其中照度指標(biāo)和亮度指標(biāo)中均含有評(píng)價(jià)眩光的光幕亮度比指標(biāo)，具體內(nèi)容與指標(biāo)如表2所示[9]。

1.3 道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)比較

1.3.1 定性比較

根據(jù)CIE和IESNA兩類(lèi)道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容可以得出兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車(chē)道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上的差異主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇。CIE主要采用亮度指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，也包括閾值增量TI和環(huán)境比SR指標(biāo)；而IESNA則采用了三種指標(biāo)即照度指標(biāo)、亮度指標(biāo)和小目標(biāo)可見(jiàn)度指標(biāo)STV進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中照度指標(biāo)和亮度指標(biāo)中均包括光幕亮度比指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)眩光。

表2 美國(guó)城市照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(照度和亮度推薦值)Table 2 The road light standard in USA(illuminance and luminance recommend value)

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法。主要差別體現(xiàn)在亮度指標(biāo)的計(jì)算上，CIE規(guī)定每個(gè)車(chē)道上只有一個(gè)觀(guān)測(cè)者，且固定于計(jì)算區(qū)域起始位置后方60米處，觀(guān)測(cè)一個(gè)燈具周期內(nèi)的所有矩陣點(diǎn)的亮度(如圖1所示)；而IESNA則規(guī)定計(jì)算區(qū)域的每一行矩陣點(diǎn)均設(shè)一個(gè)觀(guān)測(cè)者，且每個(gè)觀(guān)測(cè)者始終觀(guān)測(cè)該矩陣行方向前方83米處矩陣點(diǎn)的亮度(如圖2所示)，意味著IESNA標(biāo)準(zhǔn)中的觀(guān)測(cè)者不僅在垂直于車(chē)道方向上做橫向運(yùn)動(dòng)，且在平行車(chē)道方向上做縱向運(yùn)動(dòng)。

圖1 CIE道路照明計(jì)算方法圖示Fig.1 Calculation method of road lighting in CIE

圖2 IESNA道路照明計(jì)算方法圖示Fig.2 Calculation method of road lighting in IESNA

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)的定義和指標(biāo)規(guī)定值。對(duì)于平均亮度Lave、亮度總均勻度Uo和亮度縱向均勻度UL，CIE和IESNA在其定義上正好是倒數(shù)關(guān)系，并且從數(shù)值上看，相同指標(biāo)所規(guī)定的CIE標(biāo)準(zhǔn)明顯比IESNA標(biāo)準(zhǔn)要高，如表1、表2所示，IESNA的平均亮度Lave是CIE的60%，亮度均勻度Uo是CIE要求的82%。

1.3.2 定量比較

為了定量分析這兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)在亮度計(jì)算方法上的差異，選擇了PHILIPS公司的五種典型的道路照明燈具，它們的配光分布及光學(xué)參數(shù)如圖3所示。對(duì)不同寬度的四種車(chē)道、三種燈具安裝方式的20種燈具和道路的組合(如圖4、表3所示)進(jìn)行計(jì)算，得到每種組合下CIE標(biāo)準(zhǔn)方法和IESNA標(biāo)準(zhǔn)方法在亮度指標(biāo)值上的差異(如圖5所示)。圖5中橫坐標(biāo)表示不同燈具和車(chē)道寬的20種組合方式，縱坐標(biāo)表示分別用CIE和IESNA所定義的亮度計(jì)算方法得到的平均亮度Lave、亮度總均勻度Uo和亮度縱向均勻度UL在數(shù)值上差異的相對(duì)值。從圖中可見(jiàn)，采用兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，平均亮度值Lave和亮度縱向均勻度值UL總體差異不大，其中用IESNA計(jì)算方法得到的亮度縱向均勻度UL大體上比用CIE方法得到的數(shù)值略大，而亮度總均勻度值Uo明顯大于用CIE計(jì)算方法得到的數(shù)值。這就意味著相比CIE標(biāo)準(zhǔn)的方法，用IESNA標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)設(shè)計(jì)燈具布置更容易在較低能耗的條件下達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 五種類(lèi)型的燈具Fig.3 Five types of luminaire

圖4 三種布燈方式Fig.4 Three arrangements of luminaire

表3 燈與道路類(lèi)型的組合方式Table 3 Compound mode of luminaire and road

圖5 兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)下亮度指標(biāo)值的差異Fig.5 Difference of luminance index deduced by two standards

2 不同標(biāo)準(zhǔn)下能源消耗的定量比較分析

由于道路照明標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算方法和規(guī)定值不同所導(dǎo)致的不同燈具安裝參數(shù)會(huì)影響到能耗大小的不同，故可采用最優(yōu)化方法對(duì)上述20種組合方式進(jìn)行不同標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下的燈具安裝條件優(yōu)化。為統(tǒng)一起見(jiàn)，兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)均采用亮度指標(biāo)進(jìn)行道路照明的優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，兼顧眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)，由不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)得到不同的燈具安裝間距S，結(jié)合不同燈具的功率W，可得相同道路在兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)設(shè)計(jì)下能源消耗的差異△E。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，假定每種組合下所需安裝路燈的道路長(zhǎng)度均為1 000米，根據(jù)最優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，得到兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)下每種組合所需的單側(cè)燈具數(shù)目如圖6所示。所耗能源之差用CIE和IESNA兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化下所耗能源的差值與用CIE標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化所耗能源之間的比值表示，其結(jié)果用百分比表示如圖7所示。

由圖6可知，采用IESNA的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及計(jì)算方法，相同組合下所用單側(cè)燈具數(shù)N均比用CIE標(biāo)準(zhǔn)少得多。而由圖7可知，采用IESNA標(biāo)準(zhǔn)中亮度的計(jì)算方法及規(guī)定，其相比于CIE標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)而言、能耗節(jié)約率最少的都在10%以上，最大的接近30%。以一個(gè)城市的市區(qū)道路和高速公路為5×104公里為計(jì)，均在滿(mǎn)足各自指標(biāo)要求前提下，由兩者得出的能源消耗的差別是相當(dāng)大的。

圖6 兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)下1000米單側(cè)道路內(nèi)所用燈具數(shù)Fig.6 The number of luminaire used within 1000m of unilateral road deduced by two standards

圖7 兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計(jì)下的能源消耗差異Fig.7 The difference of energy consumption directed by two standards

為與目前處于主流節(jié)能方式之一的燈具替換節(jié)能效果相比較，本文以一段1 000米三車(chē)道雙向?qū)ΨQ(chēng)布燈的機(jī)動(dòng)車(chē)道為例，在相同道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下(以CIE標(biāo)準(zhǔn)為例)，用一款PHILIPS公司的LIM Fortimo型LED燈具替換HPL-N80W型高壓鈉光燈具，圖8是這兩款燈具的配光分布及光學(xué)參數(shù)。通過(guò)道路照明配光優(yōu)化設(shè)計(jì)可得滿(mǎn)足指標(biāo)要求時(shí)的所用的每種燈具數(shù)目及能源消耗的大小，如圖9所示。由圖9可見(jiàn)：針對(duì)這段路段，由于LED燈具的光通量較小，直接用LED燈具替換鈉光燈具，要達(dá)到相同照明要求，所需的燈具數(shù)會(huì)增加25%，而由于LED燈具的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高壓鈉燈的功率，因此消耗的能源可減小58.3%。

圖8 高壓鈉燈和LED的光學(xué)參數(shù)Fig.8 Optical parameter of HPSL and LED

圖9 兩種燈具在相同標(biāo)準(zhǔn)安裝條件下的燈具數(shù)和能耗Fig.9 The number of luminaire and energy consumption optimized by the two type of luminaire based on same standard

如果進(jìn)一步結(jié)合道路照明標(biāo)準(zhǔn)的不同對(duì)節(jié)能的影響，將這款LIM Fortimo型LED燈具用IESNA的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行道路配光優(yōu)化用于該三車(chē)道路段，所得的燈具數(shù)和能耗與之前高壓鈉燈的結(jié)果相比如圖10所示。較之在相同標(biāo)準(zhǔn)下單獨(dú)的燈具替換，在將LED燈具用IESNA的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化布燈時(shí)，所用燈具數(shù)與高壓鈉燈在CIE標(biāo)準(zhǔn)要求下的燈具數(shù)減小6.2%，消耗的能源可進(jìn)一步減少68.8%。與之前用相同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行直接替換相比，由于所用LED燈具數(shù)減少，因此燈具的替換成本節(jié)約了24.8%，LED照明能源能耗在IESNA標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下又可比CIE標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下減少25%。

圖10 兩種燈具在不同標(biāo)準(zhǔn)安裝條件下的燈具數(shù)和能耗Fig.10 The number of luminaire and energy consumption optimezed by the two type of lumianire besed on different standard

由此可見(jiàn)，用IESNA道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行道路照明配光優(yōu)化，所消耗的能源普遍低于用CIE標(biāo)準(zhǔn)所帶來(lái)的能源消耗，再結(jié)合用高效LED燈具替換傳統(tǒng)照明燈具的節(jié)能方式，可以將能源節(jié)減的方式從單純的工程節(jié)能推進(jìn)至標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的最大化。

3 結(jié)論與建議

標(biāo)準(zhǔn)研究的目的就是根據(jù)實(shí)際情況、在保證行車(chē)安全與節(jié)能環(huán)保這兩者之間找到最佳平衡點(diǎn)。我國(guó)現(xiàn)有的《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)CJJ45—2006》在評(píng)價(jià)指標(biāo)上同時(shí)采用照度、亮度、評(píng)價(jià)眩光的閾值增量及環(huán)境比等照明評(píng)價(jià)指標(biāo)，在計(jì)算方法和指標(biāo)值的規(guī)定上，主要是參考了CIE標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法及指標(biāo)值，更多的考慮了行車(chē)安全的問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)CIE和IESNA的定量計(jì)算與分析可知，它們?cè)谠u(píng)價(jià)指標(biāo)、計(jì)算方法及指標(biāo)值上存在一定差別，且CIE中各項(xiàng)指標(biāo)要求略高于IESNA，從而在用這兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行道路照明設(shè)計(jì)時(shí)，相同情況下基于CIE獲得的路面照明效果略好于IESNA標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于保證行車(chē)安全較為有利；而相同情況下基于IESNA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行燈具布置優(yōu)化所需燈具數(shù)要明顯少于采用CIE標(biāo)準(zhǔn)，即用IESNA標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)道路照明燈具安裝在能源消耗上至少可比CIE標(biāo)準(zhǔn)的能耗降低10%，這對(duì)于節(jié)能減排與防止光污染較為有利。

上述定量對(duì)比僅是一個(gè)理論計(jì)算結(jié)果，還需要進(jìn)一步的深入研究，因此建議在今后道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的完善修訂中予以適當(dāng)考慮。由于我國(guó)地域面積廣、城市差異大，不適合一刀切，因此對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的研究是否可以區(qū)別對(duì)待，如：對(duì)于地廣人稀的部分地區(qū)如西部邊疆等地，可以考慮嘗試一下適當(dāng)借鑒IESNA標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)定義和確定指標(biāo)值；對(duì)于人口相對(duì)密集、道路相對(duì)復(fù)雜的地區(qū)如中東部一帶，還必須貫徹執(zhí)行CIE標(biāo)準(zhǔn)、保證較高的照明水平。

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