LED、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈道路照明效果的研究

姜言泉，高　尚，邵新鵬，楊志強(qiáng)，王　瑩

(1.山東高速青島發(fā)展有限公司，山東 青島　266061；2.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南　250357；

3.青島鼎騰設(shè)計(jì)工程技術(shù)有限公司，山東 青島　266103；4.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南　250100)

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LED、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈道路照明效果的研究

姜言泉1，高尚2，邵新鵬1，楊志強(qiáng)3，王瑩4

(1.山東高速青島發(fā)展有限公司，山東 青島266061；2.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南250357；

3.青島鼎騰設(shè)計(jì)工程技術(shù)有限公司，山東 青島266103；4.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南250100)

摘要：對(duì)高壓鈉燈、金屬鹵化物燈以及LED三種道路照明常用光源進(jìn)行分析計(jì)算，利用基于視覺功效的MOVE模型得出了三種光源不同的照度修正系數(shù)。結(jié)果顯示中間視覺情況下人眼感覺到的照度值比明視覺照度計(jì)測(cè)得的值高10%～20%。此結(jié)果對(duì)中間視覺照度計(jì)的設(shè)計(jì)、照明工程的節(jié)能、燈具布局的合理化等都具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：中間視覺；MOVE模型；照度；道路照明；LED

引言

目前在道路照明中應(yīng)用較多的是高壓鈉燈、金屬鹵化物燈。但是高壓鈉燈的壽命很短，且顯色性差、耗電量大；而金屬鹵化物燈具有高光效、長(zhǎng)壽命、顯色性好、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，但市場(chǎng)上的金屬鹵化物燈燈內(nèi)的填充物中含有汞，一旦燈破損，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。LED作為一種新型照明光源，具有很多的優(yōu)勢(shì)。道路照明中使用LED將減少電費(fèi)支出、降低維護(hù)成本、提高道路出行安全。目前，大功率白光LED的光效已經(jīng)超過120lm/W，完全可以為夜間道路照明提供保障。

視覺分為明視覺、暗視覺和中間視覺。中間視覺的亮度范圍為0.001～3cd/m2。夜間道路的亮度一般是1.5cd/m2左右，處于中間視覺范疇。因此，在討論夜間道路照明問題，明視覺和暗視覺體系已不能使用，必須用中間視覺理論來解決。但是，由于中間視覺的亮度范圍內(nèi)人眼對(duì)物體響應(yīng)的復(fù)雜性等因素，中間視覺光譜光效函數(shù)還不能確定。

本文利用MOVE模型，確定不同光源的中間視覺條件下光譜光視效能最大值和不同亮度下的照度修正系數(shù)，并進(jìn)行分析比較，得出人眼感受到的照度值和普通照度計(jì)測(cè)得的照度值的區(qū)別，為設(shè)計(jì)適合中間視覺亮度條件下的照度計(jì)提供了依據(jù)。

1MOVE模型

確定中間視覺光度學(xué)模型的主要方法有異色視亮度匹配法、閃爍光度學(xué)測(cè)量法、視覺功效法、暗視覺光通量和明視覺光通量比值法等。實(shí)際中應(yīng)用較多的是視覺功效法，基于視覺功效法的模型有很多，比如美國(guó)LRC照明研究中心模型、歐盟MOVE模型[1]等。

歐盟國(guó)家的不同研究機(jī)構(gòu)對(duì)中間視覺下的視覺功效展開了很多研究，他們利用反應(yīng)時(shí)間在內(nèi)的多種視覺功效建立了兩個(gè)中間視覺模型，測(cè)量范圍是0.01～10 cd/m2，其中一個(gè)是線性模型，如下

(1)

其中M(x)是歸一化函數(shù)，V(λ)和V′(λ)分別是明視覺和暗視覺光譜光效函數(shù)，x是亮度適應(yīng)系數(shù)，且0≤x≤1。x=1時(shí)，Vmes(λ)為明視覺光譜光效函數(shù)，最大光視效能為683lm/W；x=0時(shí)，Vmes(λ)為暗視覺光譜光效函數(shù)，最大光視效能1700lm/W；0

2中間視覺等效照度系數(shù)的推導(dǎo)計(jì)算

本文選用NAV250W的高壓鈉燈(HPS)和CDO-TT 250W/828的金屬鹵化物燈(MH)，以及20 W的LED燈。這三種光源在暗視覺、明視覺狀態(tài)下的光通量以及比值見表1[2]。

表1　三種路燈暗視覺/明視覺狀態(tài)下的光通量及比值

根據(jù)式(1)可看到x的重要性，2005年Helsinki University of Technology給出了一個(gè)計(jì)算x值的較為準(zhǔn)確的模型[3]，如下

(2)

式中a=0.6816，b=0.02546，c=0.1300，d=0.005522，e=-0.002111，f=-0.01191，Lb為適應(yīng)亮度。根據(jù)表1給出的結(jié)果，可以由此公式求得三種光源在中間視覺不同亮度下的x值，見表2。

表2　不同光源不同適應(yīng)亮度下x值

光譜光視效能是度量輻射引起的視感覺情況的量，陳仲林等利用線性內(nèi)插法求得光譜光視效能最大值計(jì)算式[4]，在實(shí)際表征光源對(duì)于道路照明的影響時(shí)是可行的，其公式如下

(3)

其中ETd是網(wǎng)膜照度，且Lb=ETd/10，Kmm(ETd)為該照度下光譜光視效能的最大值(見表3)。因此我們可以得出適應(yīng)亮度和最大光譜光視效能的關(guān)系如下

(4)

中間視覺光譜光視效能最大值和光源種類無太大關(guān)系，可以忽略，而中間視覺照度為[5]

(5)

(6)

其中B是不同光源在不同適應(yīng)亮度下的照度修正系數(shù)，S/P為暗視覺和明視覺狀態(tài)下照度的比值，M(x)為使Vmes(λ)取最大值時(shí)的歸一化函數(shù)。

表4列出了不同適應(yīng)亮度不同光源時(shí)的照度的修正系數(shù)，從表中可以看出，人眼感覺到的中間視覺的照度值大于用明視覺照度計(jì)測(cè)得的照度值，且在適應(yīng)亮度為1.0～1.5cd·m-2范圍內(nèi)差別較大，相應(yīng)的修正系數(shù)較大。而夜間道路照明亮度一般為1.5cd·m-2左右，因此對(duì)照度進(jìn)行修正是十分必要的。

表4　不同適應(yīng)亮度不同光源照度修正系數(shù)

3結(jié)論

本文對(duì)道路照明常用的三種光源在不同適應(yīng)亮度下進(jìn)行照度修正，發(fā)現(xiàn)在不同亮度情況下人眼實(shí)際感受到的照度值要明顯大于實(shí)際照度計(jì)測(cè)量得到的照度值，其中LED燈的修正系數(shù)最大，為1.2 lx左右；高壓鈉燈的修正系數(shù)最小，為1.17 lx左右。這為隧道照明或夜間的道路照明所用的照度計(jì)的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，減少了照明設(shè)計(jì)中因?yàn)檫^度照明而產(chǎn)生的能源浪費(fèi)，對(duì)于燈具的合理布置、節(jié)能減排具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 莊鵬.CIE中間視覺光度學(xué)模型的分析和應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào)，2012，23(3)：35-41.

[2] 金鵬,喻春雨,周奇峰，等.LED在道路照明中的光效優(yōu)勢(shì)[J].光學(xué)精密工程，2011,19(1)：51-54.

[3] Helsinki University of Technology. Performance based model for mesopic photometry[R]. MOVE Report,2005.

[4] 陳仲林,楊春宇,何正軍.光譜光視效能最大值研究[J].照明工程學(xué)報(bào), 2003, 14(3):1-3.

[5] 李璇,金尚忠,王樂，等.中間視覺條件下不同色溫光源對(duì)道路照明的影響[J].光電子·激光,2011,22(7):997-999.

Study of the Road Lighting Effect of LED, HPS and MH

Jiang Yanquan1, Gao Shang2, Shao Xinpeng1, Yang Zhiqiang3, Wang Ying4

(1.ShandongHi-speedQingdaoDevelopmentCo.,Ltd.,Qingdao266061,China；2.ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China；3.QingdaoDingtengDesignCo.,Ltd.,Qingdao266061,China；

4.ShandongUniversity,Jinan250100,China)

Abstract：This paper analyzes three common light sources which are LED, HPS and MH. Illumination correction factor are obtained by MOVE model which is based on visual performance. The results show that illumination felt by human eyes are 10%～20% higher than the value received by an illumination. This result has great guiding significance to energy conservation of illumination work.

Key words:mesopic vision; MOVE model; illuminance; road lighting; LED

中圖分類號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.022