背街小巷照明LED燈具配光方式與設計探討

朱繼紅 ，李 瑤 ，林海闊 ，李 濤 ，許 敏

（1.蘇州市城市照明管理處，江蘇蘇州215005；2.山西光宇半導體照明股份有限公司，山西臨汾041000）

背街小巷居住人群以中老年人和出租戶為主，大部分此類街巷路幅較窄，燈間距較大。受實際安裝條件限制，目前蘇州市區(qū)，尤其是古城區(qū)內的背街小巷，路燈大量采用抱箍燈的形式固定于供電水泥桿或照明自立水泥桿上，光源為23～48 W節(jié)能燈，配搪瓷燈罩。雖然初步實現(xiàn)了照明，但配光效果差，光源損壞率高，給中老年居民出行帶來不便，照明質量無法滿足市民要求。而近年來隨著LED技術的發(fā)展，LED技術漸趨成熟，采用新技術在現(xiàn)有抱箍燈條件下解決實際照明需求不僅有必要，也完全具有可行性。針對背街小巷的應用環(huán)境，結合LED光源特點與配光優(yōu)勢，探討LED路燈的適用性結構、配光設計，再經(jīng)照度模擬計算及現(xiàn)場實測，以滿足背街小巷功能性照明的需求。

1 安裝環(huán)境與照明需求

1.1 安裝環(huán)境

1）背街小巷LED路燈主要安裝在供行人和非機動車混合使用的居住區(qū)背街小巷的道路，不改變現(xiàn)有的安裝和配電方式，仍采用抱箍燈形式固定于供電水泥桿或照明自立水泥桿上。

2）燈高約4.5～5 m，燈間距約30～40 m，路幅為2～4 m，燈臂長約 1 m，仰角約 5°～10°，燈具接口尺寸為48～60 mm，安裝方式為單排排列。

3）因使用在供行人和非機動車混合使用的居住區(qū)，在保證一定照明質量的前提下考慮照明舒適性，控制眩光。

4）燈具外形和外殼顏色要適合城區(qū)背街小巷的周邊環(huán)境。

1.2 照明需求

1）按照《城市道路照明設計標準》中對人行及非機動車道照明要求設置標準值，40 m燈間距要求路面平均照度維持值≥5 lx，路面最小照度≥1 lx，最小垂直照度1.5 lx。

2）為保持舒適度，LED光源色溫定為4 000 K±200 K，一般顯色指數(shù)Ra≥75。

3）為均衡節(jié)能與照明質量，系統(tǒng)功率≤30 W，燈具效能≥100 lm/W。

4）背街小巷維修設備難以進入，為便于維護，要求燈具自潔性好，外表應光潔，燈具必須有透光玻璃罩，采用高強度高透射鋼化玻璃。

5）整燈防護等級IP65，光源腔防護等級IP66，采用結構型防水。

6）驅動電源、浪涌保護、眩光閾值增量和使用壽命以及照明質量等其他指標要符合標準要求。

2 燈具配光方式及設計

通常將LED封裝成朗伯光源或近朗伯光源，這類光源在路面上形成的是不均勻的圓形光場，其中心光強較大，徑向衰減很快。而道路照明系統(tǒng)需要在其被照區(qū)域形成矩形光場，矩形光場能在滿足路面照明亮度、照度要求的同時提高光能利用率，且有利于均勻度的提高。背街小巷的環(huán)境，相對主次干道需要更大距高比配光，對LED燈具的配光要求較高。通過LED路燈燈具的配光方式和光學系統(tǒng)設計，將光分配到長窄路面區(qū)域，獲得了較好的照明效果。

2.1 燈具配光方式

正常情況下，LED燈具可以進行三次配光，而目前大部分道路照明燈具采用二次配光方式，也就是芯片封裝時的一次配光，光源板設計時再針對道路橫向與縱向配光要求進行透鏡或反光杯式的二次配光。對于特殊使用需求，LED燈具可進行三次配光，LED路燈的三次配光是在大功率LED一、二次配光完成的基礎上，通過對多個LED(單元模組)疊加和空間排列實現(xiàn)，以滿足道路照明平均亮度、平均照度和均勻度的要求，三次配光有平面式配光、弧面式配光、多折面式配光和反光杯式配光4種基本方式。背街小巷LED燈具有其特殊性，需要部分光源采用二次配光與三次配光相結合的方式。

2.2 燈具配光設計

針對街巷照明需求，先使用仿真技術，對反射曲面求解，優(yōu)化設計各參數(shù)。其次，對設計模型進行實物樣品分析和評價，使用配光測試設備測試。最后，將樣燈安裝到現(xiàn)場測試。經(jīng)過以上步驟對設計模型逐步修正，循環(huán)多次，直至滿足現(xiàn)場實際需求。

2.2.1 遮光限制條件

在背街小巷檔距為40 m，燈高5 m的條件下，需要大距高比燈具，配光角度不低于76°，而為控制眩光和保證燈具外形美觀，燈具中心出光角必須限制在70°內，超過70°，光將嚴重削弱，燈具外沿遮光限制如圖1所示。

圖1 遮光限制示意圖

2.2.2 配光設計與燈具設計

設計一種光學器件2（PMMA透鏡二次配光后增設反光器三次配光），置于燈具外沿的正上方，該光學器件可以把光線配到燈具外沿，實現(xiàn)盡可能大的配光角度（70°～78°）。再設計一種光學器件1（PMMA透鏡配光），用于配合以上光學器件2的配光效果，彌補燈具正下方光強不足的問題。燈具斷面如圖2所示。

圖2 燈具斷面

經(jīng)過反復仿真模擬與現(xiàn)場測試，燈具外形如圖3所示。

圖3 燈具外形

2.2.3 配光曲線模擬

優(yōu)化設計后光學器件1、2和燈具配光合成后的配光曲線模擬如圖4～6圖所示。

圖4 光學器件1配光曲線模擬圖

圖5 光學器件2配光曲線模擬圖

圖6 燈具配光合成后配光曲線模擬圖

3 實測結果

3.1 燈具性能測試

經(jīng)過實驗室測試，燈具材質、防護等級、光學性能、電氣性能和安全保護等指標均滿足道路照明燈具各項標準和規(guī)范要求。

3.2 現(xiàn)場照明質量測試

將生產(chǎn)的3套系統(tǒng)功率28 W、色溫4 000 K、一般顯色指數(shù)75的LED燈具樣燈安裝到背街小巷抱箍燈燈臂上。在現(xiàn)場路幅4 m，燈間距40 m，燈對地高5 m，燈臂長1 m,仰角8°，單排連續(xù)布燈的條件下，測試結果如表1、表2所示。

表1 測試點平均照度

表2 測試結果

3.3 結果分析

經(jīng)過燈具的配光設計仿真、實物樣燈的試用改進、樣燈安裝現(xiàn)場實際測試，再對設計模型不斷修正，循環(huán)多次。燈具性能測試與現(xiàn)場照明質量實測的各項數(shù)據(jù)表明，選擇的LED燈具能滿足現(xiàn)場實際照明要求，達到了應有的照明效果。

4 結論

目前雖然部分城市也提出了背街小巷整治工程設計導則，并將照明設施改造納入其中，但總體而言，背街小巷道路照明仍是大部分城市照明設計的難點，照明質量差的現(xiàn)象普遍存在。問題的關鍵在于重視程度不夠，難點在于如何設計和平衡好照明能效、照明質量、照明舒適度和資金投入之間的關系。因各個城市情況不同，今后如何根據(jù)不同城市的特點將背街小巷LED路燈系列化和規(guī)格標準化，也是一個需要解決的問題，同時，仍需在LED技術發(fā)展與實際應用過程中不斷研發(fā)新產(chǎn)品，改進照明方式，更好地滿足市民對照明的更高需求。

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