北京大興機場高速公路照明LED燈具選型及照度模擬論證

易偉強

廈門興南洋信息技術(shù)有限公司（福建 廈門 361000）

0 引言

國內(nèi)LED路燈大約從2005年開始推廣，目前LED路燈已成為各道路照明工程采用的主流燈具配置方案之一，并有逐漸取代高強度氣體放電類路燈如高壓鈉燈、金鹵燈等的趨勢[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展和使用，LED路具現(xiàn)在的主流配置方案包括COB集成式方案、模塊化方案、一體壓鑄式方案、傳統(tǒng)套殼式方案、小金豆集成式方案等。

1 項目介紹

北京大興機場高速公路（南四環(huán)路—北京大興國際機場）是一條連接市區(qū)和大興機場的重要高速通道，規(guī)劃為高速公路，雙向八車道，全長為27.2 km。全線設(shè)置兩處主線收費站（含附屬設(shè)施），主線為全程高架橋形式，兩處主線收費站采用路基形式，五環(huán)路—北京大興機場段橋梁長23 725.7 m。全線共設(shè)置6處互通立交，連續(xù)高架橋3座，橋梁占總里程的86.9%。北京新機場高速LED路燈安裝效果圖如圖1所示。

圖1 北京新機場高速LED路燈安裝效果圖

為保證車輛行駛安全，該項目采用全線連續(xù)照明方式，確保道路通行條件和提升道路形象。

該項目共安裝1 884根路燈、15 m投光燈56根，20 m投光燈86根，35 m高桿燈43根及24套隧道燈具。具體設(shè)計方案如下：

（1）主線照明采用13 m單挑雙光源方案，燈具功率為250 W+250 W；

（2）互通照明采用35 m高桿燈方案，燈具配備為30×400 W；

（3）收費廣場采用15 m、20 m高桿燈方案，燈具分別采用2×400 W、2×800 W和4×800 W配置；

（4）按照設(shè)計要求，燈具色溫選擇4 000 K，顯色指數(shù)為80，燈具光通量為100 lm/W。

2 主流LED燈具配置方案

2.1 COB集成式方案

COB集成式方案的LED路燈結(jié)構(gòu)簡單，外形設(shè)計方便，但是散熱和可靠性方面容易出現(xiàn)問題。其光源是由數(shù)十顆LED芯片串并聯(lián)封裝在小塊基材上形成，導(dǎo)致所有熱量聚集在小范圍內(nèi)難以散熱，極大地影響了燈具壽命。因封裝工藝復(fù)雜，發(fā)熱后易導(dǎo)致斷路、虛焊，使整個COB封裝器件損壞。目前，在國內(nèi)路燈采購項目中很多業(yè)主直接明確要求不得選用COB集成式方案[2]。

方案的優(yōu)點：燈具光源小，外觀比較容易設(shè)計成需要的各種外形。

方案的缺點：因光源集中，發(fā)熱量集中，且熱量不易被傳導(dǎo)，很容易引起光衰，所以燈具壽命短。

方案主要應(yīng)用范圍：室內(nèi)投光燈、射燈，小功率路燈等。

2.2 一體式壓鑄路燈和傳統(tǒng)套殼式路燈方案

一體式壓鑄路燈和套殼式路燈整體造型多變，可按客戶的需要設(shè)計成各種樣式。

方案的優(yōu)點：一體壓鑄式路燈造型多變，部分適配的功率性價比非常高。套殼式路燈是在類似鈉燈燈殼內(nèi)加裝模塊化LED光源套件。

方案的缺點：燈體外形固定，所以燈具功率也相應(yīng)確定，不容易制作大功率燈具。高低端產(chǎn)品性能、價格差距非常大。

方案主要應(yīng)用范圍：各種中小功率的LED路燈、投光燈。

2.3 小金豆路燈方案

小金豆路燈為早期路燈推廣時，為節(jié)約造價而采納的方案。因防護等級低、工藝粗糙、光衰嚴重，已經(jīng)基本在大型項目中淘汰。其價格便宜，目前主要應(yīng)用于對價格敏感的農(nóng)村道路照明或小型照明項目中。

2.4 陶瓷散熱模組方案

陶瓷散熱器是在LED燈具發(fā)展初期技術(shù)不成熟時期的一種技術(shù)路線，隨著LED芯片性能的提高，芯片散熱已不是技術(shù)瓶頸，該方案逐漸退出市場。目前，國內(nèi)僅少數(shù)廠家在用該方案做戶外燈具，主要用于特殊應(yīng)用環(huán)境，如海邊多腐蝕鹽霧的環(huán)境。

方案優(yōu)點：陶瓷比鋁合金耐鹽霧腐蝕，高濕度環(huán)境下絕緣性能相對較好，主要用于南方沿海道路、橋梁等高濕高鹽霧環(huán)境。

方案缺點：為保證陶瓷散熱器不被磕碰破壞，散熱器尺寸及壁厚較大，為降低成本只能選擇配備較大的單燈功率，通常是模塊化路燈的3～5倍以上，因此燈具的光衰比模塊化路燈高。在室外環(huán)境中使用，陶瓷散熱器表面微孔很容易被細小灰塵和尾氣油煙阻塞污染，使散熱效率遠遠達不到其宣傳的數(shù)值。生產(chǎn)廠家太少，后期維護不便，通用性不好，且燈具模組易積灰，影響配光效果，不適用于北京等干燥、多灰塵和霧霾天氣的使用環(huán)境。

方案主要應(yīng)用范圍：南方沿海城市高濕度鹽霧環(huán)境，如海濱道路、橋梁等的LED路燈、投光燈。

2.5 模塊化集成式方案

模塊化方案經(jīng)過10多年的使用已經(jīng)非常成熟，導(dǎo)熱、輻射、對流性能均衡，工藝成熟可靠，散熱性能優(yōu)異，可靠性高，光衰小。每顆燈珠獨立配光，地面照度均勻。目前，主流燈具廠家的LED路燈基本上選用模塊化路燈方案[3]。

方案的優(yōu)點：燈具光源采用模塊化設(shè)計，燈具功率可以根據(jù)需要隨意擴展；散熱設(shè)計優(yōu)秀，光衰小，壽命長；是目前道路功能性照明的絕對主流產(chǎn)品。

方案的缺點：燈具方正、大方，加工成異形燈具相對困難，如特殊復(fù)雜藝術(shù)造型要求。

模塊化發(fā)光模塊詳述：模塊化方案有很多種實現(xiàn)方法，通常一個模塊的功率為0～60 W。該項目因為路燈功率較大，推薦每個模塊的功率為50 W，項目需要的200 W、250 W、300 W路燈分別選用4個、5個、6個模塊即可。每個發(fā)光模塊配備60顆燈珠，用以降低功率，每顆燈珠獨立配光，以提高光效，延長燈具壽命。模塊化方案中還有些廠家選擇多顆燈珠配一個透鏡的做法，雖然節(jié)省了成本，但降低了散熱效率，配光效果不好，該項目不建議使用非獨立配光方案。

方案主要應(yīng)用范圍：各種功率的LED路燈、投光燈、隧道燈具等。

3 模塊化燈具選定

根據(jù)上述對LED路燈各種方案的分析，結(jié)合北京新機場高速實際需要，筆者認為應(yīng)該選用模塊化LED路燈方案，比較符合項目實際需要。模塊化方案發(fā)展成熟，各方面性能優(yōu)異，且采用模塊化組裝，外觀簡潔大方。該項目路燈有多種功率規(guī)格，包括單光源、單雙光源燈具等，采用模塊化方案安裝時造型容易統(tǒng)一，燈具功率可調(diào)，支持50～800 W范圍，完整覆蓋了項目燈具的功率范圍，且無論做成單光源還是雙光源方案，效果都較好，外觀簡潔大方。

在模塊化基礎(chǔ)上燈具燈珠配光方面，選用單燈珠獨立配光方案，即每個燈珠單獨配置一個透鏡。此外，每個單燈具獨立配光、配透鏡，可以根據(jù)新機場高速實際路況需要單獨設(shè)計透鏡和配光曲線。這樣有助于提高高速路面的照度和均勻度，減少光效損失和浪費，給高速行車提供良好的照明條件，提高夜間行車安全性和舒適性，對減少交通事故、保證車輛在高速公路上安全、快速、舒適行駛具有重大意義[4-6]。

4 燈桿燈具結(jié)合設(shè)計

該項目燈具采用模塊化方案，燈具整體簡潔大方，同時配合燈具安裝需要，定制設(shè)計了配套燈桿桿型樣式。燈桿樣式采用終端雙排彎臂，整體造型方正大氣，燈具安裝在雙排彎臂中間，安裝牢固，燈具發(fā)光面完整面朝路面，能達到較好的照度效果。具體燈具燈桿整體樣式（設(shè)計效果圖）如圖2、圖3所示。

圖2 雙光源樣式

圖3 單光源樣式

采用模塊化燈具方案結(jié)合該燈桿樣式設(shè)計，項目單光源和雙光源燈桿樣式、整燈外觀統(tǒng)一，造型一致，外觀簡潔大方。而且，調(diào)整燈具功率時不需要調(diào)整燈桿構(gòu)件，并達到全線標準化統(tǒng)一的目的，有利于燈具的安裝施工和后續(xù)的檢修維護[7-8]。

5 整體照度分析

結(jié)合以上燈具燈桿選型，根據(jù)設(shè)計需求結(jié)合新機場高速實際路況進一步進行了照明效果的照度模擬計算和建模分析（以該項目13 m雙光源路燈為例）。

照度模擬計算如下：

高速路車行道采用13 m單挑雙光源鋼桿燈照明方式，照明燈具功率為300 W+300 W，燈桿對稱布置，燈桿安裝在兩側(cè)防撞護欄上，燈桿間距為40 m左右。

照度計算：

圖4 13 m雙光源（300 W+300 W）LED路燈照度計算機模擬圖

經(jīng)過上述照度模擬計算和建模分析，該項目13 m單挑雙光源低桿燈LED 300 W+300 W照度模擬結(jié)果如下：

（1）設(shè)計照度：33.1 lx；復(fù)核指標：41 lx。

（2）設(shè)計照度（亮度）均勻度：≥0.4；復(fù)核指標：≥0.604。

（3）設(shè)計功率密度：1.01 W/m2；復(fù)核指標：0.86 W/m2。結(jié)論：選型燈具的相關(guān)指標均達到設(shè)計要求，滿足設(shè)計規(guī)范要求。

6 總結(jié)

文章詳細分析了目前道路照明LED路燈選型基本方案的論證過程，包括LED燈具配置方案的選型論證、燈具配套燈桿整燈樣式的設(shè)計效果論證，以及最終的整燈照度、均勻度等光學(xué)指標的模擬計算和建模分析。最終確保道路照明的燈桿燈具整體選型符合項目實際需要，照明工程安裝效果、照度、均勻度等各項光學(xué)效果滿足設(shè)計預(yù)期，并達到各項規(guī)范指標。

北京大興機場高速公路基于高標準的照明選型方案設(shè)計，建成后的照明系統(tǒng)，光學(xué)、美學(xué)和使用控制效果均達到國內(nèi)一流水平，系統(tǒng)運行1年多來，得到社會及業(yè)界的一致好評，成為“新國門第一路”的亮點。