住宅小區(qū)道路LED 照明優(yōu)化設(shè)計(jì)分析＊

景晶晶，劉 鑫，劉為平

（江蘇開放大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 210036）

隨著生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，近年來綠色建筑取得了長足的發(fā)展，LED 照明技術(shù)也在各個(gè)綠色建筑園區(qū)被普及和推廣。

同時(shí)，中國已邁入高質(zhì)量發(fā)展的新時(shí)期，人民物質(zhì)生活水平不斷提高，居民夜間戶外活動(dòng)范圍在擴(kuò)大和時(shí)間在延長，對(duì)居住條件和出行體驗(yàn)提出了新的要求[1]。然而，目前住宅小區(qū)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)仍為空白[2-3]。因此，本文對(duì)住宅小區(qū)道路開展LED 照明優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 道路特征與照明需求

1.1 住宅小區(qū)道路特征

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，與工業(yè)園區(qū)、綠地景區(qū)道路不同，居住區(qū)道路個(gè)性化程度普遍較低，具有以下特征：①道路功能單一。新建小區(qū)道路平面設(shè)計(jì)趨勢是人車分離，小區(qū)內(nèi)道路以人行道為主，車行道主要位于四周或入門處。老舊小區(qū)主干道為機(jī)非混行，支路以人行為主。②道路材料和結(jié)構(gòu)簡單。車行道一般為瀝青混凝土路面，為1～2 車道，寬度約4～7 m；內(nèi)部人行道路采用的材料種類較多，如鵝卵石、透水磚、砌塊、混凝土磚等，寬度約為1～5 m。一般路寬5 m 左右的人行道在交叉口處設(shè)置可移動(dòng)式隔離樁，以備發(fā)生火情時(shí)做消防通道使用。③交通流速慢，且具有鮮明的潮汐規(guī)律。早晚上下班時(shí)間車流較密集，其他時(shí)間段車流很少。車流速度較慢，一般設(shè)計(jì)時(shí)速為20 km/h，實(shí)際行駛速度為5～20 km/h，較少發(fā)生超速現(xiàn)象。

1.2 照明現(xiàn)狀與需求分析

現(xiàn)階段住宅小區(qū)道路照明問題主要包括以下幾點(diǎn)[4-5]：①住宅小區(qū)道路照明設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)為主，或參考城市道路中支路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。一般行車道設(shè)計(jì)照度約為3～6 lx，人行道設(shè)計(jì)照度約為0.5～3 lx。燈具布設(shè)方式單一，一般采用低桿燈單側(cè)布設(shè)，間距約為10～20 m。②照明控制方式落后，以集中手動(dòng)為主，照明設(shè)施維護(hù)不及時(shí)。③照明能耗強(qiáng)度高。目前住宅小區(qū)道路照明多選用高壓鈉燈等傳統(tǒng)光源，其對(duì)新型節(jié)能光源的選用較市政道路、景觀道路等落后。

2 LED 照明設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

從實(shí)踐角度出發(fā)，選取目前住宅小區(qū)普遍使用的高壓鈉燈和國家大力推廣使用的LED 節(jié)能光源為普通照明方案和節(jié)能照明方案的代表光源，開展照明優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

為了充分發(fā)揮道路照明的功能，提高能源利用效率，基于視覺科學(xué)理論，在城市道路和高速公路方面各國均開展了一系列照明研究，并提出了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示。

表1 各國城市道路照明評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4，6]

分析發(fā)現(xiàn)，各國照明標(biāo)準(zhǔn)可以分為照度類、亮度類和可見度類。對(duì)于道路照明，行人和駕駛員感受到的視覺信息來源于路面和周邊環(huán)境的亮度，而不是光源的直接照度，所以亮度類指標(biāo)更合理。但由于亮度類指標(biāo)計(jì)算和檢測方法都較復(fù)雜，在工程中難以推廣，因此小體量照明工程設(shè)計(jì)一般選擇更具操作意義的照度類指標(biāo)。

此次研究對(duì)象是住宅小區(qū)道路，其亮度計(jì)算需考慮路面、人行道、房屋和環(huán)境等條件，更為困難。因此，本文以平均照度Eh，av為設(shè)計(jì)核心，選取平均照度Eh，av、照度均勻度UE、眩光限制閥值增量TI為指標(biāo)開展住宅小區(qū)道路照明優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 測試試驗(yàn)

照明是為安全行車服務(wù)的，評(píng)價(jià)行車安全的關(guān)鍵指標(biāo)是停車視距，取決于車輛速度和制動(dòng)時(shí)間，而制動(dòng)時(shí)間受車速、照度及光源顏色共同影響。為得到不同設(shè)計(jì)速度下高壓鈉燈黃光、LED 白光下的照度，在南京市住宅小區(qū)開展了照度測試試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：道路終點(diǎn)處架設(shè)與成人高度寬度相似的目標(biāo)物；駕駛汽車勻速行駛到起點(diǎn)，點(diǎn)擊計(jì)時(shí)器；駕駛員觀察到目標(biāo)物，開始制動(dòng)，點(diǎn)擊計(jì)時(shí)器；車輛靜止，點(diǎn)擊計(jì)數(shù)器；檢測現(xiàn)場照度，記錄光源類型。

根據(jù)試驗(yàn)方案，車速依次為5 km/h、10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h，巡航駕駛，獲得不同光源條件下制動(dòng)時(shí)間與車速和照度的擬合關(guān)系。

2.3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中給出的停車視距計(jì)算公式、試驗(yàn)得到的制動(dòng)時(shí)間與車速和照度的擬合關(guān)系，推導(dǎo)出兩種光源的平均照度Eh，av、行駛速度、停車視距的關(guān)系如下所示：

式（1）（2）中：v為行駛速度，km/h；S為停車視距，m。

而CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中規(guī)定了不同設(shè)計(jì)車速的停車視距要求，將其代入后，可以得到不同車速條件下的兩種光源照度要求。照度均勻度UE指標(biāo)采用國際照明委員會(huì)CIE 的研究成果，眩光限制閾值增量TI指標(biāo)沿用CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中要求。因此，本文提出住宅小區(qū)照明設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)最低限值要求，如表2 所示。

表2 不同速度條件下住宅小區(qū)照明設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)限值

可見相同車速條件下LED 光源和高壓鈉燈光源的設(shè)計(jì)要求差異不大，LED 燈的平均照度和照度均勻度指標(biāo)限值略高于高壓鈉燈，而眩光限制閾值增量略低于高壓鈉燈。

3 照明功效數(shù)值仿真

利用DIALux 軟件對(duì)LED 燈和高壓鈉燈兩種光源進(jìn)行不同布設(shè)方式下的照明光效仿真模擬研究。建立7.5 m（1.5 m人行道+4.5 m 車行道+1.5 m 人行道）的住宅小區(qū)道路，路面選擇CIE R3 普通干燥瀝青路面，Q0 為0.07，如圖1 所示。

圖1 DIALux 軟件照明數(shù)值仿真

仿真分析發(fā)現(xiàn)，相同功率的LED 光源照明效果優(yōu)于高壓鈉燈光源。住宅小區(qū)道路照明仿真時(shí)采用56 W 的LED 光源和83 W 的高壓鈉燈光源，相同布設(shè)下有相似的照度結(jié)果。分析不同布設(shè)方式對(duì)光效的影響如圖2 所示。

圖2 3.5 m 光源高度不同布設(shè)方式下的最佳照明效果

可以看出，三種方案均能滿足照度要求，單側(cè)布設(shè)的最佳間隔最短為8 m，雙側(cè)布設(shè)和交叉布設(shè)的最佳間隔為14 m。因此，若小區(qū)道路只設(shè)置一側(cè)人行道，單側(cè)布設(shè)成本最優(yōu)。交叉布設(shè)和雙側(cè)布設(shè)在照度均勻度上表現(xiàn)顯著，優(yōu)于單側(cè)布設(shè)。其中交叉布設(shè)時(shí)照明功效適度，而燈具數(shù)量相對(duì)較少；雙側(cè)布設(shè)時(shí)照明功效過優(yōu)，存在一定資源浪費(fèi)。

若采用實(shí)踐中使用較多的20 m 路燈間隔、交叉布設(shè)燈具，能夠得到兩種光源不同布設(shè)高度下的路段平均照度和照度均勻度變化，如圖3 所示。

圖3 不同安裝高度下兩種光源的照明效果

由圖3 可知，兩種光源的評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著光源高度的變化趨勢相似，其中平均照度與安裝高度負(fù)相關(guān)，照度均勻度與安裝高度正相關(guān)。高壓鈉燈和LED 燈滿足20 km/h 時(shí)速時(shí)，平均照度和照度均勻度要求的安裝高度均在3.5～4 m 間，最佳布設(shè)高度為4 m。

考慮到燈具市場和小區(qū)設(shè)計(jì)施工現(xiàn)狀，設(shè)雙側(cè)人行道的小區(qū)道路照明設(shè)計(jì)按照15 m 間隔交叉布設(shè)，設(shè)單側(cè)人行道的小區(qū)道路照明設(shè)計(jì)按照10 m 間隔單側(cè)布設(shè)，光源布設(shè)高度為3.5～4 m。

4 結(jié)論

結(jié)合住宅小區(qū)規(guī)模小特點(diǎn)，本文提出以平均照度為核心，包含平均照度、照度均勻度和眩光限制增量閥值增量3個(gè)指標(biāo)的照明評(píng)價(jià)體系；基于試驗(yàn)測試和理論推導(dǎo)，提出不同設(shè)計(jì)車速下，傳統(tǒng)高壓鈉燈照明方案和LED 照明方案的設(shè)計(jì)指標(biāo)限值；通過數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)同等照明光效下LED燈較高，壓鈉燈節(jié)能48%。燈具布設(shè)方面，設(shè)雙側(cè)人行道的小區(qū)道路LED 照明設(shè)計(jì)按照15 m 間隔交叉布設(shè)，設(shè)單側(cè)人行道的小區(qū)道路LED 照明設(shè)計(jì)按照10 m 間隔單側(cè)布設(shè)，光源布設(shè)高度推薦3.5～4 m。