基于DIALux仿真分析的兩階段道路照明優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 曼，孟冠宇，夏道澄，朱建聰

(揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引言

道路照明是城市建設(shè)中的關(guān)鍵組成部分，“十四五”時(shí)期國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向中加快發(fā)展特色新興產(chǎn)業(yè)中指出要重點(diǎn)發(fā)展半導(dǎo)體照明等產(chǎn)業(yè)。其中，LED作為第四代綠色半導(dǎo)體照明光源，具有節(jié)能環(huán)保、光效高、顯色性好等優(yōu)點(diǎn)，用于道路照明，不僅可以提高夜間車輛行駛和行人行走的安全性，還可以降低城市電力消耗，節(jié)能環(huán)保。

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普遍應(yīng)用，道路照明中的節(jié)能手段除了使用節(jié)能燈具以外，還可以利用智能控制方式，如間隔開關(guān)設(shè)置、分時(shí)段智能調(diào)光設(shè)置進(jìn)行節(jié)能控制。間隔開關(guān)設(shè)置指在凌晨時(shí)間段，隨著車流量和人流量的下降，人們對道路的亮度需求降低，這時(shí)可以間隔關(guān)閉一部分路燈，以達(dá)到節(jié)省電能的效果。分時(shí)段智能調(diào)光設(shè)置指借助各類通信網(wǎng)絡(luò)，例如載波通信、ZigBee等技術(shù)，根據(jù)不同時(shí)段車流量的差異而改變道路照明燈具的亮度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能式的集中管控[1]。

通過兩種方式的對比發(fā)現(xiàn)，間隔開關(guān)設(shè)置的方式雖然在綜合節(jié)能率上比分時(shí)段調(diào)光控制方式高一些，但是照明效果和質(zhì)量卻沒有保障，間隔照明容易給行人以及行車司機(jī)造成視覺盲區(qū)，引發(fā)危險(xiǎn)[2]。

分時(shí)段智能調(diào)光模式可以將照明時(shí)段分為全亮階段和感應(yīng)照明階段。夜晚中當(dāng)車流量大時(shí)，使用全亮模式；當(dāng)后半夜車流量比較小時(shí)，進(jìn)入感應(yīng)照明階段，路燈進(jìn)入亮度比較低的狀態(tài)。那么，不管是哪個(gè)階段，都要對道路進(jìn)行照明設(shè)計(jì)，全亮階段要保證道路的照度、照度均勻度、眩光等級、環(huán)境比等參數(shù)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，以減少甚至避免各種摔傷、交通事故等意外的發(fā)生；感應(yīng)階段要在最大限度節(jié)能的前提下，保持一定的亮度均勻度，以免發(fā)生眩光。

在國內(nèi)，很多道路照明設(shè)計(jì)結(jié)果往往是燈具設(shè)計(jì)者根據(jù)照明標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得到的，而非客觀數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是效率低，可靠性差，而且也很少有人會根據(jù)智能道路照明系統(tǒng)的調(diào)光模式進(jìn)行兩階段模式的照明設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在專業(yè)人士都使用虛擬現(xiàn)實(shí)照明燈具的輔助照明設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，比如利用德國 DIAL GmbH公司開發(fā)的照明設(shè)計(jì)軟件DIALux進(jìn)行模擬仿真，計(jì)算速度快、準(zhǔn)確率高，還可以提供3D可視化、光跡追蹤偽色彩效果圖和室內(nèi)外參數(shù)計(jì)算表格等輔助設(shè)計(jì)功能，可以為智能道路照明系統(tǒng)的兩階段照明方式進(jìn)行照明設(shè)計(jì)，獲得最直觀、準(zhǔn)確、最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

1 目標(biāo)路段分析

設(shè)計(jì)方案的目標(biāo)路段位于揚(yáng)州市翠崗路(見圖1)，道路西始潤揚(yáng)北路東至百祥路段，道路總長度為439 m，道路總寬度為32 m(包括綠化帶、非機(jī)動(dòng)車道、輔路)，有效寬度為16 m，雙向四車道，自行車道寬3.5 m，自行車道與機(jī)動(dòng)車道之間的綠化隔離島寬度0.5 m，屬于城市次干路，道路級別為Ⅱ級。

圖1 目標(biāo)路段

2 道路照明設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ45—2015)(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》，見表1)中的規(guī)定和目標(biāo)路段的類型，路面平均亮度為0.75/1.0 cd/m2，亮度均勻度為0.4，縱向均勻度Ul為0.5，路面平均照度為10/15 LX，照度均勻?yàn)閁E為0.35，眩光限制T1最大初始值為10，環(huán)境比SR最小值為0.5。除了機(jī)動(dòng)車道需滿足照明標(biāo)準(zhǔn)以外，人行道的照明也要滿足照明標(biāo)準(zhǔn)中對人行道及非機(jī)動(dòng)車道的相關(guān)要求，平均照度≥10 LX，并滿足環(huán)境要求[3]。

表1 機(jī)動(dòng)車交通道路照明標(biāo)準(zhǔn)值

2.2 光源的選擇與布燈方式

2.2.1 光源的種類

目前用于道路燈具中的光源類型有金屬鹵素?zé)簟⒌蛪衡c氣體放電燈、高壓汞燈、LED燈等。高壓鈉燈色溫低、呈暖色、透霧性比較好；LED燈壽命長、顯色性好、光效高、色溫范圍廣。每種光源都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行光源的選擇時(shí)，應(yīng)從節(jié)能性、顯色性、壽命、重量等方面綜合考慮。

2.2.2 光源配光的選擇

常規(guī)的道路照明燈具按照配光曲線可以分為截光型、半截光型和非截光型，如圖2所示。截光型燈具的最大光強(qiáng)方向在0°～65°；半截光型燈具最大光強(qiáng)方向在0°～75°；非截光型燈具不限制最大光強(qiáng)方向角度，比較適用于明亮的、繁華的商業(yè)街道，不適合主干道。本設(shè)計(jì)方案可選用截光型或半截光型燈具。

圖2 不同配光曲線類型的道路燈具

2.2.3 光源功率選擇

光源功率在進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)遵循兩個(gè)原則：第一，滿足城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對道路的平均照度、亮度維持值的要求；第二，滿足照明功率密度(Lighting Power Density,LPD)的要求。一般情況下，光源的功率越大，光通量越高，光效越高，越容易滿足道路對照度和亮度的要求。但是，一味地追求高亮度的照明效果，使用大功率的燈具，LPD可能會超過國家標(biāo)準(zhǔn)，造成電能的浪費(fèi)，所以設(shè)計(jì)者在選擇燈具時(shí)要充分考慮燈具的功率，既要滿足照明效果，又要滿足LPD值的要求[4]。

2.2.4 布燈方式

在道路照明設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)者應(yīng)該根據(jù)目標(biāo)路段的寬度、形狀、道路環(huán)境、車流量以及夜間行人通行情況等要素，對燈具的布置方式進(jìn)行確定。通常，1個(gè)路燈燈桿頂端可以安裝1～2個(gè)路燈，然后將路燈按照一定間距連續(xù)地、均勻地、有序地排列在道路上，可以按照單側(cè)布置、中間布置、雙側(cè)交錯(cuò)布置、雙側(cè)對稱布置，如圖3所示。本文設(shè)計(jì)目標(biāo)路段寬度為16 m，雙向四車道，根據(jù)國家道路標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于道路路燈照明布置參數(shù)，路燈布置方式選擇對稱式布燈。

a 單側(cè)布置；b 中間布置；c雙側(cè)對稱布置；d雙側(cè)交錯(cuò)布置；e 鏈?zhǔn)讲贾?/p>

2.2.5 安裝高度

目標(biāo)路段燈具可選擇半截光型燈具，布燈方式選擇雙側(cè)對稱布置，根據(jù)道路照明標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于燈具配光類型、布燈方式與燈具的安裝高度、間距的關(guān)系(見表2)，本設(shè)計(jì)方案中路燈的安裝高度(H)應(yīng)≥0.6 Weff，燈桿間距(L)應(yīng)≤3H，其中Weff為道路寬度，計(jì)算可得，H≥9.6 m，L≤35 m[5]。

表2 燈具的配光類型、布置方式與燈具的安裝高度、間距的關(guān)系

4 目標(biāo)路段照明仿真計(jì)算

DIALux是一款可以模擬光環(huán)境并進(jìn)行照明仿真計(jì)算的軟件，可靈活用于室內(nèi)、室外、道路等環(huán)境的照明設(shè)計(jì)。根據(jù)目標(biāo)路段的路面亮度系數(shù)(Q0)和鏡面系數(shù)，選擇R3，路面比較干燥，Q0選擇0.07，道路模型如圖4所示。

圖4 翠崗路道路模型及詳細(xì)參數(shù)

4.1 不同配光燈具的仿真結(jié)果分析

根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)置道路照明標(biāo)準(zhǔn)，道路模型和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置完成后，筆者選用了兩款配光曲線不同的LED燈具，具體參數(shù)如圖5所示，兩款燈具均為COOPER品牌的燈桿式路燈，A款燈具光通量為11 820 lm，功率為109 W，光效為114.6 W/lm；B款燈具光通量為12 196 lm，功率為96 W，光效為127 W/lm。兩款燈具的發(fā)光效率差不多，但是A款的配光曲線屬于對稱式，B款屬于非對稱式(縱向長配光、橫向短配光)。

圖5 LED燈具參數(shù)

筆者將兩款燈具的IES分別導(dǎo)入模型，進(jìn)行仿真計(jì)算，布燈方式均為：雙側(cè)對稱布燈，每根燈桿2個(gè)燈頭，燈桿間距30 m，安裝高度12 m，臂架傾斜度為10°，懸臂長度為2.5 m。仿真結(jié)果如表3—4所示，兩款燈具的照明效果均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)，但是B款燈具的道路照明評估區(qū)域平均照度和亮度維持度比A款稍好，這樣更有利于兩階段調(diào)光時(shí)的亮度維持度更高。兩款燈具的能耗結(jié)果如表5—6所示，B款的電能消耗量每年可以比A款能節(jié)省208°電。

表3 A款燈具照明仿真結(jié)果

表4 B款燈具照明仿真結(jié)果

表5 A款燈具照明年消耗量

并且通過計(jì)算燈具利用率[5]，筆者發(fā)現(xiàn)A款燈具的利用率為：

表6 B款燈具照明年消耗量

B款燈具的利用率為：

兩款燈具的利用率相差8.3%，這說明對稱式的燈具在使用時(shí)會有很多的光線超過評估區(qū)域的范圍到達(dá)道路的外面，造成光線的浪費(fèi)；而非對稱式的燈具，由于橫向短配光，會使得更多的光線落在道路上，利用率更高。

4.2 兩階段照明仿真結(jié)果分析

通過以上分析，筆者發(fā)現(xiàn)，A款燈具雖然在全亮模式能滿足《標(biāo)準(zhǔn)》，但是在感應(yīng)模式中調(diào)光值為70%時(shí)，亮度維持值(Lm)僅為0.88，小于標(biāo)準(zhǔn)中的1.0，具體數(shù)值如表7所示，未滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求。

表7 A款燈具感應(yīng)模式(70%調(diào)光值)仿真結(jié)果

選用B款非對稱式LED燈具進(jìn)行兩階段(分時(shí)段)的照明設(shè)計(jì)。進(jìn)行分時(shí)段智能調(diào)光模式進(jìn)行節(jié)能控制時(shí)，除了使用通信手段判定車流量以外，還需要對調(diào)光值的大小進(jìn)行分析計(jì)算。全亮模式和感應(yīng)模式均需滿足《標(biāo)準(zhǔn)》，通過使用B款燈具調(diào)光值為70%的模式進(jìn)行仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)平均照度、照度均勻度、亮度維持值、亮度均勻度、眩光限值、環(huán)境比均滿足了《標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定，具體數(shù)據(jù)如表8所示。若路燈每天點(diǎn)亮?xí)r間按11小時(shí)，采用智能調(diào)光模式時(shí)，每天按7小時(shí)全亮，4小時(shí)調(diào)光(70%)，每年消耗量為1 367.8 kWh/年，與全亮模式相比可節(jié)約11%的電能。

表8 B款燈具感應(yīng)模式(70%調(diào)光值)仿真結(jié)果

5 結(jié)語

綜上所述，城市道路照明對城市的發(fā)展有著非常重要的作用，在進(jìn)行城市道路照明設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者要全面考慮道路照明的需求，從光源的選型、布燈方式到節(jié)能性，每一個(gè)設(shè)計(jì)部分都至關(guān)重要。不同類型的燈具應(yīng)用于不同的環(huán)境中會表現(xiàn)出不同的優(yōu)劣性，設(shè)計(jì)者要根據(jù)它們的特點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)；為了達(dá)到節(jié)約電能的目的，在使用通信手段進(jìn)行智能控制的同時(shí)，也應(yīng)確保照明設(shè)計(jì)方案是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是否符合人性化、舒適性的要求。筆者以揚(yáng)州市翠崗路中一段439 m的道路為設(shè)計(jì)對象，研究不同配光類型的路燈在道路中的照明效果、利用率的區(qū)別，并以此為基礎(chǔ)，選用合適的燈具進(jìn)行兩階段(全亮、調(diào)光)的照明仿真設(shè)計(jì)，得到了一個(gè)照明效果完全符合《標(biāo)準(zhǔn)》、可節(jié)約電能達(dá)11%的照明設(shè)計(jì)方案，為城市道路照明設(shè)計(jì)的可靠性提供了有利的數(shù)據(jù)方案。