从光分布考虑选择合适LED功能灯灯具——LED功能灯在宁溧路道路照明工程中试用的一些思考

杨 韬

(南京路灯管理处，南京 210036）

0 引言

随着社会发展的进步，国家确立了节能减排的方针，为LED应用发展提供了坚实的基础。众多省市纷纷上马的LED路灯项目，明示了LED应用的强大生命力。但由于目前LED路灯尚缺少统一的技术标准和测量标准，没有某些强制性的性能指标，LED路灯质量良莠不齐，在一些地方过早地使用，影响了社会和用户对LED灯具的信心。为了有效引导我国半导体照明应用的健康快速发展，扩大半导体照明市场规模，促进产业核心技术研发与创新能力的提高，科技部在21座城市开展LED“十城万盏”应用试点示范活动，推动LED在城市道路、隧道、桥梁、小区等城市功能照明领域的应用，希望通过试点工作发现问题、取得经验。2008年初，我市开始在城市功能照明中研究、试验及应用LED，其中LED在城市道路照明中已得到部分应用，取得了一些设计经验，也发现一些问题。

1 LED灯具在道路照明应用过程中存在的问题

由于LED功能灯产品质量良莠不齐，在应用试验过程中存在光源光衰较大、灯具配件损坏难以更换、维护难度大、成本高、路面照明质量差等一些问题。其中路面照明质量问题主要集中在两个方面。

1.1 路面亮度不均匀

图1是一个LED功能灯应用的案例。路面上出现严重的光斑不均匀——斑马线现象。

斑马线现象的出现缘于路灯的配光曲线，灯具射出光束没有拉开并投射到两个较远的角度，而是把大部分光通量射向灯下较近的地方，使两灯之间的光通量不够，更谈不上投射过另一个路灯灯柱的远射光线了。

1.2 环境比SR值不符合要求

图1 LED照明斑马线现象

图1显示出的另一个问题就是在道路的两侧没有得到足够的照明，除灯杆后面有一点光以外，其他部分显得非常暗。利用许多颗LED光线的迭加得到路灯的全部配光的过程，是LED路灯设计的基础，据此，可以比较方便地将射向路边的光线截止掉，并用这样的措施来提高LED路灯的效率，从而减小LED路灯的使用功率，达到比使用传统光源更节能的目的。然而，这是不符合道路照明要求的。

2 LED路灯的光学特性

LED路灯是LED技术与路灯应用的有机结合，是相对新兴的产品。相比传统路灯，它将具备更多优异的特性，同时又对LED和灯具设计提出了新的更高的要求。合理的、优化的灯具光强分布是体现灯具光学设计水平的重要因素，其具有以下重要的意义:

(1）灯具光强分布与道路灯具布置的协同设计能更好地满足道路照明规范相应的要求;

(2）在同等灯具光效下，合理的灯具光强分布可以最大程度地节能;

(3）可以最大程度地满足道路使用者对于舒适、安全的要求。

3 灯具光分布对路面照明效果的影响

选择LED功能灯灯具进行路面照明设计，首先要了解LED路灯的光度学性能。影响路面照明效果的因素包括LED功能灯灯具的光输出、沿道路的纵向光分布、沿道路的横向光分布、C－90°和C－270°的配光对称性、光束均匀度和截光水平，以及LED功能灯灯具的能效。影响路面照明效果的灯具光分布因素如下。

3.1 灯具的光分布情况

3.1.1 灯具纵向光分布

灯杆间距与纵向光分布的关系如下:

纵向光分布是以最大光强的投射角度进行分类的，纵向投射角度不同的路灯，能够照亮的路面长度就不一样，如果沿道路纵向光线投射角度小的灯具，照亮的路面长度就比较短。当灯具沿道路纵向光线投射角度增大时，灯杆的间距增大，单位道路面积的灯功率就相应减小，光束投射的远或近是路灯节能水平的重要因素之一。

3.1.2 灯具沿道路的横向光分布

应按车道的数量配用适宜的横向配光类型的路灯，如某一类横向配光的路灯的正确应用是4车道，那么如果错误地用于2车道，就会有较大比例的光通量照射到道路以外的区域，光通量的利用率降低，LPD值会受到影响。

图2 相同功率不同配光灯具在路面上产生的光斑

3.1.3 C －90°和 C －270°的配光对称性

因为道路的纵向延伸特性，以及路边区域和屋边区域的照明需求不同，所以路灯应具有特殊的配光形式，满足照亮道路的同时、也适当照亮道路边界线旁的屋边，这体现在道路照明标准中的SR值。路边需要的光通量多，而屋边需要的少，所以路灯在满足上述光度特性以外，还应合理分配路边和屋边的光通量，在光度学上表达为C－90°和C－270°的光通量。测量得到的灯具配光图中C－90°平面和C－270°的配光曲线不能简单得处理成对称形式，否则，将产生灯具光通量分配不合理、利用系数不高的问题，降低灯具的照明效率。

3.2 光束均匀度

3.2.1 最大光强的γ角

最大光强的γ角位置与道路照明的均匀度有关，包括照度均匀度和亮度均匀度。DOE(美国能源部）给出的标杆是最大光强处于55°～65°区域内。

3.2.2 灯下点附近25°范围内的光强和最大光强的比值 I0～25/Imax

光束均匀度中另一个重要条件是灯下点的光强应是最小的，随着γ角的增大，光强应逐渐增大。灯下点附近25°范围内的光强I0～25和最大光强Imax的比值是评估路灯配光的均匀性的重要参数之一。I0～25/Imax≤0.35是路灯配光满足道路照明均匀度的重要条件之一，当其比值大于0.35时，会产生灯下点亮，灯杆之间暗的光斑不均匀现象。

3.3 截光水平

为了改善眩光对视觉的不良影响，要求道路照明灯具具有截光控制措施。从驾驶员的观察位置和观察方向分析，路灯垂直面上80°～90°的光输出会直接射入眼睛造成眩光。控制80°～90°的环带光通是控制路灯眩光的重要途径，DOE给出的标准是80°～90°的灯具光通量φ80～90不超过总光通量的10%。造成灯具眩光的另一个重要因素是80°～90°的光强太大。DOE给出的标准是80°～90°的光强I80～90不超过最大光强Imax的5%。

4 宁溧路工程概况

宁溧路(见图3）快速化改造工程位于南京市主城东南部，是南京市“井字外环”快速路网的组成部分，具有减轻城市中心路网压力、均衡路网流量、沟通新城区与主城联系、完善快速路网等功能。本次改造起于双桥门立交南端，终于麦德龙路，改造范围约2.5 km。主要相交道路有雨花路、大明路、宁南大道等。宁溧路全线高架，过麦德龙路后落地。

实验内容包括机场高速连接线新建匝道、拼宽桥梁、立交桥下改造道路的照明、宁溧路地面部分及高架桥道路的照明设计。本次照明实验使用LED功能灯部分为宁溧路高架桥下道路部分。整条路段共分为三种断面。本次照明设计使用LED功能灯部分为宁溧路高架桥下道路部分。共两种灯具:9 m高112 W LED功能灯和5 m高56 W LED功能灯(见图4）。

图3 宁溧路区位图

图4(a） 断面一

图4(b） 断面二

图4(c） 断面三

5 照明试验测试及相关问题探讨

为了保证道路照明设计的质量，我们结合Dialux照明设计软件和现场照度实测，对本工程选用的LED功能灯的照明质量进行评价，发现照明质量问题，从照明设计方法及LED功能灯灯具配光形式方面优化设计方案。本次现场灯具实测断面选择具有代表性的断面一的布灯形式，试验场地在应天大街高架桥下，其断面形式与断面一形式基本相同。试验分两次进行。

第一次照明方案选择的LED路灯的配光曲线(见图5）。

通过Dlalux软件模拟和现场实测照度结果分析，软件模拟结果基本能反映路面照明情况。通过软件模拟和照度实测，我们发现使用LED功能灯进行照明存在一些问题。

第一次选用LED灯具布灯方式及计算结果见表1。

表1 第一次选用LED灯具布灯方式及计算结果

图5(a） LED 56 W

图5(b） LED 112 W

某厂家提供LED灯具试验现场照明效果见图6。

图6(a） LED灯具试验现场照明效果

图6(b） LED灯具试验现场照明效果

通过照明计算及现场照度实测计算发现采用某厂家推荐的LED灯具进行道路照明时存在以下问题:

(1）路面照度计算值低，未达到标准要求(主干路30 lx，均匀度 0.4）。

(2）从照明软件计算结果看，路面照度均匀度良好，但从现场实测情况看，路面照度均匀度差。

从LED光源的配光特性来分析原因:

(1）本路段采用LED路灯功率为112 W(10 m）/56 W(5 m）小功率路灯，选用功率较小的光源导致路面照度值降低。

(2）以112 W LED灯具为例。

1）蝙蝠翼配光曲线两翼光强最大值过大(C90°－C270°配光平面中 50°方向的光强值最大，为623 cd/klm），而 0°方向的光强过小(C90°－ C270°配光平面0°到光强最大值出现角度50°中0°方向的光强值最小，为193 cd/klm），造成两灯之间的路面亮度过大，形成亮斑，灯杆下位置路面上照度过低，形成暗区，进而出现斑马纹效应。

2）LED路灯最大光强所在的γ为50°，角偏小，未达到等照度配光角度要求的最大光强所在的γ角在55°～65°范围之内，因而出现路面照度均匀度差的情况。

(3）灯下点附近25°范围内的光强I0～25和最大光强 Imax的比值 I0～25/Imax=193/623=0.310，符合I0～25/Imax≤0.35的情况，但由于存在 0°位置光强值过小的情况，仍然存在路面照度均匀度差的情况。

(4）C0°－C180°平面上的配光曲线基本为对称型，且最大光强值在0°附近，因此要达到较好的路面照明效果，需要增大灯具的安装仰角。本次方案计算和实际测量时灯具仰角为30°。

(5）从实测结果分析，虽然整体照度均匀度较好，但测试区域两灯之间部分具有很高亮度的亮斑，现场出现强烈的斑马纹效应，实际观察照度均匀度不好。

通过和业主及灯具生产厂家的多次沟通协调，采用了以下的方法来改善路面的照明效果。

(1）降低杆高并增加单灯功率来提高路面照度水平。

将原设计112 W LED功能灯灯具杆高由原设计10 m降低至9 m，功率由112 W提高至170 W。原设计56 W LED功能灯灯具杆高不变，功率由56 W提高至68 W。

(2）通过缩短布灯间距、改善LED路灯的配光曲线，使其达到本次道路照明的要求。

将原设计112 W LED功能灯布灯间距由35 m调整为30 m。通过透镜的配光来优化灯具的配光曲线，将最大光强方向的光强降低，并适当提高0°方向的光强值，消除两灯中间的亮斑，使之达到本次道路的照明要求。

改进后的LED道路灯具的配光曲线见图7。

图7(a） LED 68 W

图7(b） LED 170 W

灯具配光优化后的照明计算结果见表2。

表2 优化后的LED灯具布灯方式及计算结果

优化后LED灯具试验现场照明效果见图8。

图8(a） 优化后的LED灯具试验现场照明效果

从软件模拟结果来看，路面照度值有所提高，以断面一为例，路面照度由19 lx提高至29 lx。112 W LED灯具杆高由10 m下降至9 m，引起路面照度均匀度下降，但从试验照明现场观察，改进后的LED灯具消除了两灯杆间的亮斑，路面照明均匀度较改进前有所提高。但仍存在一些问题:

图8(b） 优化后的LED灯具试验现场照明效果

(1）路面照度水平有待进一步提高，照度设计值应达到国家规范要求值(主干路30 lx，均匀度0.4）。

(2）路面照度均匀度并不理想，应通过优化LED灯具的配光来进一步改善路面照明质量以达到较高的路面照明质量。

从LED光源的配光特性来分析原因:

(1）以170 W LED灯具为例，参照功能灯的配光曲线。

1）蝙蝠翼配光曲线两翼光强最大值(C90°－C270°配光平面中 50°方向的光强值最大，为349 cd/klm）较优化前的灯具有所下降，0°方向的光强(C90°－C270°配光平面0°到光强最大值出现角度50°中0°方向的光强值最小，为198 cd/klm）变化不大，消除了两灯间亮度过高出现的亮斑。

2）LED路灯最大光强所在的γ为50°，角偏小，未达到等照度配光角度要求的最大光强所在的γ角在55°～65°范围之内，出现了路面照度均匀度差的情况。

(2）灯下点附近25°范围内的光强I0～25和最大光强 Imax的比值 I0～25/Imax=198/349=0.567，符合 I0～25/Imax=0.5～1.0的情况，造成了路灯下亮度较高，而亮灯中间较暗的路面照明效果。

(3）C0°－C180°平面上的配光曲线基本为对称型，且最大光强值在0°附近，因此要达到较好的路面照明效果，在安装时，需要增大灯具的仰角。本次方案计算和实际测量时灯具仰角为30°。

(4）从实测结果分析，照度水平有所提高，整体照度均匀度较灯具配光改进前有所提升，消除了测试区域两灯之间部分高亮度的亮斑，但又出现灯下亮度较高的情况，实际观察照度均匀度较灯具配光改进前稍有提升。

通过对问题的分析，参照影响路面照明效果的因素，可以从以下几个方面进行改进以提高路面照明质量:

(1）参照合格灯具配光曲线，优化本工程使用的灯具配光。

1）优化灯具配光，使最大光强处于55°～65°区域内。

2）灯具配光尽量按照 I0=I'×cos3γ的曲线优化。

3）I0～25/Imax≤0.35是路灯配光满足道路照明均匀度的重要条件之一。

4）C－90°和C－270°配光优化为非对称配光，使其最大光强投向路边区域。提高灯具的光通量利用率，减小灯具仰角。

(2）在技术允许的情况下，提高光源功率，使照度水平达到应有水平。

为了达到更好的路面照明效果(见图9），这些工作也在进一步和业主及灯具生产厂商协调之中。

6 小结

路面照明质量与LED路灯的光度学性能有很大关系。LED功能灯具有以下优点:

(1）发光立体角小，近似点光源，便于二次光学系统的设计;

(2）系统的光损小，总的光效高;

(3）光学系统设计精确，对光线的控制作用强，光强分布理想，均匀度有望大大提高。

这些特点都是LED灯具所具有的而传统光源不可比拟的优势，充分发挥这些优势，从影响路面照明效果因素的角度出发，设计合适的灯具，道路照明的质量会有质的飞跃。

影响路面照明效果的因素包括LED功能灯灯具的光输出、沿道路的纵向光分布、沿道路的横向光分布、C－90°和C－270°的配光对称性、光束均匀度和截光水平等。在选择灯具时应从这些方面综合考虑:

(1）在避免眩光的前提下，LED功能灯灯具尽量选用灯具沿道路纵向光线投射角度较大的灯具，这样可适当增大灯杆的间距，减小单位道路面积的灯功率，进而达到路灯节能效果。

(2）本文未详尽讨论LED功能灯灯具的光输出沿道路的横向光分布，在选择灯具时应当在照明设计之初考虑路幅。

(3）灯具在道路横断面方向上的配光应为非对称形式，应合理分配路边和屋边的光通量，且其最大光强投向路边区域。

(4）最大光强的γ角位置与道路照明的均匀度有关，最大光强应处于55°～65°区域内。

(5）灯下点附近25°范围内的光强I0～25和最大光强Imax的比值是评估路灯配光的均匀性的重要参数之一。I0～25/Imax≤0.35是路灯配光满足道路照明均匀度的重要条件之一。

(6）灯具80°～90°的光强 I80～90不超过最大光强Imax的5%。

图9 具有较好LED照明效果的道路

［1］王晔，陈超中，施晓红.LED道路照明灯具光度数据的现状分析［J］.照明工程学报，2009，20(3）:54～63

［2］王晔，陈超中，施晓红.LED道路照明灯具光度数据的现状分析 (续篇）［J］.照明工程学报2010，21(3）:34～42

［3］章海骢.道路照明标准比较及其对灯具配光的要求［C］.2009中国道路照明论坛论文集(会刊），14～23

［4］邹吉平.道路照明灯具配光性能的重要性［J］.电气应用，2008，27(7）:22 ～26