北京大兴机场高速公路照明LED灯具选型及照度模拟论证

易伟强

厦门兴南洋信息技术有限公司（福建 厦门 361000）

0 引言

国内LED路灯大约从2005年开始推广，目前LED路灯已成为各道路照明工程采用的主流灯具配置方案之一，并有逐渐取代高强度气体放电类路灯如高压钠灯、金卤灯等的趋势[1]。经过多年的发展和使用，LED路具现在的主流配置方案包括COB集成式方案、模块化方案、一体压铸式方案、传统套壳式方案、小金豆集成式方案等。

1 项目介绍

北京大兴机场高速公路（南四环路—北京大兴国际机场）是一条连接市区和大兴机场的重要高速通道，规划为高速公路，双向八车道，全长为27.2 km。全线设置两处主线收费站（含附属设施），主线为全程高架桥形式，两处主线收费站采用路基形式，五环路—北京大兴机场段桥梁长23 725.7 m。全线共设置6处互通立交，连续高架桥3座，桥梁占总里程的86.9%。北京新机场高速LED路灯安装效果图如图1所示。

图1 北京新机场高速LED路灯安装效果图

为保证车辆行驶安全，该项目采用全线连续照明方式，确保道路通行条件和提升道路形象。

该项目共安装1 884根路灯、15 m投光灯56根，20 m投光灯86根，35 m高杆灯43根及24套隧道灯具。具体设计方案如下：

（1）主线照明采用13 m单挑双光源方案，灯具功率为250 W+250 W；

（2）互通照明采用35 m高杆灯方案，灯具配备为30×400 W；

（3）收费广场采用15 m、20 m高杆灯方案，灯具分别采用2×400 W、2×800 W和4×800 W配置；

（4）按照设计要求，灯具色温选择4 000 K，显色指数为80，灯具光通量为100 lm/W。

2 主流LED灯具配置方案

2.1 COB集成式方案

COB集成式方案的LED路灯结构简单，外形设计方便，但是散热和可靠性方面容易出现问题。其光源是由数十颗LED芯片串并联封装在小块基材上形成，导致所有热量聚集在小范围内难以散热，极大地影响了灯具寿命。因封装工艺复杂，发热后易导致断路、虚焊，使整个COB封装器件损坏。目前，在国内路灯采购项目中很多业主直接明确要求不得选用COB集成式方案[2]。

方案的优点：灯具光源小，外观比较容易设计成需要的各种外形。

方案的缺点：因光源集中，发热量集中，且热量不易被传导，很容易引起光衰，所以灯具寿命短。

方案主要应用范围：室内投光灯、射灯，小功率路灯等。

2.2 一体式压铸路灯和传统套壳式路灯方案

一体式压铸路灯和套壳式路灯整体造型多变，可按客户的需要设计成各种样式。

方案的优点：一体压铸式路灯造型多变，部分适配的功率性价比非常高。套壳式路灯是在类似钠灯灯壳内加装模块化LED光源套件。

方案的缺点：灯体外形固定，所以灯具功率也相应确定，不容易制作大功率灯具。高低端产品性能、价格差距非常大。

方案主要应用范围：各种中小功率的LED路灯、投光灯。

2.3 小金豆路灯方案

小金豆路灯为早期路灯推广时，为节约造价而采纳的方案。因防护等级低、工艺粗糙、光衰严重，已经基本在大型项目中淘汰。其价格便宜，目前主要应用于对价格敏感的农村道路照明或小型照明项目中。

2.4 陶瓷散热模组方案

陶瓷散热器是在LED灯具发展初期技术不成熟时期的一种技术路线，随着LED芯片性能的提高，芯片散热已不是技术瓶颈，该方案逐渐退出市场。目前，国内仅少数厂家在用该方案做户外灯具，主要用于特殊应用环境，如海边多腐蚀盐雾的环境。

方案优点：陶瓷比铝合金耐盐雾腐蚀，高湿度环境下绝缘性能相对较好，主要用于南方沿海道路、桥梁等高湿高盐雾环境。

方案缺点：为保证陶瓷散热器不被磕碰破坏，散热器尺寸及壁厚较大，为降低成本只能选择配备较大的单灯功率，通常是模块化路灯的3～5倍以上，因此灯具的光衰比模块化路灯高。在室外环境中使用，陶瓷散热器表面微孔很容易被细小灰尘和尾气油烟阻塞污染，使散热效率远远达不到其宣传的数值。生产厂家太少，后期维护不便，通用性不好，且灯具模组易积灰，影响配光效果，不适用于北京等干燥、多灰尘和雾霾天气的使用环境。

方案主要应用范围：南方沿海城市高湿度盐雾环境，如海滨道路、桥梁等的LED路灯、投光灯。

2.5 模块化集成式方案

模块化方案经过10多年的使用已经非常成熟，导热、辐射、对流性能均衡，工艺成熟可靠，散热性能优异，可靠性高，光衰小。每颗灯珠独立配光，地面照度均匀。目前，主流灯具厂家的LED路灯基本上选用模块化路灯方案[3]。

方案的优点：灯具光源采用模块化设计，灯具功率可以根据需要随意扩展；散热设计优秀，光衰小，寿命长；是目前道路功能性照明的绝对主流产品。

方案的缺点：灯具方正、大方，加工成异形灯具相对困难，如特殊复杂艺术造型要求。

模块化发光模块详述：模块化方案有很多种实现方法，通常一个模块的功率为0～60 W。该项目因为路灯功率较大，推荐每个模块的功率为50 W，项目需要的200 W、250 W、300 W路灯分别选用4个、5个、6个模块即可。每个发光模块配备60颗灯珠，用以降低功率，每颗灯珠独立配光，以提高光效，延长灯具寿命。模块化方案中还有些厂家选择多颗灯珠配一个透镜的做法，虽然节省了成本，但降低了散热效率，配光效果不好，该项目不建议使用非独立配光方案。

方案主要应用范围：各种功率的LED路灯、投光灯、隧道灯具等。

3 模块化灯具选定

根据上述对LED路灯各种方案的分析，结合北京新机场高速实际需要，笔者认为应该选用模块化LED路灯方案，比较符合项目实际需要。模块化方案发展成熟，各方面性能优异，且采用模块化组装，外观简洁大方。该项目路灯有多种功率规格，包括单光源、单双光源灯具等，采用模块化方案安装时造型容易统一，灯具功率可调，支持50～800 W范围，完整覆盖了项目灯具的功率范围，且无论做成单光源还是双光源方案，效果都较好，外观简洁大方。

在模块化基础上灯具灯珠配光方面，选用单灯珠独立配光方案，即每个灯珠单独配置一个透镜。此外，每个单灯具独立配光、配透镜，可以根据新机场高速实际路况需要单独设计透镜和配光曲线。这样有助于提高高速路面的照度和均匀度，减少光效损失和浪费，给高速行车提供良好的照明条件，提高夜间行车安全性和舒适性，对减少交通事故、保证车辆在高速公路上安全、快速、舒适行驶具有重大意义[4-6]。

4 灯杆灯具结合设计

该项目灯具采用模块化方案，灯具整体简洁大方，同时配合灯具安装需要，定制设计了配套灯杆杆型样式。灯杆样式采用终端双排弯臂，整体造型方正大气，灯具安装在双排弯臂中间，安装牢固，灯具发光面完整面朝路面，能达到较好的照度效果。具体灯具灯杆整体样式（设计效果图）如图2、图3所示。

图2 双光源样式

图3 单光源样式

采用模块化灯具方案结合该灯杆样式设计，项目单光源和双光源灯杆样式、整灯外观统一，造型一致，外观简洁大方。而且，调整灯具功率时不需要调整灯杆构件，并达到全线标准化统一的目的，有利于灯具的安装施工和后续的检修维护[7-8]。

5 整体照度分析

结合以上灯具灯杆选型，根据设计需求结合新机场高速实际路况进一步进行了照明效果的照度模拟计算和建模分析（以该项目13 m双光源路灯为例）。

照度模拟计算如下：

高速路车行道采用13 m单挑双光源钢杆灯照明方式，照明灯具功率为300 W+300 W，灯杆对称布置，灯杆安装在两侧防撞护栏上，灯杆间距为40 m左右。

照度计算：

图4 13 m双光源（300 W+300 W）LED路灯照度计算机模拟图

经过上述照度模拟计算和建模分析，该项目13 m单挑双光源低杆灯LED 300 W+300 W照度模拟结果如下：

（1）设计照度：33.1 lx；复核指标：41 lx。

（2）设计照度（亮度）均匀度：≥0.4；复核指标：≥0.604。

（3）设计功率密度：1.01 W/m2；复核指标：0.86 W/m2。结论：选型灯具的相关指标均达到设计要求，满足设计规范要求。

6 总结

文章详细分析了目前道路照明LED路灯选型基本方案的论证过程，包括LED灯具配置方案的选型论证、灯具配套灯杆整灯样式的设计效果论证，以及最终的整灯照度、均匀度等光学指标的模拟计算和建模分析。最终确保道路照明的灯杆灯具整体选型符合项目实际需要，照明工程安装效果、照度、均匀度等各项光学效果满足设计预期，并达到各项规范指标。

北京大兴机场高速公路基于高标准的照明选型方案设计，建成后的照明系统，光学、美学和使用控制效果均达到国内一流水平，系统运行1年多来，得到社会及业界的一致好评，成为“新国门第一路”的亮点。