住宅小区道路LED 照明优化设计分析＊

景晶晶，刘 鑫，刘为平

（江苏开放大学建筑工程学院，江苏 南京 210036）

随着生态文明建设的不断推进，近年来绿色建筑取得了长足的发展，LED 照明技术也在各个绿色建筑园区被普及和推广。

同时，中国已迈入高质量发展的新时期，人民物质生活水平不断提高，居民夜间户外活动范围在扩大和时间在延长，对居住条件和出行体验提出了新的要求[1]。然而，目前住宅小区照明设计标准仍为空白[2-3]。因此，本文对住宅小区道路开展LED 照明优化设计研究。

1 道路特征与照明需求

1.1 住宅小区道路特征

调研发现，与工业园区、绿地景区道路不同，居住区道路个性化程度普遍较低，具有以下特征：①道路功能单一。新建小区道路平面设计趋势是人车分离，小区内道路以人行道为主，车行道主要位于四周或入门处。老旧小区主干道为机非混行，支路以人行为主。②道路材料和结构简单。车行道一般为沥青混凝土路面，为1～2 车道，宽度约4～7 m；内部人行道路采用的材料种类较多，如鹅卵石、透水砖、砌块、混凝土砖等，宽度约为1～5 m。一般路宽5 m 左右的人行道在交叉口处设置可移动式隔离桩，以备发生火情时做消防通道使用。③交通流速慢，且具有鲜明的潮汐规律。早晚上下班时间车流较密集，其他时间段车流很少。车流速度较慢，一般设计时速为20 km/h，实际行驶速度为5～20 km/h，较少发生超速现象。

1.2 照明现状与需求分析

现阶段住宅小区道路照明问题主要包括以下几点[4-5]：①住宅小区道路照明设计以经验为主，或参考城市道路中支路的设计标准进行。一般行车道设计照度约为3～6 lx，人行道设计照度约为0.5～3 lx。灯具布设方式单一，一般采用低杆灯单侧布设，间距约为10～20 m。②照明控制方式落后，以集中手动为主，照明设施维护不及时。③照明能耗强度高。目前住宅小区道路照明多选用高压钠灯等传统光源，其对新型节能光源的选用较市政道路、景观道路等落后。

2 LED 照明设计优化

2.1 评价指标体系的建立

从实践角度出发，选取目前住宅小区普遍使用的高压钠灯和国家大力推广使用的LED 节能光源为普通照明方案和节能照明方案的代表光源，开展照明优化设计分析。

为了充分发挥道路照明的功能，提高能源利用效率，基于视觉科学理论，在城市道路和高速公路方面各国均开展了一系列照明研究，并提出了评价指标体系和标准，如表1 所示。

表1 各国城市道路照明评价指标体系[4，6]

分析发现，各国照明标准可以分为照度类、亮度类和可见度类。对于道路照明，行人和驾驶员感受到的视觉信息来源于路面和周边环境的亮度，而不是光源的直接照度，所以亮度类指标更合理。但由于亮度类指标计算和检测方法都较复杂，在工程中难以推广，因此小体量照明工程设计一般选择更具操作意义的照度类指标。

此次研究对象是住宅小区道路，其亮度计算需考虑路面、人行道、房屋和环境等条件，更为困难。因此，本文以平均照度Eh，av为设计核心，选取平均照度Eh，av、照度均匀度UE、眩光限制阀值增量TI为指标开展住宅小区道路照明优化设计。

2.2 测试试验

照明是为安全行车服务的，评价行车安全的关键指标是停车视距，取决于车辆速度和制动时间，而制动时间受车速、照度及光源颜色共同影响。为得到不同设计速度下高压钠灯黄光、LED 白光下的照度，在南京市住宅小区开展了照度测试试验。试验步骤如下：道路终点处架设与成人高度宽度相似的目标物；驾驶汽车匀速行驶到起点，点击计时器；驾驶员观察到目标物，开始制动，点击计时器；车辆静止，点击计数器；检测现场照度，记录光源类型。

根据试验方案，车速依次为5 km/h、10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h，巡航驾驶，获得不同光源条件下制动时间与车速和照度的拟合关系。

2.3 设计标准的确定

根据JTG D20—2017《公路路线设计规范》[7]中给出的停车视距计算公式、试验得到的制动时间与车速和照度的拟合关系，推导出两种光源的平均照度Eh，av、行驶速度、停车视距的关系如下所示：

式（1）（2）中：v为行驶速度，km/h；S为停车视距，m。

而CJJ 37—2012《城市道路工程设计规范》[8]中规定了不同设计车速的停车视距要求，将其代入后，可以得到不同车速条件下的两种光源照度要求。照度均匀度UE指标采用国际照明委员会CIE 的研究成果，眩光限制阈值增量TI指标沿用CJJ 45—2015《城市道路照明设计标准》中要求。因此，本文提出住宅小区照明设计评价指标最低限值要求，如表2 所示。

表2 不同速度条件下住宅小区照明设计评价指标限值

可见相同车速条件下LED 光源和高压钠灯光源的设计要求差异不大，LED 灯的平均照度和照度均匀度指标限值略高于高压钠灯，而眩光限制阈值增量略低于高压钠灯。

3 照明功效数值仿真

利用DIALux 软件对LED 灯和高压钠灯两种光源进行不同布设方式下的照明光效仿真模拟研究。建立7.5 m（1.5 m人行道+4.5 m 车行道+1.5 m 人行道）的住宅小区道路，路面选择CIE R3 普通干燥沥青路面，Q0 为0.07，如图1 所示。

图1 DIALux 软件照明数值仿真

仿真分析发现，相同功率的LED 光源照明效果优于高压钠灯光源。住宅小区道路照明仿真时采用56 W 的LED 光源和83 W 的高压钠灯光源，相同布设下有相似的照度结果。分析不同布设方式对光效的影响如图2 所示。

图2 3.5 m 光源高度不同布设方式下的最佳照明效果

可以看出，三种方案均能满足照度要求，单侧布设的最佳间隔最短为8 m，双侧布设和交叉布设的最佳间隔为14 m。因此，若小区道路只设置一侧人行道，单侧布设成本最优。交叉布设和双侧布设在照度均匀度上表现显著，优于单侧布设。其中交叉布设时照明功效适度，而灯具数量相对较少；双侧布设时照明功效过优，存在一定资源浪费。

若采用实践中使用较多的20 m 路灯间隔、交叉布设灯具，能够得到两种光源不同布设高度下的路段平均照度和照度均匀度变化，如图3 所示。

图3 不同安装高度下两种光源的照明效果

由图3 可知，两种光源的评价指标随着光源高度的变化趋势相似，其中平均照度与安装高度负相关，照度均匀度与安装高度正相关。高压钠灯和LED 灯满足20 km/h 时速时，平均照度和照度均匀度要求的安装高度均在3.5～4 m 间，最佳布设高度为4 m。

考虑到灯具市场和小区设计施工现状，设双侧人行道的小区道路照明设计按照15 m 间隔交叉布设，设单侧人行道的小区道路照明设计按照10 m 间隔单侧布设，光源布设高度为3.5～4 m。

4 结论

结合住宅小区规模小特点，本文提出以平均照度为核心，包含平均照度、照度均匀度和眩光限制增量阀值增量3个指标的照明评价体系；基于试验测试和理论推导，提出不同设计车速下，传统高压钠灯照明方案和LED 照明方案的设计指标限值；通过数值仿真，发现同等照明光效下LED灯较高，压钠灯节能48%。灯具布设方面，设双侧人行道的小区道路LED 照明设计按照15 m 间隔交叉布设，设单侧人行道的小区道路LED 照明设计按照10 m 间隔单侧布设，光源布设高度推荐3.5～4 m。