LED在宁溧路道路照明中应用的一些思考-1(照明)

1、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应用的一些思考随着社会发展的进步，节能减排成为了时代的强声国家大政方针的确立，又为LED应用发展提供了坚实的基础。众多省市热情高涨的自主LED路灯项目，如火如荼的燎原之势，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路灯质量的良莠不齐，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

2、，推动LED光源在城市道路、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光源，其中LED光源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。一、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.路面亮度不均匀见图1是一个LED功能灯应用的案例。路面上出现严重的眼睛很容易感觉出来的光斑不均匀斑马线现象。图1 斑马现

3、象斑马线现象出现缘于路灯的配光曲线，光束没有拉开并投射到两个较远的角度。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，更谈不上存在投射过另一个路灯灯柱的远射光线了。2.环境比SR值不符合要求图1上的照片给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，其他部分就显得非常暗。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路灯设计基础，据此，可以比较方便地将射向路边的光线截止掉，这在有关文章4中有所报道，并用这样的图来表示LED路灯的高效率。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。图2 设计时光

4、形在屋边截光的一个例子二、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，又是相对新兴的产品。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，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是满足道路照明规范所必须的；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。三、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

5、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。按IES对灯具光度分布的分类方法，路灯的纵向光分布可按短投射配光、中投射配光或长投射配光分类，沿道路的横向配光的分类的方法是以50%最大光强的曲线覆盖区域的位置进行的，沿道路横跨线，将道路表面分割成四个纵向宽度，即I 类、II 类、III 类和IV 类。图3-1是各种光分布灯具用于车行道的示意图，图3-2是一个类-中投射灯具的在半空间和道路上的等光强图例。图3-1 用不同类型灯具的车行道正视图图 3-2 一个III类-中投射灯具

6、在半球和道路上等光强图影响路面照明效果的灯具光分布因素：（一）灯具的光分布情况1.灯具纵向光分布灯杆间距与纵向光分布的关系：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。与传统光源路灯的比较，高压钠灯路灯中比较好的配光形式可以达到中投射水平，更好的可以达到长投射水平。与传统高压钠灯路灯相比，大多数LED路灯的投射距离偏近。主要原因是许多LED 路灯的生产厂家

7、还缺乏对路灯配光特性的认识，产品的设计还不够合理。2.灯具沿道路的横向光分布车道数与横向配光：应按车道的数量配用适宜的横向配光类型的路灯，如某一II类横向配光的路灯的正确应用是4车道，那么如果错误的用于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。目前LED路灯的配光大多属于窄配光。图4 相同功率不同配光灯具在路面上产生的光斑3.C-90°和C-270°的配光对称性道路的纵向延伸特性，以及路边区域和屋边区域的不同照明需求，所以路灯应具有特殊的配光形式，满足道路被照亮的同时、道路边界线旁的屋边也适当照亮的要求，体现在道路照明标准中

8、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。具体情况如下：（1）C-90°和C-270°配光属于非对称配光，且其最大光强投向路边区域。这类灯具的光通量利用率高，LPD有可能降到最佳值。配光图例见图5。图5 非对称配光（投向路边）（2）C-90°和C-2

9、70°的配光属于对称性配光有较多的配光形式只是将室内灯设计照搬过来，没有考虑路灯的特点。C- 90°和C-270°平面配光属于对称型，只适合路灯装在路中央或必须仰角很大的路边安装条件。配光图例见图6。图6 对称性配光（3）C-90°和C-270°配光属于非对称配光，但其最大光强投向屋边区域如果路边区域和屋边区域搞反了，最大光强投向了屋边区域，照明质量将更劣于C-90°和C-270°对称形式的配光。配光图例见图7。图7 非对称配光（投向屋边）（二）光束均匀度1.最大光强的 角最大光强的角位置与道路照明的均匀度有关，包括照度均匀

10、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55º-65º区域内。a. 最大光强投射角度与均匀度的关系光线不均匀的照射，路面看起来会一片亮一片暗，障碍物与路面背景间缺乏对比度，使驾驶员观察路面上障碍物的能力降低，看不清路面上及周围的移动物体。要得到路面上均匀的照明效果，光束中最大光强的投射角度非常重要，路灯下方的光强I0应是最小的，随着仰角增大，所在角的光强I应增大，I和I0 满足I0= I*cos 3的函数关系，当光强接近这种函数关系时，路面才能得到均匀的照明效果。当最大光强在垂直面内的投射角度达到55º-65º时，可以达到照度均匀度的

11、要求。与路面照度相比，路面亮度均匀度能对驾驶员观察结果产生更客观的影响。路面的亮度和观察角度有关，还与路面材料有关，当最大光强在垂直面内的投射角度达到65º-75º时，路面的亮度均匀度可达到比较高的水平。试验数据表明，国内的LED 路灯最大光强所在的角偏小，达到等照度配光角度要求的55º-65º的数量只占16%。2. 灯下点附近25º范围内的光强和最大光强的比值I0-25/Imax a. I0-25/Imax的含义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，随着角的增大，光强应逐渐增大。灯下点附近25º范围内的光强I0-25和

12、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/Imax0.35 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。测试发现，I0-25/Imax0.35、I0-25/Imax =0.350.5 和I0-25/Imax =0.51.0三类配光均存在，具体举例见图8图10。图8 I 0-25 /I max=0.51.0的配光例子图9 I 0-25 /I max=0.350.5的配光例子图10 I 0-25 /I max0.350.5的配光例子I0-25/Imax =0.51.0 之间的路灯占有较大的比例，此类

13、路灯的灯下点将有明显较亮的光斑，然后沿道路方向迅速减小。I0-25/Imax在0.35-0.5 之间的路灯是一种常见的形式，此类配光形式由于光强的变化不够大，会造成三种情况：-每盏路灯的照射面积较小；-灯下点较亮，灯下点周围较暗。其配光例子见图9（a）和图9（b）。I0-25/Imax0.35 时，照明的均匀度都会存在类似上述的问题。-为得到均匀的照明效果，势必要升高路面上的LPD。（三）截光水平1.截光水平的相关概念路灯的光线亮度可以达到几千万cd/m2，光线的照射方向控制不好，会让驾驶员感受到眩光，容易引起视觉疲劳。眩光的程度强烈时，会影响驾驶员观察路况。眩光的产生，来源于路灯直接射入眼睛

14、的光线。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。2.80°-90°的环带光通控制80°-90°的环带光通是控制路灯眩光的重要途径，DOE给出的标杆是80°-90°的灯具光通量80-90不超过总光通量的10%。一般LED路灯的80°-90°环带光通的控制水平良好。3. 80°-90°的光强造成灯具眩光的另一个重要因素是80°-90°的光强太大。

15、DOE给出的标杆是80°-90°的光强I80-90不超过最大光强Imax的5%。4.LED路灯80°-90°环带光通的控制水平与高压钠灯路灯的比较路灯一直存在的难题是照明效率和截光存在矛盾：最大光强的 角位置控制在65º-75 º时，有利于提高路灯的光束均匀度，但给80°-90°的截光控制带来了难度。高压钠灯光源等传统光源全空间发光特性决定了通过反射器控制光线的路灯难以做到两全其美，光束均匀度好的路灯往往会有明显的眩光。而LED 光源的半空间发光特性让路灯设计师能轻松地把握这两方面的控制。虽然，80°-9

16、0°内的光强还存在大于5最大光强的情况，但比起高压钠灯路灯的情况改善很多。（四）达到LED 路灯标杆要求的案例达到上述光度性能指标的LED路灯典型配光方式有两款，其中一款灯的配光图见图19。有一些LED路灯仅截光未达标。这种路灯可以通过使用适宜高度的灯杆或灯具倾斜角度来控制截光水平。其中一例见图11。图11 达到要求的灯具配光例子图12 仅截光未达标的配光举例四、宁溧路工程概况宁溧路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

17、范围约2.5千米。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。 图13 宁溧路区位图设计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。本次照明设计使用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米高112WLED功能灯和5米高56WLED功能灯（见断面图）。图14 宁溧路断面组成图14-1 断面一图14-2 断面二图14-3 断面三五、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

18、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，通过发现照明质量问题，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： LED56W LED112W150W传统钠灯配光曲线通过DIALux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：1.初次方案及相关问题讨论第一次选用LED灯具布灯方式及计算结果：1-1

19、断面地面2-2断面地面3-3断面地面高架桥下厂家LED路灯初步方案布灯方式双侧对称双侧对称双侧对称双侧对称杆高光源灯距仰角10米56W+112W35米25°10米112W35米30°10米56W+112W35米25°5米56W16米30°平均照度19121918均匀度0.550.530.40.4注：维护系数取1.0（下LED灯具同）使用高压钠灯的情况（以断面一为例）照明方式 安装位置 灯间距 安装高度灯臂 光源 计算平均照度 计算均匀度 道路地面功能灯 侧分带 35米 9米 双臂2米+1米 NG-250W+ NG-150W 33.5 0.4 高架桥下功能

20、灯 中分带 16米 5米 双臂0.5米+0.5米 NG-100W 31.2 0.4 注：维护系数取0.7（下高压钠灯灯具同）厂家提供LED灯具试验现场照明情况： 通过照明计算及现场照度实测计算发现采用厂家推荐的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30lx，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问题原因：1. 本路段采用LED路灯功率为112W/56W小功率路灯，与原设计采用高压钠灯光源的方案相比，9米灯杆采用的LED灯为112W，而原方案采用的钠灯为250

21、W；5米灯杆采用的LED灯为56W，而原方案采用的钠灯为100W。选用光源功率的下降导致路面照度值降低。2. 以112WLED灯具为例，参照功能灯的配光曲线，A 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623cd/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193cd/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。B LED 路

22、灯最大光强所在的为50°，角偏小，未达到等照度配光角度要求的最大光强所在的角在55º-65º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25º范围内的光强I 0-25和最大光强I max的比值I 0-25 /Imax=193/623=0.310，符合I 0-25 /I max0.35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

23、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112WLED功能灯灯具杆高由原设计10米降低至9米，功率由112W提高至170W。原设计56WLED功能灯灯具杆高不变，功率由56W提高至68W。2. 通过缩短布灯间距、改善LED路灯的配光曲线，使其更适合本次道路照明的要求。将原设计112WLED功能灯布灯间距由35米调整为30米。通过透

24、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，消除亮灯中间的亮斑，使之更适合于本次道路的照明要求。改进后的LED道路灯具的配光曲线： LED68W LED170W灯具配光优化后的照明计算结果： 1-1断面地面 2-2断面地面 3-3断面地面 高架桥下 LED路灯方案布灯方式 双侧对称 双侧对称 双侧对称 双侧对称 杆高 光源 灯距 臂长 仰角 9米 68W+170W30米 2米/2米 15° 9米 170W30米 2米 15° 9米 68W+170W30米 2米/2米 15° 5米 68W16米 0.5米 30

25、76; 平均照度 26 14 29 26 均匀度 0.41 0.47 0.43 0.412 优化后LED灯具试验现场照明情况： 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19lx提高至29lx。112WLED灯具杆高由10米下降至9米，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：1. 路面照度水平有待进一步提高，照度值设计值应达到国家规范要求值（主干路30lx，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。

26、从LED光源的配光特性来分析问题原因：1. 以170WLED灯具为例，参照功能灯的配光曲线，A 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349cd/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198cd/klm）变化不大，消除了两灯间亮度过高出现的亮斑。B LED 路灯最大光强所在的为50°，角偏小，未达到等照度配光角度要求的最大光强所在的角在55º-

27、65º范围之内，出现了路面照度均匀度差的情况。2. 灯下点附近25º范围内的光强I 0-25和最大光强I max的比值I 0-25 /Imax=198/349=0.567，符合I 0-25 /I max=0.51.0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。通过出现问题的分析，参照影响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. 参照图11的合格灯具配光曲线，优化本工程使用的灯具配光A 优化灯具配光使最大光强处于55º-65º