LED道路照明配光性能好坏的两个重要指标

1.引言在资源匮乏的当今时代，低碳经济、节能减排、绿色照明等相关题材屡见不鲜，国家倡导的LED固态照明技术由此迅猛发展起来。LED芯片制造商Cree于2010年3月宣称其芯片光效达到208lm/W（实验室数据），而其成熟的主打产品已超过130lm/W。可以预见，LED光源很快达到并超过传统光源的光效，其节能效益逐渐显现。但是，在道路照明灯具研发过程中，仍然存在诸多技术难点，如电源损耗、散热技术，二次光学设计等，使得灯具的整体光效大打折扣，灯具系统效率不足75lm/W。到目前为止，LED道路照明仍然处在政府主导的示范性推广阶段，整个LED道路照明行业缺乏实际应用经验，灯具研发与照明应用之间存在一定的差距，例如，灯具二次配光设计和应用需求的差距，使得LED道路灯具的输出光通量投射到路面上时，存在亮度不够或利用系数过低问题，从而导致了LED道路照明的节能效果并不理想。本文将从配光设计的角度讨论如何提高LED道路照明灯具的节能效果，提出除了满足照度亮度均匀性指标外，有必要采用利用系数CU和照度亮度比E/L来评价道路照明灯具配光性能好坏，并总结了道路照明配光设计中的问题。2.评价道路照明配光设计性能的两个重要指标在LED照明行业内，节能是炒作的主要亮点之一，但从实际工程案例的经验来看，其节能效果却远远不如厂家宣称的那样可观，如果在不牺牲照明等级和效果的情况下，甚至不如传统高压钠灯节能。其原因很多，例如，散热技术的问题导致荧光粉在受热之后出现老化，其转换光效率降低；电源损耗问题，许多厂家在评价LED节能效果时，不考虑电源损耗造成的系统光效下降；二次配光问题，不少灯具的配光不合理，导致很多的光飘逸出路面，一部分光照射到距道路较远的区域，不仅浪费能源，还导致光污染和光侵入等不良后果。行业内缺乏评价配光性能好坏的技术指标，而业内的光学工程师对道路照明的应用要求不甚了解，他们在做LED灯具配光设计时，主要目标则是满足CJJ45-2006城市道路照明设计标准中规定的均匀度和眩光等方面的技术参数，而对什么样的配光更适合道路照明了解不够。CJJ45-2006标准主要是道路照明设计遵循的规范，对道路灯具配光设计构成的约束有限，而且该标准主要依据传统光源制定，对方兴未艾的LED道路照明而言，其约束力很低。什么样的配光更适合道路照明？简言之，就是用更少的光达到道路照明规范中规定的技术参数，并尽可能的提高均匀性、降低眩光值。但在配光设计时，由于缺乏技术指标来评价配光性能的好坏，导致行业内鱼龙混杂的局面。好的配光设计，首先要满足照度均匀度，这已经在业内达成共识，一般的光学软件都能实现照度均匀性模拟。由于目前尚无光学软件载入道路路面亮度系数库，光学设计者无法模拟不同材质的路面亮度均匀性，所以行业内的多数配光设计无法满足亮度纵向均匀度UL或总体均匀度UO，甚至行业内还没有对亮度均匀性有足够的认识。除了满足照度及亮度均匀度以外，还需要考虑利用系数是否高，照度与亮度的比值是否够低，是否具有节能效应。笔者在研究对比不同厂家的配光曲线后，提出采用利用系数CU和照度亮度比E/L来评价配光性能的好坏，足以凸显其光学性能的优劣。2.1利用系数(CoefficientofUtilization)利用系数是指道路计算面接受到的光通量占灯具输出总光通量的百分比，可由公式(1)计算，利用系数CU与平均照度E、功率密度LPD的关系由公式(2)和(3)得出。从公式(3)看出，功率密度LPD与利用系数CU成反比，即：提高利用系数CU，可直接降低功率密度LPD值，达到节能的效果，只有利用系数高的配光设计才能保证路面有足够的照度与亮度。在传统道路照明行业内，曾把公式(1)中的分母部分规定为光源光通量，由于LED的光源光通量受灯具影响因素较为复杂，比传统光源的光通量难以界定，本文推荐采用灯具输出光通量来定义利用系数，以便于计算和该技术指标的推广。CU=(1)E=(2)LPD=(3)式中CU——利用系数φu——照射到道路计算面的光通量多少，单位：流明φo——道路灯具输出的总光通量多少，单位：流明E——平均照度，单位：勒克斯MF——维护系数，灯具使用过程中，灯具光通量输出降低引起的照度降低因素W——道路路宽，单位：米S——灯杆间距，单位：米η——灯具的系统光效，成套LED灯具的输出光通量除以耗电功率数，单位：流明/瓦LPD——功率密度，单位计算面积内的耗电功率一般来说，灯杆高度越低、马路越宽的应用场景，利用系数越高，图1和图2显示了利用系数CU与宽高比（W/H）的关系。如果灯具的横向配光设计过宽（如图1所示），在应用到较窄道路（如2~3车道）的照明场景时，出现利用系数过低而造成严重的能源浪费问题；如果灯具的横向配光设计过窄（如图2所示），在应用到较宽道路时，出现均匀度降低的问题。图2.对称型较窄配光CU曲线图1.非对称型较宽配光CU曲线2.2照度亮度比(E/L)照度亮度比是指道路计算面的平均照度与平均亮度的比值，可由公式(4)计算得到：E/L=(4)式中Eavg——道路计算面内的平均照度Lavg——道路计算面内的平均亮度该技术指标由灯具配光的类型、路面的材质、光线照射到路面的入射角大小、观察员的位置和视线方向等因素有关，对于道路照明而言，国际照明学会推荐的观察员位置为距离道路计算面60米远、高度1.5米的位置。JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范中推荐的沥青路面E/L比值按照15~22取值，水泥路面E/L比值按照10~13取值。根据笔者经验，经过优化设计的配光可以使该比值降低，甚至低于规范推荐的范围很多，即：使用更少的光通量可以实现更高的亮度[1]。如配光设计不合理，也可能造成E/L比值过大，甚至超出推荐的取值范围，造成照度达标而亮度不够的问题。根据CJJ45-2006的规定，亮度2cd/m2的标准对应30lx的照度，其照度亮度比E/L按照15取值，据笔者经验，应用在该标准推荐的R3沥青路面时，一般的道路灯具配光的照度亮度比值在14~19范围内[1]，即：需要28~38lx的照度才能使R3沥青路面达到2cd/m2的亮度水平。这就是说，通过降低照度亮度比，可以实现10~25%的节能效果。3采用CU和E/L技术指标评价配光性能的实例笔者选取10款（如图3~4所示）来自不同厂家的配光曲线，为了便于比较分析，修正其输出光通量，选取120W整灯功率的输出总光通量为9000lm（按照系统光效75lm/W计算）。在计算过称中，路面材质选取R3沥青路面，维护系数按照0.7取值，把这10款配光曲线分别应用在不同典型照明场景中，对比各种场景的计算结果，总结各款配光性能好坏，如表1~4所示。表1中的应用场景为：道路宽度为7米2车道，间距30米单侧布灯，灯杆高度8米（距高比为3.75）；表2中的场景为：道路宽度为10.5米3车道，间距30米单侧布灯，灯杆高度8米（距高比3.75）；表3中的场景为：道路宽度为25米双向6车道（包括1米中间隔离带），双侧对称间距30米布灯，灯杆高度8米（距高比3.75）；表4中的场景为：道路宽度为25米双向6车道（包括1米中间隔离带），双侧对称间距30米布灯，灯杆高度10米（距高比3.0）。图3.对称型配光曲线图4.非对称型配光曲线表1.各种配光曲线在场景1下的结果对比表IES路宽7米，杆高8米，间距30米LavgUoULTISREavgEminEavgEminEmaxCUEavgLavg计算结果评注Sym1对称配光，仰角15度，挑臂1.0m1.140.40.360.6170.4950.3220.56714.912照度均匀性好，纵向均匀度不够Sym2对称配光，仰角15度，挑臂1.0m1.070.40.350.4190.4610.2980.63317.757照度均匀好，纵向均匀度不够Sym3对称配光，仰角15度，挑臂1.0m1.490.30.480.2220.4470.2140.73314.765照度均匀，亮度均匀度不够，CU高Sym4对称配光，仰角15度，挑臂1.0m0.750.50.8220.7100.4900.2570.33313.333配光太宽，CU很低，眩光过高Asm1非对称配光，仰角0度，挑臂-0.5m*1.140.50.3110.5180.6530.4410.60015.789照度非常均匀，纵向均与度不够Asm2非对称配光，仰角0度，挑臂1.0m1.020.50.7120.5140.4270.1820.46713.725均匀度达标、CU低、TI略高、E/L小Asm3非对称配光，仰角0度，挑臂0.5m0.860.50.680.4160.3780.1580.53318.605均匀度差，需缩小S/H，CU低，E/L过大Asm4非对称配光，仰角0度，挑臂1.0m1.110.50.6100.5170.4000.2320.56715.315照度亮度均匀度合格、CU提高更佳Asm5非对称配光，仰角0度，挑臂1.0m1.190.40.6100.4200.3730.1610.66716.807CU高，照度均匀度不够，需缩小S/HAsm6非对称配光，仰角0度，挑臂1.0m1.250.50.790.4200.4070.2130.66716.000亮度均匀，照度均匀性合格，CU高备注：A、表中带下划线的数据表示未达标，或不够理想；B、计算过程中，在挑臂合理的情况下，适当调整仰角，使其最适合各自配光设计，达到最佳计算结果；C、Asm1的配光设计偏离铅垂线角度较大，灯头的位置远离路沿0.5米，其余的配光设计无需远离道路，灯头的位置伸进道路0.5米或1.0米(下同)。表2.各种配光曲线在场景2下的结果对比表IES路宽10.5米，杆高8米，间距30米LavgUoULTISREavgEminEavgEminEmaxCUEavgLavg计算结果评注Sym1对称配光，仰角23度，挑臂1.0m0.870.20.390.3140.4320.2480.70016.092照度均匀，亮度均匀性差，Sym2对称配光，仰角23度，挑臂1.0m0.820.20.360.2150.4270.2280.75018.293照度均匀，纵向均匀度不够，E/L比过大Sym3对称配光，仰角26.3度，挑臂1m0.990.20.4120.1170.3820.1660.85017.172配光横向过窄，亮度均匀性差，CU高Sym4对称配光，仰角23度，挑臂1.0m0.580.40.8260.68.770.4500.2060.43915.121横向太宽，CU低，均匀性好，眩光高Asm1非对称配光，仰角8度，挑臂-0.5m*0.870.30.3150.3150.6540.4360.75017.241照度非常均匀，亮度均匀性差，TI略高Asm2非对称配光，仰角0度，挑臂1.0m0.790.40.6150.4120.4790.2020.60015.190照度亮度均匀度好、CU不高、TI略高Asm3非对称配光，仰角5度，挑臂1.0m0.690.40.690.3140.4170.1540.70020.290照亮度均匀度达标，CU不高，E/L过大Asm4非对称配光，仰角8度，挑臂1.0m0.830.40.7120.3140.4440.2230.70016.867照度亮度均匀度合格、CU提高更佳Asm5非对称配光，仰角11度，挑臂1.0m0.850.40.7120.2150.3880.1580.75017.647CU高，照度均匀度不够，适合S/H=3.5Asm6非对称配光，仰角9度，挑臂1.0m0.920.40.7100.2160.4140.1850.80017.391亮度均匀，照度均匀性合格，CU高表3.各种配光曲线在场景3下的结果对比表IES路宽25米，杆高8米，间距30米LavgUoULTISREavgEminEavgEminEmaxCUEavgLavg计算结果评注Sym1对称配光，仰角24度，挑臂1.0m0.880.30.3110.5150.4720.2710.85717.045照度均匀，亮度均匀性差，Sym2对称配光，仰角25度，挑