从配光设计角度谈LED道路照明节能

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。

　　1 序言

　　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(Coefficient of Utilization)

　　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。

　　式中CU———利用系数；

　　u———照射到道路计算面的光通量，单位：流明；

　　o———道路灯具输出的总光通量，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。

　　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：

　　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）。在计算过程中，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）。

　　4 从计算结果比较表中发现的问题

　　4.1 配光设计忽视亮度均匀性

　　从表1～表4的所列数据看出，尤其是在距高比不超过3.5的情况下，绝大多数的配光设计能满足照度均匀性指标，但是有将近一半的配光曲线在本文所有应用场景中无法满足亮度均匀性指标。一般情况下，可以通过适当缩小距离比使照度均匀性不够的配光设计达到0.4以上，但是纵向均匀度是很难通过缩小距离比来提高的，除非距离比很小的情况下才能达标。笔者建议在配光设计时，应首先考虑亮度均匀性，因为根据亮度均匀性设计的配光曲线一般都能满足照度均匀性要求[2]。

　　4.2 许多配光曲线的利用系数低

　　从表1～表2的数据看出，许多配光设计横向过宽，其CU曲线斜率小，上升速度太慢，在应用到较窄道路时，出现利用系数低的问题，不仅造成浪费能源问题，还出现光污染或光侵入的问题。个别配光设计，如列表中的Sym4的配光曲线，在本文中所有应用环境中的利用系数都非常低，与相同输出光通量的其他灯具相比，照度亮度均出现低50%的问题，造成近50%的电能浪费。

　　4.3 对称型配光无法满足道路照明的要求

　　从表1～表4的比较结果发现，对称配光（如Sym1～3）不适合单侧或双侧布灯，具有纵向均匀度过低的问题；在使用的过程中，需要具有很大的仰角，可能出现眩光超标的问题（如Sym4），或者出现利用系数降低的问题（如Sym4）。对称配光比较适合布置在道路中间，如安装在隧道中央的应用场景。

　　4.4 个别配光曲线出现照度亮度比E/L过大的问题

　　从表1～表4的结果发现，配光曲线Asm3在所有应用场景中都有E/L过大的问题，即:要达到同样的亮度标准，需要更高的照度，需要更多的光通量照射到同样面积的路面上，造成能源浪费的问题。

　　4.5 矩形配光原理无法满足道路照明要求

　　从表1～表4的结果看出，配光曲线Asm1的照度均匀性最好，该配光是典型矩形非对称配光设计，完全按照等照度设计的要求定制配光，但其亮度均匀性很差。目前，业内的不少LED路灯厂商主推该类配光，甚至建议标准制定部门把该类型的配光作为规范颁布，其后果将导致我国照明业出现退步的后果。　　4.6 SR技术指标可单独考虑

　　在表1～表4中，许多SR技术指标未满足规范中0.5的要求，笔者建议在配光设计时，单独设计SR技术指标，在有SR要求的应用场景中，可另外设计满足技术指标的配光曲线，这使得在无SR要求的应用环境中（如高架桥、封闭式高速路等场景），可以节省很多LED芯片，并实现节约电能的效果。

　　4.7 提高CU带来的节能效益分析

　　根据CJJ45—2006对功率密度LPD的规定（如表5所示），传统路灯的利用系数不够高，导致光效较高的高压钠灯道路灯具（最高达140lm/W以上，如某些进口品牌的HPS250W可输出33000lm），很大一部分的输出光通量无法到达道路计算面而被浪费了。经计算，表1所列场景中的功率密度为0.5714W/m2，如照度标准为10lx，则只需要0.286W/m2，同CJJ中规定的两车道LPD小于0.55W/m2相比，提高CU的配光设计能节约近50%的电能。如配光设计不合理，如表1中的Sym4配光，达到10lx则需要0.5714W/m2，其节能效果还不如传统光源。

　　就目前LED厂家的综合水平来看，LED路灯的系统光效很快突破75lm/W，笔者建议标准制定部门增加CU指标，并适当调高CJJ45—2006的LPD标准作为LED路灯的配光设计规定，可按照表6所列的LPD执行，同表5相比，平均节约20%～30%电能。据预测，LED道路照明的LPD值在三年内或许会在表6推荐值的基础上再降低20%。

　　4.8 好的配光设计应能满足多数应用场景

　　从计算结果比较表1～表4看出，应用在较窄的2～3车道的场景中比较理想的配光在场景3～4中效果更佳，但适合较宽道路的配光却不适合在较窄的道路应用场景中，即灯具单侧布置的场景相对而言难度更大，按照宽高比W/H=1设计的配光可以通过调整灯杆高度（7～13.5m）、挑臂（0～1.5m）、仰角（0～15度）以及布灯方式（中间布置、对称布置、交错布置）等，可以满足6～42m的多数应用场景；按照距高比S/H=3.75设计的配光，通过适当调整灯杆高度（7～13.5米），可满足布灯间距20～50米的多数应用场景。但应用到不同材质的路面时，要满足亮度均匀度指标，需另行设计配光曲线[2]。按照规范推荐的R3和C1两种路面，最多四款配光可以满足我国道路照明的绝大多数应用场景。

　　5 结束语

　　半导体白光照明行业方兴未艾，LED路灯行业也刚兴起，业内人士对道路照明应用需求缺乏了解，行业标准及规范不够完善，整个LED道路照明行业处在探索性创新阶段，所以难免出现许多认识上或技术上的问题。笔者在撰写本文的过程中，得到许多厂家的支持，为本文提供原始的配光数据资料，借此机会向他们表示诚挚的感谢。