評價LED道路照明燈具配光性能的兩個重要指標：從配光設計角度談LED道路照明節能

鄒吉平

(同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092)

1 引言

在資源匱乏的當今時代，低碳經濟、節能減排、綠色照明等相關題材屢見不鮮，國家倡導的LED固態照明技術由此迅猛發展起來。LED芯片制造商Cree于2010年3月宣稱其芯片光效達到208lm/W(實驗室數據)，而其成熟的主打產品已超過130lm/W。可以預見，LED光源很快達到并超過傳統光源的光效，其節能效益逐漸顯現。但是，在道路照明燈具研發過程中，仍然存在諸多技術難點，如電源損耗、散熱技術，二次光學設計等，使得燈具的整體光效大打折扣，燈具系統效率不足75lm/W。到目前為止，LED道路照明仍然處在政府主導的示范性推廣階段，整個LED道路照明行業缺乏實際應用經驗，燈具研發與照明應用之間存在一定的差距，例如，燈具二次配光設計和應用需求的差距，使得LED道路燈具的輸出光通量投射到路面上時，存在亮度不夠或利用系數過低問題，從而導致了LED道路照明的節能效果并不理想。本文將從配光設計的角度討論如何提高LED道路照明燈具的節能效果，提出除了滿足照度亮度均勻性指標外，有必要采用利用系數CU和照度亮度比E/L來評價道路照明燈具配光性能好壞，并總結了道路照明配光設計中的問題。

2 評價道路照明配光設計性能的兩個重要指標

在LED照明行業內，節能是炒作的主要亮點之一，但從實際工程案例的經驗來看，其節能效果卻遠遠不如廠家宣稱的那樣可觀，如果在不犧牲照明等級和效果的情況下，甚至不如傳統高壓鈉燈節能。其原因很多，例如，散熱技術的問題導致熒光粉在受熱之后出現老化，其轉換光效率降低;電源損耗問題，許多廠家在評價LED節能效果時，不考慮電源損耗造成的系統光效下降;二次配光問題，不少燈具的配光不合理，導致很多的光飄逸出路面，一部分光照射到距道路較遠的區域，不僅浪費能源，還導致光污染和光侵入等不良后果。行業內缺乏評價配光性能好壞的技術指標，而業內的光學工程師對道路照明的應用要求不甚了解，他們在做LED燈具配光設計時，主要目標則是滿足 CJJ45—2006城市道路照明設計標準中規定的均勻度和眩光等方面的技術參數，而對什么樣的配光更適合道路照明了解不夠。CJJ45—2006標準主要是道路照明設計遵循的規范，對道路燈具配光設計構成的約束有限，而且該標準主要依據傳統光源制定，對方興未艾的LED道路照明而言，其約束力很低。

什么樣的配光更適合道路照明?簡言之，就是用更少的光達到道路照明規范中規定的技術參數，并盡可能的提高均勻性、降低眩光值。但在配光設計時，由于缺乏技術指標來評價配光性能的好壞，導致行業內魚龍混雜的局面。好的配光設計，首先要滿足照度均勻度，這已經在業內達成共識，一般的光學軟件都能實現照度均勻性模擬。由于目前尚無光學軟件載入道路路面亮度系數庫，光學設計者無法模擬不同材質的路面亮度均勻性，所以行業內的多數配光設計無法滿足亮度縱向均勻度UL或總體均勻度UO，甚至行業內還沒有對亮度均勻性有足夠的認識。除了滿足照度及亮度均勻度以外，還需要考慮利用系數是否高，照度與亮度的比值是否夠低，是否具有節能效應。筆者在研究對比不同廠家的配光曲線后，提出采用利用系數CU和照度亮度比E/L來評價配光性能的好壞，足以凸顯其光學性能的優劣。

2.1 利用系數(Coefficient of Utilization)

利用系數是指道路計算面接受到的光通量占燈具輸出總光通量的百分比，可由公式 (1)計算，利用系數CU與平均照度E、功率密度LPD的關系由公式 (2)和 (3)得出。從公式 (3)看出，功率密度LPD與利用系數CU成反比，即:提高利用系數CU，可直接降低功率密度LPD值，達到節能的效果，只有利用系數高的配光設計才能保證路面有足夠的照度與亮度。在傳統道路照明行業內，曾把公式 (1)中的分母部分規定為光源光通量，由于LED的光源光通量受燈具影響因素較為復雜，比傳統光源的光通量難以界定，本文推薦采用燈具輸出光通量來定義利用系數，以便于計算和該技術指標的推廣。

式中 CU——利用系數;

E——平均照度，單位:勒克斯;

MF——維護系數，燈具使用過程中，燈具光通量輸出降低引起的照度降低因素;

W——道路路寬，單位:米;

S——燈桿間距，單位:米;

η——燈具的系統光效，成套 LED燈具的輸出光通量除以耗電功率數，單位:流明/瓦;

LPD——功率密度，單位計算面積內的耗電功率。

一般來說，燈桿高度越低、馬路越寬的應用場景，利用系數越高，圖1和圖2顯示了利用系數CU與寬高比 (W/H)的關系。如果燈具的橫向配光設計過寬 (如圖1所示)，在應用到較窄道路 (如2～3車道)的照明場景時，出現利用系數過低而造成嚴重的能源浪費問題;如果燈具的橫向配光設計過窄 (如圖2所示)，在應用到較寬道路時，出現均勻度降低的問題。

圖1 非對稱型較寬配光CU曲線

圖2 對稱型較窄配光CU曲線

2.2 照度亮度比(E/L)

照度亮度比是指道路計算面的平均照度與平均亮度的比值，可由公式 (4)計算得到:

式中 Eavg——道路計算面內的平均照度;

Lavg——道路計算面內的平均亮度。

該技術指標由燈具配光的類型、路面的材質、光線照射到路面的入射角大小、觀察員的位置和視線方向等因素有關，對于道路照明而言，國際照明學會推薦的觀察員位置為距離道路計算面60米遠、高度1.5米的位置。JTJ 026.1—1999公路隧道通風照明設計規范中推薦的瀝青路面E/L比值按照15～22取值，水泥路面 E/L比值按照10～13取值。根據筆者經驗，經過優化設計的配光可以使該比值降低，甚至低于規范推薦的范圍很多，即:使用更少的光通量可以實現更高的亮度［1］。如配光設計不合理，也可能造成E/L比值過大，甚至超出推薦的取值范圍，造成照度達標而亮度不夠的問題。根據CJJ45—2006的規定，亮度2cd/m2的標準對應30lx的照度，其照度亮度比 E/L按照15取值，據筆者經驗，應用在該標準推薦的R3瀝青路面時，一般的道路燈具配光的照度亮度比值在14～19范圍內［1］，即:需要28～38lx的照度才能使 R3瀝青路面達到2cd/m2的亮度水平。這就是說，通過降低照度亮度比，可以實現10%～25%的節能效果。

3 采用CU和E/L技術指標評價配光性能的實例

筆者選取10款 (如圖3～4所示)來自不同廠家的配光曲線，為了便于比較分析，修正其輸出光通量，選取120W整燈功率的輸出總光通量為9000lm(按照系統光效75lm/W計算)。在計算過程中，路面材質選取R3瀝青路面，維護系數按照0.7取值，把這10款配光曲線分別應用在不同典型照明場景中，對比各種場景的計算結果，總結各款配光性能好壞，如表1～4所示。表1中的應用場景為:道路寬度為7米2車道，間距30米單側布燈，燈桿高度8米 (距高比為3.75);表2中的場景為:道路寬度為10.5米3車道，間距30米單側布燈，燈桿高度8米 (距高比3.75);表3中的場景為:道路寬度為25米雙向6車道 (包括1米中間隔離帶)，雙側對稱間距30米布燈，燈桿高度8米 (距高比3.75);表4中的場景為:道路寬度為25米雙向6車道 (包括1米中間隔離帶)，雙側對稱間距30米布燈，燈桿高度10米 (距高比3.0)。

圖3 對稱型配光曲線

圖4 非對稱型配光曲線

表1 各種配光曲線在場景1下的結果對比表

表2 各種配光曲線在場景2下的結果對比表

表3 各種配光曲線在場景3下的結果對比表

表4 各種配光曲線在場景4下的結果對比表

4 從計算結果比較表中發現的問題

4.1 配光設計忽視亮度均勻性

從表1～表4的所列數據看出，尤其是在距高比不超過3.5的情況下，絕大多數的配光設計能滿足照度均勻性指標，但是有將近一半的配光曲線在本文所有應用場景中無法滿足亮度均勻性指標。一般情況下，可以通過適當縮小距離比使照度均勻性不夠的配光設計達到0.4以上，但是縱向均勻度是很難通過縮小距離比來提高的，除非距離比很小的情況下才能達標。筆者建議在配光設計時，應首先考慮亮度均勻性，因為根據亮度均勻性設計的配光曲線一般都能滿足照度均勻性要求［2］。

4.2 許多配光曲線的利用系數低

從表1～表2的數據看出，許多配光設計橫向過寬，其CU曲線斜率小，上升速度太慢，在應用到較窄道路時，出現利用系數低的問題，不僅造成浪費能源問題，還出現光污染或光侵入的問題。個別配光設計，如列表中的Sym 4的配光曲線，在本文中所有應用環境中的利用系數都非常低，與相同輸出光通量的其他燈具相比，照度亮度均出現低50%的問題，造成近50%的電能浪費。

4.3 對稱型配光無法滿足道路照明的要求

從表1～表4的比較結果發現，對稱配光 (如Sym 1～3)不適合單側或雙側布燈，具有縱向均勻度過低的問題;在使用的過程中，需要具有很大的仰角，可能出現眩光超標的問題 (如Sym 4)，或者出現利用系數降低的問題 (如Sym 4)。對稱配光比較適合布置在道路中間，如安裝在隧道中央的應用場景。

4.4 個別配光曲線出現照度亮度比E/L過大的問題

從表1～表4的結果發現，配光曲線Asm 3在所有應用場景中都有E/L過大的問題，即:要達到同樣的亮度標準，需要更高的照度，需要更多的光通量照射到同樣面積的路面上，造成能源浪費的問題。

4.5 矩形配光原理無法滿足道路照明要求

從表1～表4的結果看出，配光曲線Asm 1的照度均勻性最好，該配光是典型矩形非對稱配光設計，完全按照等照度設計的要求定制配光，但其亮度均勻性很差。目前，業內的不少LED路燈廠商主推該類配光，甚至建議標準制定部門把該類型的配光作為規范頒布，其后果將導致我國照明業出現退步的后果。

4.6 SR技術指標可單獨考慮

在表1～表4中，許多SR技術指標未滿足規范中0.5的要求，筆者建議在配光設計時，單獨設計SR技術指標，在有SR要求的應用場景中，可另外設計滿足技術指標的配光曲線，這使得在無SR要求的應用環境中 (如高架橋、封閉式高速路等場景)，可以節省很多LED芯片，并實現節約電能的效果。

4.7 提高CU帶來的節能效益分析

根據CJJ45—2006對功率密度LPD的規定 (如表5所示)，傳統路燈的利用系數不夠高，導致光效較高的高壓鈉燈道路燈具 (最高達140lm/W以上，如某些進口品牌的HPS250W可輸出33000lm)，很大一部分的輸出光通量無法到達道路計算面而被浪費了。經計算，表1所列場景中的功率密度為0.5714 W/m2，如照度標準為 10lx，則只需要0.286W/m2，同 CJJ中規定的兩車道 LPD小于0.55W/m2相比，提高CU的配光設計能節約近50%的電能。如配光設計不合理，如表1中的Sym4配光，達到10lx則需要0.5714W/m2，其節能效果還不如傳統光源。

表5 CJJ45—2006中規定的LPD值

就目前LED廠家的綜合水平來看，LED路燈的系統光效很快突破75lm/W，筆者建議標準制定部門增加 CU指標，并適當調高 CJJ45—2006的 LPD標準作為LED路燈的配光設計規定，可按照表6所列的LPD執行，同表5相比，平均節約20%～30%電能。據預測，LED道路照明的LPD值在三年內或許會在表6推薦值的基礎上再降低20%。

表6 筆者推薦的CU與LDP值

4.8 好的配光設計應能滿足多數應用場景

從計算結果比較表1～表4看出，應用在較窄的2～3車道的場景中比較理想的配光在場景3～4中效果更佳，但適合較寬道路的配光卻不適合在較窄的道路應用場景中，即燈具單側布置的場景相對而言難度更大，按照寬高比W/H=1設計的配光可以通過調整燈桿高度 (7～13.5m)、挑臂 (0～1.5m)、仰角 (0～15度)以及布燈方式 (中間布置、對稱布置、交錯布置)等，可以滿足6～42m的多數應用場景;按照距高比S/H=3.75設計的配光，通過適當調整燈桿高度 (7～13.5米)，可滿足布燈間距20～50米的多數應用場景。但應用到不同材質的路面時，要滿足亮度均勻度指標，需另行設計配光曲線［2］。按照規范推薦的R3和C1兩種路面，最多四款配光可以滿足我國道路照明的絕大多數應用場景。

5 結束語

半導體白光照明行業方興未艾，LED路燈行業也剛興起，業內人士對道路照明應用需求缺乏了解，行業標準及規范不夠完善，整個LED道路照明行業處在探索性創新階段，所以難免出現許多認識上或技術上的問題。筆者在撰寫本文的過程中，得到許多廠家的支持，為本文提供原始的配光數據資料，借此機會向他們表示誠摯的感謝。

［1］鄒吉平，李麗，解全花等.重視道路和隧道照明中亮度與照度的關系.照明工程學報，Vol.20 Supplement，2009(8):39～45.

［2］鄒吉平，李麗，解全花等.LED道路照明燈具配光設計的誤區分析——照度均勻性并非亮度均勻性.照明工程學報，Vol.20 Supplement，2009(8):46～52.

［3］國家標準.CJJ45—2006.城市道路照明設計標準.

［4］國家標準.JTJ 026.1—1999.公路隧道通風照明設計規范.