LED在特殊道路照明條件下的適用性分析與優化

王鵬展

(南京市路燈管理處，南京 210013）

1 道路隧道系統的照明適用性分析

1.1 研究目的

相比隧道大量使用的熒光燈光源，LED色溫與其色溫接近，并便于安裝。同時由于隧道比較接近室內環境，能夠充分發揮LED光源優勢，所以南京在2008年開始在隧道中使用LED。在此過程中，我們通過試驗數據，分析LED隧道照明光環境光參量與熒光燈的優勢，對存在問題進行優化。

1.2 研究方法與過程

我們將LED隧道照明實驗地點定于新模范馬路，起點位于金川河，終點位于古平崗。該隧道按雙向雙洞六車道，地下段長度1147 m。單側設計寬為11.5 m，單向三車道，按交通流量大于2400輛/h、最大車速為60 km/h標準設計，每隔50～80 m設有直通地面的采光通風井。

我們在2008年6月先行進行了掛燈試驗，試驗段位于隧道北側洞，施工樁號310 m至440 m處，為該隧道的典型路段，在320 m，380 m及440 m處的南側有三處采光通風井，每個井由2個約為7 m×5 m的通風口組成。試驗共采用LED隧道燈54盞，南北兩側各27盞，按布燈間距5 m和6 m兩種方式分兩段設置。進行對比測試。光源標稱功率60 W/盞，實測燈具功率73 W/盞，同時結合調光，每盞燈按雙驅動模式配置?，F場設專用表箱4回路供電，南北側各2回路。測試中期對驅動運行的模式進行了調整，7月8日的數據為調整后數值。因為最后選定的方案為布燈間距5 m，故只列出5 m的檢測數據。具體過程歸納如下:

(1）試驗地點

南京快速內環北線新模范馬路隧道。

(2）光源參數

LED 2×30 W，雙模塊獨立系統，可獨立開關。

(3）現場情況

①試用LED燈54盞，南北側各27盞，視在功率72 W/盞。

②專用表箱4支路供電，南北側各2支路。

③隧道寬12 m，高6 m。

④測量范圍 k380－k410段，長30 m。

⑤測點分布橫向間距5 m，縱向間距2 m，總點數49個。

⑥測量時，南側有臨時照明用小功率節能燈未拆除。

(4）測量過程

新模范馬路隧道道路照明亮度測算按照4點法布點測算，沿車行縱向布置7點，橫向布置7點，共49點，測量方案如圖1所示。

圖1 新模范馬路隧道LED照明測試圖

第一次測量:2008年6月5日晚8:00。

①全開 平均照度63 lx;照度均勻度0.6;縱向照度均勻度0.745。

②半開 平均照度32.3 lx;照度均勻度0.46;縱向照度均勻度0.6。

第二次測量:2008年7月8日晚8:30。

①全開 平均照度75.66 lx;照度均勻度0.56;縱向照度均勻度0.72。

②半開 平均照度49.9 lx;照度均勻度0.45;縱向照度均勻度0.58。

第三次測量:2009年8月6日凌晨0:28。

全開 平均照度81.26 lx;照度均勻度0.49;縱向照度均勻度0.6。

1.3 達標性分析

表1 隧道夜間照明亮度表

圖2 新模范馬路隧道LED照明光環境測試現場

我們將測量數據與《公路隧道通風照明設計規范》照度規定比較(見表1），得到該LED隧道燈符合要求。新模范馬路隧道以設計時速60 km為參考，夜間平均照度達到81.26 lx，照度均勻度0.6，超過了指標要求。

因此得出結論，LED在隧道照明中光環境滿足設計要求，可以推廣應用。

1.4 與熒光燈隧道照明光環鏡的比較分析

(1）光源功率的比較分析

在相同條件下，我們用Caculx軟件模擬計算新模范馬路隧道條件下，換用熒光燈測算，要達到LED測試得到的平均照度75.66 lx，以及滿足其他主要光參量達標，可用某知名品牌熒光隧道燈55 W以上功率替換。

表2 玄武湖隧道照明光環境測試值

表3 玄武湖隧道/新模范馬路隧道照明參數對比

(2）照明光環境效果的比較分析

我們選取了南京典型的熒光燈隧道照明工程玄武隧道進行了測量。測量結果如表2所示。在完成了測試數據整理后，我們將玄武湖隧道熒光燈照明和新模范馬路隧道LED照明作了比較分析，如表3所示。我們發現，LED隧道照明平均照度已超過熒光燈照明，而在平均照度等參數上還低于熒光燈提供的效果。因此，在兩種光源照明指標都超過照明設計標準的基礎上，熒光燈隧道照明提供的光環境效果具有優勢。

1.5 結論與優化建議

由此我們認為:①目前LED環境效果與熒光燈相近，但個別指標仍有差距;②通過合理的照明設計，LED完全能夠滿足隧道照明需要;③相比在主干道、次干道使用LED，隧道LED照明優勢明顯，技術成熟，光環境達標，具備大面積推廣條件。實際效果對比見圖 3、圖4。

圖3 新模范馬路隧道LED照明效果

圖4 玄武湖隧道熒光燈照明效果

2 交會區LED大功率照明的適用性分析

2.1 研究目的

道路交會區機動車道照明標準應高于交會道路的照明標準，其照明標準值應符合表4的規定。為了使交會區的照明水平和交會前路段照明水平相匹配，同樣采用照度作為評價指標，也同樣規定了照明標準的高檔值和低檔值。在交會區使用LED是否可行，我們以典型交會區為例作了進一步分析。

2.2 研究方法與過程

我們以南京312國道仙隱北路交會區為研究對象(見圖5），長86.34 m，寬68.84 m，該規模的交會區是大中型城市照明中的通常情況。經DIALUX模擬軟件計算，當在該交會區四個角點分別采用3×600 W高壓鈉燈，15 m高度的中桿燈照明時，平均照度才能達到55 lx，照度均勻度為0.416，符合表4所示的城市道路照明設計標準。

圖5 交會區Dialux軟件模擬照明效果圖

2.3 數據分析

從計算數據與標準參數比較易知，本設計中所采用的光源功率正好符合標準，若再降低，則難以達標。則若換成LED照明，因LED光效目前稍低于高壓鈉燈，其每桿安裝功率應達到1800 W以上。一方面，按大功率芯片每片3 W來計算，則每桿應安裝600顆芯片，熱效應會非常明顯，散熱問題難以解決;另一方面，溫升過快必然導致光效下降與芯片損壞等后果，降低了路面平均照度。交會區是交通事故易發區域，在設計標準中就已經明確了平均照度高出鄰近路段50%的要求。

表4 交會區照明標準值

2.4 結論與優化建議

根據以上數據分析得出結論:LED若應用在交會區照明中，照度不穩定、不達標，不能投入使用。

因此建議，目前LED不適合交會區大功率照明使用。

3 人行道路照明適用性分析

3.1 研究目的

LED是否符合人行道路照明應用，實際應用效果的評價。

3.2 研究方法與過程

《城市道路照明設計標準》規定供行人和非機動車混合使用的商業區、居住區人行道路的照明標準值應符合表5的規定。人行道路照明對照度(亮度）均勻度無要求，因此對燈具配光要求相對較低。目前多數LED產品均能符合使用條件。為了驗證這一觀點，我們選取了南京產某款35 W LED庭院燈，安裝于夜間人流量小的南京國畫院4 m寬的街巷，并用4點法對路面照度進行了數據測量，結果見表6。

表5 人行道路照明標準值

表6 國畫院LED庭院燈照度測量值

經計算，得該路平均照度為8.98 lx。該路原路燈為150 W高壓鈉燈，測試得平均照度達25.7 lx，嚴重超標。

3.3 結論與優化建議

在以上數據基礎上，我們得出結論:在人行道路照明平均照度低，無均勻度要求，LED路燈適用于人行道路照明，發揮了其功率因地制宜靈活變化的優勢，優化了光環境，保證了流量小的道路的基本照明需求。同時，節約了電能，屬于低碳照明。

建議:在支路、街巷使用LED道路照明，發揮LED節能優勢。

4 高綠化覆蓋率地段LED道路照明的適用性分析

4.1 研究目的

上文中，我們不僅對LED道路照明光環境進行了分析，并且研究了LED路燈的適用場所。在長期實踐中我們發現，LED要推廣應用到城市道路照明領域，另一個重要的外部環境因素是光的遮擋問題。城市覆蓋于綠化中，以南京為例，總綠化覆蓋率達35%以上。下面從2006年我們參與的《南京城市照明專項規劃》編制過程中研究綠化對道路照明的影響。

4.2 研究方法與過程

2006年，我們規劃編制小組經過30天的現場測量和調查，對南京21個照明電源點、13條快速路、55條主干道、10條次干道、10條支路、8個街巷、7個交會區、3個商業片區、3個居住片區、14座立交橋、5個廣場的照明狀況，范圍覆蓋了南京主城區及近郊。獲得數據包括照度、照度均勻度、亮度、亮度均勻度，縱向均勻度等主要指標，見圖6。

圖6 南京功能照明質量綜合統計圖

根據圖6的數據分析發現，平均照度值達標率達79%，而相比之下，照度均勻度達標率僅為38%。調查發現，主城范圍內各條道路功能照明受綠化干擾的達50%以上，相當一部分路段由于樹大枝茂，以致于見樹不見燈，路面照度均勻度無法滿足通行的基本需要。因此，避開綠化干擾，切實提高照明效率，已成為迫切需要解決的重點問題之一。南京道路綠樹成蔭，起到了美化城市環境的重要作用。但是由此引起的道路照明問題十分突出。如圖7所示，珠江路cosmopolis燈具試驗時遇到的行道樹遮光問題。如圖8，典型的樹中燈現象。

圖7 珠江路cosmopolis試驗段

圖8 典型的樹中燈

4.3 結論與優化建議

根據以上數據分析，我們得出結論，LED道路照明因光源功率的限制，目前不適合在綠化覆蓋率高的地區使用。這一點引起了我們實驗小組的重視，在LED路燈試驗時，選擇了近郊的泰山路、九鄉河東路、市區的解放南路等行道樹影響較小的路段，獲得了理想的測試數據。

建議:LED路燈應用到道路照明中時，應避開樹木繁茂的路段，提高光利用率，保證路面平均照度。

5 小結

LED光源在城市道路照明中的推廣應用核心是道路照明光環境的控制，它是復雜的光參數控制體系，集合了燈具設計、專業照明設計、發光芯片設計多項技術，涉及了傳熱學、光學、電學、材料學等諸多領域。同時，在現有技術條件下，要將LED路燈更好地運用到道路照明中，就應充分考慮特殊條件下LED燈具的適用性。任何一項新發明在使用初期都會遇到種種問題，但LED技術正突飛猛進。隨著LED芯片光效不斷提高，LED燈具設計的日趨合理，LED道路照明的潛力將能被充分挖掘。

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