道路照明標準比較和節能分析

史玲娜，陳偉民，劉顯明,賴 偉，雷小華

(1.重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司交通工程與節能分院，重慶 400067)

通信作者：陳偉民，E-mail:wmchen@cqu.edu.cn

引言

隨著城市經濟建設和交通的快速發展，作為城市建設配套的照明規模及數量越來越大，城市照明的用電量也在迅速上升。如何在滿足城市道路照明要求，實現交通安全及交通通暢的前提下，實現科學、合理地節電已成為當前的一個重要課題[1]。

目前，國內外在道路照明節能方式的研究上主要體現在以下兩方面：一是采用優質高效的新光源代替傳統光源，如2009年中國科技部推出的“十城萬盞計劃”就是充分利用LED光源的巨大的節能潛力來逐漸代替高壓鈉燈等傳統光源，即重點研究LED光源及燈具的設計[2-4]；一是根據不同時段道路照明的要求來實現按需照明，如早期采用的半夜以后關閉半數光源以達到節電效果[5]，近期研究用智能調光技術、物聯網技術來實現不同時段光源強度的自動控制以達到照明節能[6-7]。這兩種方式都是從工程實施的層次即戰術層次進行道路照明節能設計，其前提必須滿足現有道路照明設計標準，這就意味著道路照明設計標準對照明節能水平起著至關重要的影響。如果標準要求過高影響節能水平，如果標準要求過低會影響行車安全。因此，從道路照明設計標準自身出發，研究如何在保證道路照明行車安全前提下使標準本身更利于節能，在道路照明節能的研究上具有更深層次的意義，這一研究工作的開展可以將道路照明節能的研究從戰術層次上升至戰略層次，從而實現更大程度的節能。

各國對本國道路照明設計標準的制定及研究一般都是在現有道路交通實際情況的基礎上參考國際道路照明設計標準。目前國際上最權威的有兩大標準體系：一是國際照明委員會(CIE)提出的《機動車和人行交通的道路照明建議》(CIE115—1995)，它為全球絕大多數國家采用；二是北美照明工程協會(IESNA)提出的《道路照明》(RP-8-00)[8-9]，它主要在美洲國家使用。這兩套標準都是在道路行車安全與節能這兩個因素之間進行了全面的平衡，且都在相當大的范圍上獲得了推廣，但對于這兩套標準的異同，國際上也僅僅進行了一些定性層次的比較[10-12]，至于這兩類標準在評價方法、照明指標、節能效果等方面的主要差異，尚缺乏定量的深入研究。因此，深入分析這兩種標準在評價指標及計算方法上的定量差異及與之相關的照明效果及能耗差異，對從道路照明標準的戰略高度上推動節能減排具有較大的工程指導意義和科學價值。

1 兩種道路照明設計標準的比較

1.1 CIE提出的道路照明推薦標準

在CIE115—1995中，機動車道路被分為M1—M5五類，用平均亮度Lave、亮度總均勻度Uo、亮度縱向均勻度UL、環境比SR和評價眩光的閾值增量TI來評價道路照明質量，其評價內容與指標具體如表1所示[8，13-15]。

表1 CIE道路照明設計標準(115—1995)Table 1 The road light standard in CIE (115—1995)

1.2 IESNA提出的道路照明設計標準

在美國道路照明設計標準中，道路按道路復雜程度和車流量大小被分為六大類，對于每一類道路又分別根據路面反射材料的不同及人流量的大小設定高中低三檔不同的評價指標規定值。IESNA提出了三類道路照明評價指標，設計者可根據需要選擇合適的指標進行設計。這三類指標分別是照度指標(包含平均照度和照度均勻度)、亮度指標(包含平均亮度、亮度均勻度和亮度縱向均勻度)和小目標可見度指標。其中照度指標和亮度指標中均含有評價眩光的光幕亮度比指標，具體內容與指標如表2所示[9]。

1.3 道路照明設計標準比較

1.3.1 定性比較

根據CIE和IESNA兩類道路照明設計標準的內容可以得出兩類標準機動車道照明設計標準上的差異主要體現在以下三點：

(1)評價指標的選擇。CIE主要采用亮度指標來進行評價，也包括閾值增量TI和環境比SR指標；而IESNA則采用了三種指標即照度指標、亮度指標和小目標可見度指標STV進行評價，其中照度指標和亮度指標中均包括光幕亮度比指標來評價眩光。

表2 美國城市照明設計標準(照度和亮度推薦值)Table 2 The road light standard in USA(illuminance and luminance recommend value)

(2)評價指標的計算方法。主要差別體現在亮度指標的計算上，CIE規定每個車道上只有一個觀測者，且固定于計算區域起始位置后方60米處，觀測一個燈具周期內的所有矩陣點的亮度(如圖1所示)；而IESNA則規定計算區域的每一行矩陣點均設一個觀測者，且每個觀測者始終觀測該矩陣行方向前方83米處矩陣點的亮度(如圖2所示)，意味著IESNA標準中的觀測者不僅在垂直于車道方向上做橫向運動，且在平行車道方向上做縱向運動。

圖1 CIE道路照明計算方法圖示Fig.1 Calculation method of road lighting in CIE

圖2 IESNA道路照明計算方法圖示Fig.2 Calculation method of road lighting in IESNA

(3)評價指標的定義和指標規定值。對于平均亮度Lave、亮度總均勻度Uo和亮度縱向均勻度UL，CIE和IESNA在其定義上正好是倒數關系，并且從數值上看，相同指標所規定的CIE標準明顯比IESNA標準要高，如表1、表2所示，IESNA的平均亮度Lave是CIE的60%，亮度均勻度Uo是CIE要求的82%。

1.3.2 定量比較

為了定量分析這兩類標準在亮度計算方法上的差異，選擇了PHILIPS公司的五種典型的道路照明燈具，它們的配光分布及光學參數如圖3所示。對不同寬度的四種車道、三種燈具安裝方式的20種燈具和道路的組合(如圖4、表3所示)進行計算，得到每種組合下CIE標準方法和IESNA標準方法在亮度指標值上的差異(如圖5所示)。圖5中橫坐標表示不同燈具和車道寬的20種組合方式，縱坐標表示分別用CIE和IESNA所定義的亮度計算方法得到的平均亮度Lave、亮度總均勻度Uo和亮度縱向均勻度UL在數值上差異的相對值。從圖中可見，采用兩類標準的計算方法，平均亮度值Lave和亮度縱向均勻度值UL總體差異不大，其中用IESNA計算方法得到的亮度縱向均勻度UL大體上比用CIE方法得到的數值略大，而亮度總均勻度值Uo明顯大于用CIE計算方法得到的數值。這就意味著相比CIE標準的方法，用IESNA標準的方法來設計燈具布置更容易在較低能耗的條件下達到標準要求。

圖3 五種類型的燈具Fig.3 Five types of luminaire

圖4 三種布燈方式Fig.4 Three arrangements of luminaire

表3 燈與道路類型的組合方式Table 3 Compound mode of luminaire and road

圖5 兩類標準下亮度指標值的差異Fig.5 Difference of luminance index deduced by two standards

2 不同標準下能源消耗的定量比較分析

由于道路照明標準在計算方法和規定值不同所導致的不同燈具安裝參數會影響到能耗大小的不同，故可采用最優化方法對上述20種組合方式進行不同標準指導下的燈具安裝條件優化。為統一起見，兩類標準均采用亮度指標進行道路照明的優化設計指標，兼顧眩光評價指標，由不同標準進行優化設計時得到不同的燈具安裝間距S，結合不同燈具的功率W，可得相同道路在兩類標準指導設計下能源消耗的差異△E。在優化設計中，假定每種組合下所需安裝路燈的道路長度均為1 000米，根據最優化計算結果，得到兩類標準下每種組合所需的單側燈具數目如圖6所示。所耗能源之差用CIE和IESNA兩類標準優化下所耗能源的差值與用CIE標準優化所耗能源之間的比值表示，其結果用百分比表示如圖7所示。

由圖6可知，采用IESNA的標準規定及計算方法，相同組合下所用單側燈具數N均比用CIE標準少得多。而由圖7可知，采用IESNA標準中亮度的計算方法及規定，其相比于CIE標準的設計而言、能耗節約率最少的都在10%以上，最大的接近30%。以一個城市的市區道路和高速公路為5×104公里為計，均在滿足各自指標要求前提下，由兩者得出的能源消耗的差別是相當大的。

圖6 兩類標準下1000米單側道路內所用燈具數Fig.6 The number of luminaire used within 1000m of unilateral road deduced by two standards

圖7 兩類標準優化設計下的能源消耗差異Fig.7 The difference of energy consumption directed by two standards

為與目前處于主流節能方式之一的燈具替換節能效果相比較，本文以一段1 000米三車道雙向對稱布燈的機動車道為例，在相同道路照明設計標準下(以CIE標準為例)，用一款PHILIPS公司的LIM Fortimo型LED燈具替換HPL-N80W型高壓鈉光燈具，圖8是這兩款燈具的配光分布及光學參數。通過道路照明配光優化設計可得滿足指標要求時的所用的每種燈具數目及能源消耗的大小，如圖9所示。由圖9可見：針對這段路段，由于LED燈具的光通量較小，直接用LED燈具替換鈉光燈具，要達到相同照明要求，所需的燈具數會增加25%，而由于LED燈具的功率遠遠小于高壓鈉燈的功率，因此消耗的能源可減小58.3%。

圖8 高壓鈉燈和LED的光學參數Fig.8 Optical parameter of HPSL and LED

圖9 兩種燈具在相同標準安裝條件下的燈具數和能耗Fig.9 The number of luminaire and energy consumption optimized by the two type of luminaire based on same standard

如果進一步結合道路照明標準的不同對節能的影響，將這款LIM Fortimo型LED燈具用IESNA的標準進行道路配光優化用于該三車道路段，所得的燈具數和能耗與之前高壓鈉燈的結果相比如圖10所示。較之在相同標準下單獨的燈具替換，在將LED燈具用IESNA的標準進行優化布燈時，所用燈具數與高壓鈉燈在CIE標準要求下的燈具數減小6.2%，消耗的能源可進一步減少68.8%。與之前用相同標準進行直接替換相比，由于所用LED燈具數減少，因此燈具的替換成本節約了24.8%，LED照明能源能耗在IESNA標準指導下又可比CIE標準指導下減少25%。

圖10 兩種燈具在不同標準安裝條件下的燈具數和能耗Fig.10 The number of luminaire and energy consumption optimezed by the two type of lumianire besed on different standard

由此可見，用IESNA道路照明設計標準進行道路照明配光優化，所消耗的能源普遍低于用CIE標準所帶來的能源消耗，再結合用高效LED燈具替換傳統照明燈具的節能方式，可以將能源節減的方式從單純的工程節能推進至標準節能，從而實現節能的最大化。

3 結論與建議

標準研究的目的就是根據實際情況、在保證行車安全與節能環保這兩者之間找到最佳平衡點。我國現有的《城市道路照明設計標準CJJ45—2006》在評價指標上同時采用照度、亮度、評價眩光的閾值增量及環境比等照明評價指標，在計算方法和指標值的規定上，主要是參考了CIE標準的計算方法及指標值，更多的考慮了行車安全的問題。

通過對CIE和IESNA的定量計算與分析可知，它們在評價指標、計算方法及指標值上存在一定差別，且CIE中各項指標要求略高于IESNA，從而在用這兩類標準進行道路照明設計時，相同情況下基于CIE獲得的路面照明效果略好于IESNA標準，這對于保證行車安全較為有利；而相同情況下基于IESNA標準進行燈具布置優化所需燈具數要明顯少于采用CIE標準，即用IESNA標準指導道路照明燈具安裝在能源消耗上至少可比CIE標準的能耗降低10%，這對于節能減排與防止光污染較為有利。

上述定量對比僅是一個理論計算結果，還需要進一步的深入研究，因此建議在今后道路照明設計標準的完善修訂中予以適當考慮。由于我國地域面積廣、城市差異大，不適合一刀切，因此對標準的研究是否可以區別對待，如：對于地廣人稀的部分地區如西部邊疆等地，可以考慮嘗試一下適當借鑒IESNA標準的方法來定義和確定指標值；對于人口相對密集、道路相對復雜的地區如中東部一帶，還必須貫徹執行CIE標準、保證較高的照明水平。

[1] 陳仲林. 城市道路照明標準研究[J]. 中國照明電器, 2002(12):7-9.

[2] 陳文健. 淺談LED路燈在光明新區市政道路的應用[J]. 燈與照明,2013(1):45-50.

[3] 鄒吉平. 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[J]. 照明工程學報,2010, 21(4):66-73.

[4] Curran J W, Keeney S P. Replacement of fluorescent lamps with high-brightness LEDs in a bridge lighting application[C]. Proc. of SPIE，2006，6337(19):1-11.

[5] 蔡可健. 道路照明節能控制系統設計[J]. 電力電子技術, 2006, 40(6):14-15.

[6] 李明哲. 城市道路照明節能技術淺析[J]. 資源環境, 2008, 37(6)：69-86.

[7] 于軍, 邢永中. 模擬路燈節能控制系統的設計[J]. 照明工程學報,2010, 21(2): 54-59.

[8] CIE. lighting of roads for motor and pedestrian traffic[S].Vienna:CIE,2010.

[9] IESNA. Roadway lighting[S]. New York: IESNA,2004.

[10] 翁季.機動車交通道路照明設計標準研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[11] 章海驄. 道路照明標準比較及其對燈具配光的要求[C]. 余姚.2009中國道路照明論壇，2009：14-23.

[12] Simons B H, Bean A R. 9-main road and motorway lighting[J]. Lighting Engineering,2001：346-388.

[13] CIE CIE 140—2000 Road lighting calculations[S].

[14] CIE CIE 144—2001 Road surface and road marking reflection charactieistics[S].Vienna:CIE,2001.

[15] CIE CIE 31—1976 Glare and uniformity in road lighting installations[S].Vienna:CIE,1976.