背街小巷照明LED燈具配光方式與設(shè)計(jì)探討

朱繼紅 ，李 瑤 ，林海闊 ，李 濤 ，許 敏

（1.蘇州市城市照明管理處，江蘇蘇州215005；2.山西光宇半導(dǎo)體照明股份有限公司，山西臨汾041000）

背街小巷居住人群以中老年人和出租戶為主，大部分此類街巷路幅較窄，燈間距較大。受實(shí)際安裝條件限制，目前蘇州市區(qū)，尤其是古城區(qū)內(nèi)的背街小巷，路燈大量采用抱箍燈的形式固定于供電水泥桿或照明自立水泥桿上，光源為23～48 W節(jié)能燈，配搪瓷燈罩。雖然初步實(shí)現(xiàn)了照明，但配光效果差，光源損壞率高，給中老年居民出行帶來不便，照明質(zhì)量無法滿足市民要求。而近年來隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED技術(shù)漸趨成熟，采用新技術(shù)在現(xiàn)有抱箍燈條件下解決實(shí)際照明需求不僅有必要，也完全具有可行性。針對(duì)背街小巷的應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合LED光源特點(diǎn)與配光優(yōu)勢(shì)，探討LED路燈的適用性結(jié)構(gòu)、配光設(shè)計(jì)，再經(jīng)照度模擬計(jì)算及現(xiàn)場實(shí)測(cè)，以滿足背街小巷功能性照明的需求。

1 安裝環(huán)境與照明需求

1.1 安裝環(huán)境

1）背街小巷L(fēng)ED路燈主要安裝在供行人和非機(jī)動(dòng)車混合使用的居住區(qū)背街小巷的道路，不改變現(xiàn)有的安裝和配電方式，仍采用抱箍燈形式固定于供電水泥桿或照明自立水泥桿上。

2）燈高約4.5～5 m，燈間距約30～40 m，路幅為2～4 m，燈臂長約 1 m，仰角約 5°～10°，燈具接口尺寸為48～60 mm，安裝方式為單排排列。

3）因使用在供行人和非機(jī)動(dòng)車混合使用的居住區(qū)，在保證一定照明質(zhì)量的前提下考慮照明舒適性，控制眩光。

4）燈具外形和外殼顏色要適合城區(qū)背街小巷的周邊環(huán)境。

1.2 照明需求

1）按照《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)人行及非機(jī)動(dòng)車道照明要求設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)值，40 m燈間距要求路面平均照度維持值≥5 lx，路面最小照度≥1 lx，最小垂直照度1.5 lx。

2）為保持舒適度，LED光源色溫定為4 000 K±200 K，一般顯色指數(shù)Ra≥75。

3）為均衡節(jié)能與照明質(zhì)量，系統(tǒng)功率≤30 W，燈具效能≥100 lm/W。

4）背街小巷維修設(shè)備難以進(jìn)入，為便于維護(hù)，要求燈具自潔性好，外表應(yīng)光潔，燈具必須有透光玻璃罩，采用高強(qiáng)度高透射鋼化玻璃。

5）整燈防護(hù)等級(jí)IP65，光源腔防護(hù)等級(jí)IP66，采用結(jié)構(gòu)型防水。

6）驅(qū)動(dòng)電源、浪涌保護(hù)、眩光閾值增量和使用壽命以及照明質(zhì)量等其他指標(biāo)要符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 燈具配光方式及設(shè)計(jì)

通常將LED封裝成朗伯光源或近朗伯光源，這類光源在路面上形成的是不均勻的圓形光場，其中心光強(qiáng)較大，徑向衰減很快。而道路照明系統(tǒng)需要在其被照區(qū)域形成矩形光場，矩形光場能在滿足路面照明亮度、照度要求的同時(shí)提高光能利用率，且有利于均勻度的提高。背街小巷的環(huán)境，相對(duì)主次干道需要更大距高比配光，對(duì)LED燈具的配光要求較高。通過LED路燈燈具的配光方式和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將光分配到長窄路面區(qū)域，獲得了較好的照明效果。

2.1 燈具配光方式

正常情況下，LED燈具可以進(jìn)行三次配光，而目前大部分道路照明燈具采用二次配光方式，也就是芯片封裝時(shí)的一次配光，光源板設(shè)計(jì)時(shí)再針對(duì)道路橫向與縱向配光要求進(jìn)行透鏡或反光杯式的二次配光。對(duì)于特殊使用需求，LED燈具可進(jìn)行三次配光，LED路燈的三次配光是在大功率LED一、二次配光完成的基礎(chǔ)上，通過對(duì)多個(gè)LED(單元模組)疊加和空間排列實(shí)現(xiàn)，以滿足道路照明平均亮度、平均照度和均勻度的要求，三次配光有平面式配光、弧面式配光、多折面式配光和反光杯式配光4種基本方式。背街小巷L(fēng)ED燈具有其特殊性，需要部分光源采用二次配光與三次配光相結(jié)合的方式。

2.2 燈具配光設(shè)計(jì)

針對(duì)街巷照明需求，先使用仿真技術(shù)，對(duì)反射曲面求解，優(yōu)化設(shè)計(jì)各參數(shù)。其次，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行實(shí)物樣品分析和評(píng)價(jià)，使用配光測(cè)試設(shè)備測(cè)試。最后，將樣燈安裝到現(xiàn)場測(cè)試。經(jīng)過以上步驟對(duì)設(shè)計(jì)模型逐步修正，循環(huán)多次，直至滿足現(xiàn)場實(shí)際需求。

2.2.1 遮光限制條件

在背街小巷檔距為40 m，燈高5 m的條件下，需要大距高比燈具，配光角度不低于76°，而為控制眩光和保證燈具外形美觀，燈具中心出光角必須限制在70°內(nèi)，超過70°，光將嚴(yán)重削弱，燈具外沿遮光限制如圖1所示。

圖1 遮光限制示意圖

2.2.2 配光設(shè)計(jì)與燈具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種光學(xué)器件2（PMMA透鏡二次配光后增設(shè)反光器三次配光），置于燈具外沿的正上方，該光學(xué)器件可以把光線配到燈具外沿，實(shí)現(xiàn)盡可能大的配光角度（70°～78°）。再設(shè)計(jì)一種光學(xué)器件1（PMMA透鏡配光），用于配合以上光學(xué)器件2的配光效果，彌補(bǔ)燈具正下方光強(qiáng)不足的問題。燈具斷面如圖2所示。

圖2 燈具斷面

經(jīng)過反復(fù)仿真模擬與現(xiàn)場測(cè)試，燈具外形如圖3所示。

圖3 燈具外形

2.2.3 配光曲線模擬

優(yōu)化設(shè)計(jì)后光學(xué)器件1、2和燈具配光合成后的配光曲線模擬如圖4～6圖所示。

圖4 光學(xué)器件1配光曲線模擬圖

圖5 光學(xué)器件2配光曲線模擬圖

圖6 燈具配光合成后配光曲線模擬圖

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

3.1 燈具性能測(cè)試

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，燈具材質(zhì)、防護(hù)等級(jí)、光學(xué)性能、電氣性能和安全保護(hù)等指標(biāo)均滿足道路照明燈具各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。

3.2 現(xiàn)場照明質(zhì)量測(cè)試

將生產(chǎn)的3套系統(tǒng)功率28 W、色溫4 000 K、一般顯色指數(shù)75的LED燈具樣燈安裝到背街小巷抱箍燈燈臂上。在現(xiàn)場路幅4 m，燈間距40 m，燈對(duì)地高5 m，燈臂長1 m,仰角8°，單排連續(xù)布燈的條件下，測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 測(cè)試點(diǎn)平均照度

表2 測(cè)試結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

經(jīng)過燈具的配光設(shè)計(jì)仿真、實(shí)物樣燈的試用改進(jìn)、樣燈安裝現(xiàn)場實(shí)際測(cè)試，再對(duì)設(shè)計(jì)模型不斷修正，循環(huán)多次。燈具性能測(cè)試與現(xiàn)場照明質(zhì)量實(shí)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，選擇的LED燈具能滿足現(xiàn)場實(shí)際照明要求，達(dá)到了應(yīng)有的照明效果。

4 結(jié)論

目前雖然部分城市也提出了背街小巷整治工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則，并將照明設(shè)施改造納入其中，但總體而言，背街小巷道路照明仍是大部分城市照明設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，照明質(zhì)量差的現(xiàn)象普遍存在。問題的關(guān)鍵在于重視程度不夠，難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)和平衡好照明能效、照明質(zhì)量、照明舒適度和資金投入之間的關(guān)系。因各個(gè)城市情況不同，今后如何根據(jù)不同城市的特點(diǎn)將背街小巷L(fēng)ED路燈系列化和規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化，也是一個(gè)需要解決的問題，同時(shí)，仍需在LED技術(shù)發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用過程中不斷研發(fā)新產(chǎn)品，改進(jìn)照明方式，更好地滿足市民對(duì)照明的更高需求。

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