防眩光LED護(hù)欄燈在橋梁中的應(yīng)用改進(jìn)研究

劉 平，李傳夫，韓 琦

(山東高速青島公路有限公司，山東 青島 266114)

1 LED護(hù)欄燈應(yīng)用現(xiàn)狀

LED技術(shù)的發(fā)展日新月異，價格也隨之持續(xù)下降，LED光源相較傳統(tǒng)光源已經(jīng)有了很大的優(yōu)勢，在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。目前，LED燈在公路橋梁工程中都有使用，比如上海長江隧道、青島膠州灣隧道、青島膠州灣大橋、廣州龍頭山隧道等。

經(jīng)過調(diào)查了解，LED燈具在實現(xiàn)道路照明和景觀照明功能的同時，節(jié)能減排效果非常明顯，極大的節(jié)省了初期建設(shè)成本和運(yùn)營期運(yùn)營維護(hù)成本。但LED護(hù)欄燈系統(tǒng)在經(jīng)過長時間使用后存在以下幾個方面的問題：(1)燈具光效降低且光衰嚴(yán)重，路面照度低于原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；(2)燈具配光方式導(dǎo)致眩光嚴(yán)重，影響行車安全；(3)燈具表面長期暴露室外，燈具外殼腐蝕嚴(yán)重，影響美觀度。

2 LED護(hù)欄燈的改進(jìn)與提升

2.1 提高光效

相較于其它傳統(tǒng)光源在技術(shù)進(jìn)展已趨成熟下，LED主要性能光效目前仍呈現(xiàn)持續(xù)成長的情形。當(dāng)前在實驗室條件下，美國Cree白光LED實驗室光效突破231流明/瓦(350 mA電流驅(qū)動)，打破行業(yè)最高光效記錄；另一家日亞化學(xué)宣布在20 mA電流驅(qū)動下，其LED發(fā)光效率可達(dá)249流明/瓦。在商業(yè)化產(chǎn)品部分，美國Cree公司已開始在市場上小量銷售發(fā)光效率160流明/瓦的LED產(chǎn)品，而日亞也推出發(fā)光效率達(dá)133流明/瓦的大功率照明用LED，于2016年將商業(yè)化白光的發(fā)光效率提高到150流明/瓦。LED照明突飛猛進(jìn)，LED產(chǎn)品的種類和樣式也基本定型，接下來LED應(yīng)用型企業(yè)要做的，就是如果提高LED產(chǎn)品的性能和品質(zhì)，其中LED產(chǎn)品的光效，是影響LED產(chǎn)品性能和品質(zhì)的重要參數(shù)，經(jīng)過近幾年的高速發(fā)展，LED顆粒已經(jīng)由原有的100 lm/W上升到160 lm/W。

本文中LED防眩光護(hù)欄燈采用的光源為進(jìn)口原廠芯片，選用光效160 Lm/w以上的燈珠，同時增加LED燈珠顆粒數(shù)，采用高轉(zhuǎn)換效率的驅(qū)動電源，配備光學(xué)級進(jìn)口透鏡，通過燈具外型、散熱一體化設(shè)計，燈具有良好的熱性能，有效保證了整燈光效達(dá)到120 LM/W，工作達(dá)到50 000 h，光衰小于30%。

2.2 采用防眩光設(shè)計原理

本文中新型LED防眩光護(hù)欄燈在設(shè)計之初充分考慮實際燈具使用過程中的眩光因素，在設(shè)計過程中有效利用了現(xiàn)代計算機(jī)仿真學(xué)的優(yōu)勢，首先通過充分論證確定燈具的前期外觀、結(jié)構(gòu)、光源、配光方式等，然后通過計算機(jī)光線模擬軟件TracePro建立目標(biāo)燈具的幾何模型、設(shè)置光學(xué)材質(zhì)、定義光源參數(shù)，最終在計算機(jī)上建立起燈具照明模型，運(yùn)用TracePro軟件光線追蹤功能對模擬燈具照明實現(xiàn)眩光分析，再照明燈具幾何模型模擬效果眩光合格后，再次進(jìn)行樣品驗證，樣品測試具體光電參數(shù)得到IES文件后，運(yùn)用計算機(jī)照度模擬軟件Dialux根據(jù)實際現(xiàn)場燈具安裝情況，實現(xiàn)照明現(xiàn)場仿真模擬，最后再進(jìn)行現(xiàn)場實際樣品安裝，現(xiàn)場人工測試驗證方式確認(rèn)照明眩光問題，最終實現(xiàn)燈具在實際安裝使用后眩光符合CJJ45-2006和CIE31以及CIE115標(biāo)準(zhǔn)要求。

新型LED防眩光護(hù)欄燈燈具盡可能地利用LED的定向發(fā)射光的特性，使道路燈具中的各個LED分別直接把光線射向被照路面的各個區(qū)域，按照路面照度效果需要設(shè)計，再利用格柵和燈杯來進(jìn)行防眩光處理，從而實現(xiàn)合理的綜合配光。燈具采用專用一次配光良好的LED燈，并且在燈具內(nèi)，再按照護(hù)欄燈具高度及實際橋梁路面寬度設(shè)計各個LED的安裝位置和發(fā)射光的方向?qū)崿F(xiàn)良好的二次配光功能，來保證道路照度更好的均勻度，將本項目護(hù)欄燈燈具眩光減少到最低。

圖1 增加格柵和燈杯防眩光保護(hù)

2.3 提高路面照度均勻度

路面照度均勻度反映了燈具照明下路面光線分布的均勻性，光線分布越均勻說明照度均勻度越好，視覺感受越舒服，照度均勻度越接近1越好；反之越小越增加視覺疲勞。本文針對某公路特大橋梁實際路面情況，護(hù)欄燈具安裝高度及實際橋梁路面寬度，先通過計算機(jī)模擬照度模擬軟件Dialux針對新設(shè)計樣品的IES文件進(jìn)行照明模擬，根據(jù)現(xiàn)在橋面實際裝燈方式，通過軟件進(jìn)行布局，驗證橋面在新設(shè)計的護(hù)欄燈照明下橋面的照度均勻度，再通過實地安裝燈具，專業(yè)人員現(xiàn)場檢測，保證橋面在新設(shè)計的護(hù)欄燈照明下路面均勻度達(dá)到0.6以上。針對照度均勻度這點，項目開發(fā)人員專門針對護(hù)欄燈LED透鏡進(jìn)行了重新設(shè)計，每一顆LED光源都有一個獨(dú)立的配光系統(tǒng)，每個LED燈珠發(fā)出的光線首先經(jīng)過專業(yè)的特殊透鏡，使護(hù)欄燈具中的各個LED分別直接把光線射向被照橋面的各個區(qū)域，針對有效光線進(jìn)行約束及引導(dǎo)，使得光斑效果達(dá)到路面要求，并使光線有向前照射的角度，也就解決了來車方向的眩光，橋面照度均勻度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 LED防眩光配光曲線

圖3 照度模擬圖

2.4 易于維護(hù)性，節(jié)約維護(hù)成本

由于護(hù)欄燈使用環(huán)境的特殊性，燈具常年使用在自然環(huán)境條件復(fù)雜、氣候惡劣多變、雷電、海霧天氣戶外環(huán)境中，燈具的后期維護(hù)極為不便，燈具維護(hù)已經(jīng)成為橋梁照明工程的難點之一，維護(hù)成本昂貴。針對這點，充分利用了現(xiàn)有資源，利用現(xiàn)有安裝尺寸孔位做為替換燈具的安裝載體，做到新開發(fā)的護(hù)欄燈與現(xiàn)有安裝尺寸位置的完美匹配，無需重新布線，大大節(jié)省了整個工程造價，并且針對護(hù)欄燈特點，專門開發(fā)了驅(qū)動與整燈防水接插頭，整燈和驅(qū)動都可單獨(dú)更換，需要更換整燈或者驅(qū)動時，只需要通過專用防水接插件，實現(xiàn)插拔式更換，實現(xiàn)現(xiàn)場維護(hù)，當(dāng)場解決問題所有燈體維護(hù)問題，大大減少了護(hù)欄燈的維護(hù)成本。

圖4 整燈防水接插件

圖5 驅(qū)動防水接插件

2.5 雙重防水、防腐蝕功能

由于LED護(hù)欄燈燈具工作在高濕、高鹽堿度的海面上，所以對燈具的表面處理要進(jìn)行防腐蝕處理，本項目護(hù)欄燈外殼采用高品質(zhì)的壓鑄鋁，燈殼體外表采用進(jìn)口設(shè)備噴塑+進(jìn)口金屬漆處理，達(dá)到雙重腐蝕功能。此項措施樣品通過鹽霧箱進(jìn)行防腐蝕實驗考核確認(rèn)。

新型LED防眩光護(hù)欄燈燈具的外殼設(shè)計成散熱器狀，直接利用燈具外殼外面作為散熱器有效保證了燈具整體性，這樣既可以保證IP防護(hù)等級的要求，也可以得到很大的散熱面積，另外，燈具外表面設(shè)計為流線型，散熱器在有落塵時，可以通過自然的風(fēng)雨而沖洗，從而可保證散熱器工作的持續(xù)有效性，同時LED光源部分采用了整體防水透鏡，外加邊框采用打膠防水，內(nèi)部電器部分驅(qū)動采用了整體灌膠防水驅(qū)動，從而實現(xiàn)雙重防水功能，以上措施可保證整燈防護(hù)等級達(dá)到IP66，此項措施通過燈具淋水實驗進(jìn)行驗證。

2.6 增加誘導(dǎo)霧燈

霧是一種特殊的天氣現(xiàn)象，它的發(fā)生具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和突然性，經(jīng)常發(fā)生在地勢低洼、潮濕或公路兩旁有水田的特殊路段，特別是橋梁路段，當(dāng)霧形成時，薄霧無法隨微風(fēng)移動分散，致使?jié)舛戎饾u增大， 最終形成了濃霧區(qū)， 這種只在橋面局部路段出現(xiàn)濃霧的情況，它的危險性甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大范圍的起霧。因為車輛事先得不到任何信息提示，從正常路段高速駛?cè)霛忪F區(qū)，由于能見度的突變，視野變得迷糊，隔離墩和防護(hù)欄難以辨識，駕駛者很容易發(fā)生判斷和操作失誤，造成交通事故。因此需要在易發(fā)路段，特別是橋梁上安裝霧燈，給駕駛者以及時地提示。新型LED防眩光護(hù)欄燈與誘導(dǎo)霧燈合為一體，霧燈設(shè)置于護(hù)欄燈的側(cè)面，使得護(hù)欄燈在實現(xiàn)橋面基本路面照明功能外，還能夠給來往通過的駕駛員有效線形誘導(dǎo)功能，一燈雙用。

3 結(jié) 語

作為一種新興的道路照明方式，LED低位照明在景觀性、眩光控制、節(jié)能減排及后期維護(hù)等方面的優(yōu)勢使其在道路照明領(lǐng)域得以大量應(yīng)用。但應(yīng)用于公路橋梁復(fù)雜環(huán)境中的LED護(hù)欄燈系統(tǒng)在經(jīng)過長時間使用后，會出現(xiàn)諸如照明效果不良、眩光及外殼腐蝕等嚴(yán)重影響行車舒適度和橋梁美觀性的問題。文章以從某公路橋梁工程為例，從實用性的角度提出了LED護(hù)欄燈改進(jìn)和提升的具體思路，以期降低燈具維護(hù)全壽命周期成本，也為護(hù)欄燈初期設(shè)計提供一些借鑒。