1、1. 引言在資源匱乏的當(dāng)今時(shí)代，低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排、綠色照明等相關(guān)題材屢見不鮮，國家倡導(dǎo)的LED固態(tài)照明技術(shù)由此迅猛發(fā)展起來。LED芯片制造商Cree于2010年3月宣稱其芯片光效達(dá)到208lm/W（實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)），而其成熟的主打產(chǎn)品已超過130lm/W。可以預(yù)見，LED光源很快達(dá)到并超過傳統(tǒng)光源的光效，其節(jié)能效益逐漸顯現(xiàn)。但是，在道路照明燈具研發(fā)過程中，仍然存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，如電源損耗、散熱技術(shù)，二次光學(xué)設(shè)計(jì)等，使得燈具的整體光效大打折扣，燈具系統(tǒng)效率不足75lm/W。到目前為止，LED道路照明仍然處在政府主導(dǎo)的示范性推廣階段，整個(gè)LED道路照明行業(yè)缺乏實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，燈具研發(fā)與照明應(yīng)

2、用之間存在一定的差距，例如，燈具二次配光設(shè)計(jì)和應(yīng)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(shí)，存在亮度不夠或利用系數(shù)過低問題，從而導(dǎo)致了LED道路照明的節(jié)能效果并不理想。本文將從配光設(shè)計(jì)的角度討論如何提高LED道路照明燈具的節(jié)能效果，提出除了滿足照度亮度均勻性指標(biāo)外，有必要采用利用系數(shù)CU和照度亮度比E/L來評價(jià)道路照明燈具配光性能好壞，并總結(jié)了道路照明配光設(shè)計(jì)中的問題。 2. 評價(jià)道路照明配光設(shè)計(jì)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)在LED照明行業(yè)內(nèi)，節(jié)能是炒作的主要亮點(diǎn)之一，但從實(shí)際工程案例的經(jīng)驗(yàn)來看，其節(jié)能效果卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如廠家宣稱的那樣可觀，如果在不犧牲照明等級(jí)和效果的情況

3、下，甚至不如傳統(tǒng)高壓鈉燈節(jié)能。其原因很多，例如，散熱技術(shù)的問題導(dǎo)致熒光粉在受熱之后出現(xiàn)老化，其轉(zhuǎn)換光效率降低；電源損耗問題，許多廠家在評價(jià)LED節(jié)能效果時(shí)，不考慮電源損耗造成的系統(tǒng)光效下降；二次配光問題，不少燈具的配光不合理，導(dǎo)致很多的光飄逸出路面，一部分光照射到距道路較遠(yuǎn)的區(qū)域，不僅浪費(fèi)能源，還導(dǎo)致光污染和光侵入等不良后果。行業(yè)內(nèi)缺乏評價(jià)配光性能好壞的技術(shù)指標(biāo)，而業(yè)內(nèi)的光學(xué)工程師對道路照明的應(yīng)用要求不甚了解，他們在做LED燈具配光設(shè)計(jì)時(shí)，主要目標(biāo)則是滿足CJJ45-2006城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的均勻度和眩光等方面的技術(shù)參數(shù)，而對什么樣的配光更適合道路照明了解不夠。CJJ45-2006標(biāo)

4、準(zhǔn)主要是道路照明設(shè)計(jì)遵循的規(guī)范，對道路燈具配光設(shè)計(jì)構(gòu)成的約束有限，而且該標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)傳統(tǒng)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(dá)到道路照明規(guī)范中規(guī)定的技術(shù)參數(shù)，并盡可能的提高均勻性、降低眩光值。但在配光設(shè)計(jì)時(shí)，由于缺乏技術(shù)指標(biāo)來評價(jià)配光性能的好壞，導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)魚龍混雜的局面。好的配光設(shè)計(jì)，首先要滿足照度均勻度，這已經(jīng)在業(yè)內(nèi)達(dá)成共識(shí)，一般的光學(xué)軟件都能實(shí)現(xiàn)照度均勻性模擬。由于目前尚無光學(xué)軟件載入道路路面亮度系數(shù)庫，光學(xué)設(shè)計(jì)者無法模擬不同材質(zhì)的路面亮度均勻性，所以行業(yè)內(nèi)的多數(shù)配光設(shè)計(jì)無法滿足亮度縱向均勻度UL或總體均勻度UO，甚至行

5、業(yè)內(nèi)還沒有對亮度均勻性有足夠的認(rèn)識(shí)。除了滿足照度及亮度均勻度以外，還需要考慮利用系數(shù)是否高，照度與亮度的比值是否夠低，是否具有節(jié)能效應(yīng)。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(shù)CU和照度亮度比E/L來評價(jià)配光性能的好壞，足以凸顯其光學(xué)性能的優(yōu)劣。 2.1 利用系數(shù) (Coefficient of Utilization)利用系數(shù)是指道路計(jì)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(jì)算，利用系數(shù)CU與平均照度E、功率密度LPD的關(guān)系由公式 (2) 和 (3) 得出。從公式&

6、#160;(3) 看出，功率密度LPD與利用系數(shù)CU成反比，即：提高利用系數(shù)CU，可直接降低功率密度LPD值，達(dá)到節(jié)能的效果，只有利用系數(shù)高的配光設(shè)計(jì)才能保證路面有足夠的照度與亮度。在傳統(tǒng)道路照明行業(yè)內(nèi)，曾把公式 (1) 中的分母部分規(guī)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(fù)雜，比傳統(tǒng)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(shù)，以便于計(jì)算和該技術(shù)指標(biāo)的推廣。CU =             

7、0;                                (1)E =                

8、0;             (2)LPD =                            (3)式中  CU 利用系數(shù)u  照射

9、到道路計(jì)算面的光通量多少，單位：流明o  道路燈具輸出的總光通量多少，單位：流明E     平均照度，單位：勒克斯MF 維護(hù)系數(shù)，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  燈具的系統(tǒng)光效，成套LED燈具的輸出光通量除以耗電功率數(shù)，單位：流明/瓦LPD 功率密度，單位計(jì)算面積內(nèi)的耗電功率 一般來說，燈桿高度越低、馬路越寬的應(yīng)用場景，利用系數(shù)越高，圖1和圖

10、2顯示了利用系數(shù)CU與寬高比（W/H）的關(guān)系。如果燈具的橫向配光設(shè)計(jì)過寬（如圖1所示），在應(yīng)用到較窄道路（如23車道）的照明場景時(shí)，出現(xiàn)利用系數(shù)過低而造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)問題；如果燈具的橫向配光設(shè)計(jì)過窄（如圖2所示），在應(yīng)用到較寬道路時(shí)，出現(xiàn)均勻度降低的問題。          圖2. 對稱型較窄配光CU曲線圖1. 非對稱型較寬配光CU曲線 2.2 照度亮度比 (E/L)照度亮度比是指道路計(jì)算面的平均照度與平均亮度的比值，可由公式 (4)

11、 計(jì)算得到：         E/L =                     (4)     式中 Eavg  道路計(jì)算面內(nèi)的平均照度      

12、            Lavg  道路計(jì)算面內(nèi)的平均亮度該技術(shù)指標(biāo)由燈具配光的類型、路面的材質(zhì)、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(guān)，對于道路照明而言，國際照明學(xué)會(huì)推薦的觀察員位置為距離道路計(jì)算面60米遠(yuǎn)、高度1.5米的位置。JTJ 026.1-1999 公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦的瀝青路面E/L比值按照1522取值，水泥路面E/L比值按照1013取值。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的配光可以使該比值降低，甚至低于規(guī)范推

13、薦的范圍很多，即：使用更少的光通量可以實(shí)現(xiàn)更高的亮度1。如配光設(shè)計(jì)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(dá)標(biāo)而亮度不夠的問題。根據(jù)CJJ45-2006的規(guī)定，亮度2cd/m2的標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)30lx的照度，其照度亮度比E/L按照15取值，據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用在該標(biāo)準(zhǔn)推薦的R3瀝青路面時(shí)，一般的道路燈具配光的照度亮度比值在1419范圍內(nèi)1，即：需要2838lx的照度才能使R3瀝青路面達(dá)到2cd/m2的亮度水平。這就是說，通過降低照度亮度比，可以實(shí)現(xiàn)1025%的節(jié)能效果。 3 采用CU和E/L技術(shù)指標(biāo)評價(jià)配光性能的實(shí)例筆者選取10款（如圖34所示）來自不同廠家

14、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(tǒng)光效75lm/W計(jì)算）。在計(jì)算過稱中，路面材質(zhì)選取R3瀝青路面，維護(hù)系數(shù)按照0.7取值，把這10款配光曲線分別應(yīng)用在不同典型照明場景中，對比各種場景的計(jì)算結(jié)果，總結(jié)各款配光性能好壞，如表14所示。表1中的應(yīng)用場景為：道路寬度為7米2車道，間距30米單側(cè)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(cè)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(cè)對稱間距30米布燈，燈桿高度8米（距

15、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(cè)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(jié)果對比表IES路寬7米，桿高8米，間距30米LavgUoULTISREavgEminEavgEminEmaxCUEavgLavg計(jì)算結(jié)果評注Sym

16、1對稱配光，仰角15度，挑臂1.0m1.140.40.360.6170.4950.3220.56714.912照度均勻性好，縱向均勻度不夠Sym 2對稱配光，仰角15度，挑臂1.0m1.070.40.350.4190.4610.2980.63317.757照度均勻好，縱向均勻度不夠Sym 3對稱配光，仰角15度，挑臂1.0m1.490.30.480.2220.4470.2140.73314.765照度均勻，亮度均勻度不夠，CU高Sym 4對稱配光，仰角15度，挑臂1.0m0.750.50.8220.7100.4900.2570.33313.333配光太寬，CU很低，眩光過高Asm 1非對稱配光

17、，仰角0度，挑臂-0.5m*1.140.50.3110.5180.6530.4410.60015.789照度非常均勻，縱向均與度不夠Asm 2非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m1.020.50.7120.5140.4270.1820.46713.725均勻度達(dá)標(biāo)、CU低、TI略高、E/L小Asm 3非對稱配光，仰角0度，挑臂0.5m0.860.50.680.4160.3780.1580.53318.605均勻度差，需縮小S/H，CU低，E/L過大Asm 4非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m1.110.50.6100.5170.4000.2320.56715.315照度亮度均勻度合格、CU提高更

18、佳Asm 5非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m1.190.40.6100.4200.3730.1610.66716.807CU高，照度均勻度不夠，需縮小S/HAsm 6非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m1.250.50.790.4200.4070.2130.66716.000亮度均勻，照度均勻性合格，CU高備注：A、 表中帶下劃線的數(shù)據(jù)表示未達(dá)標(biāo)，或不夠理想；B、 計(jì)算過程中，在挑臂合理的情況下，適當(dāng)調(diào)整仰角，使其最適合各自配光設(shè)計(jì)，達(dá)到最佳計(jì)算結(jié)果；C、 Asm1的配光設(shè)計(jì)偏離鉛垂線角度較大，燈頭的位置遠(yuǎn)離路沿0.5米，其余的配光設(shè)計(jì)無需遠(yuǎn)離道路，燈頭的位置伸進(jìn)

19、道路0.5米或1.0米(下同)。 表2. 各種配光曲線在場景2下的結(jié)果對比表IES路寬10.5米，桿高8米，間距30米LavgUoULTISREavgEminEavgEminEmaxCUEavgLavg計(jì)算結(jié)果評注Sym 1對稱配光，仰角23度，挑臂1.0m0.870.20.390.3140.4320.2480.70016.092照度均勻，亮度均勻性差，Sym 2對稱配光，仰角23度，挑臂1.0m0.820.20.360.2150.4270.2280.75018.293照度均勻，縱向均勻度不夠，E/L比過大Sym 3對稱配光，仰角26.3度，挑臂1m0.990.20.412

20、0.1170.3820.1660.85017.172配光橫向過窄，亮度均勻性差，CU高Sym 4對稱配光，仰角23度，挑臂1.0m0.580.40.8260.68.770.4500.2060.43915.121橫向太寬，CU低，均勻性好，眩光高Asm 1非對稱配光，仰角8度，挑臂-0.5m*0.870.30.3150.3150.6540.4360.75017.241照度非常均勻，亮度均勻性差，TI略高Asm 2非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m0.790.40.6150.4120.4790.2020.60015.190照度亮度均勻度好、CU不高、TI略高Asm 3非對稱配光，仰角5度，挑臂1.

21、0m0.690.40.690.3140.4170.1540.70020.290照亮度均勻度達(dá)標(biāo)，CU不高，E/L過大Asm 4非對稱配光，仰角8度，挑臂1.0m0.830.40.7120.3140.4440.2230.70016.867照度亮度均勻度合格、CU提高更佳Asm 5非對稱配光，仰角11度，挑臂1.0m0.850.40.7120.2150.3880.1580.75017.647CU高，照度均勻度不夠，適合S/H=3.5Asm 6非對稱配光，仰角9度，挑臂1.0m0.920.40.7100.2160.4140.1850.80017.391亮度均勻，照度均勻性合格，CU高 表3

22、. 各種配光曲線在場景3下的結(jié)果對比表IES路寬25米，桿高8米，間距30米LavgUoULTISREavgEminEavgEminEmaxCUEavgLavg計(jì)算結(jié)果評注Sym 1對稱配光，仰角24度，挑臂1.0m0.880.30.3110.5150.4720.2710.85717.045照度均勻，亮度均勻性差，Sym 2對稱配光，仰角25度，挑臂1.0m0.790.30.370.4150.4080.2140.85718.987照度均勻，亮度均勻性差，Sym 3對稱配光，仰角28度，挑臂1.0m0.940.30.4120.4160.4080.1750.91417.021照度均勻，亮

23、度均勻性差，CU高Sym 4對稱配光，仰角25度，挑臂1.0m0.640.50.8280.89.970.6080.3030.57015.578橫向太寬，CU低，均勻性好，眩光高Asm 1非對稱配光，仰角8度，挑臂0.0m*0.90.40.3150.5150.6170.4150.85716.667照度非常均勻，亮度均勻性差，TI略高Asm 2非對稱配光，仰角5度，挑臂1.0m0.840.50.6150.6130.5400.2420.74315.476照度亮度均勻達(dá)標(biāo)、CU不高、TI略高Asm 3非對稱配光，仰角8度，挑臂0.5m0.690.50.6100.5140.4790.1930.80020

24、.290照亮度均勻度達(dá)標(biāo)，CU不高，E/L過大Asm 4非對稱配光，仰角10度，挑臂1.0m0.860.50.7120.6150.4670.2430.85717.442照度亮度均勻度合格、CU提高更佳Asm 5非對稱配光，仰角10度，挑臂1.0m0.880.40.7120.4160.4580.1740.91418.182照度亮度均勻度合格、E/L比降低更佳Asm 6非對稱配光，仰角8度，挑臂1.0m0.90.40.7100.4160.4530.1990.91417.778亮度均勻，照度均勻性合格，CU高 表4. 各種配光曲線在場景4下的結(jié)果對比表IES路寬25米，桿高10米

25、，間距30米LavgUoULTISREavgEminEavgEminEmaxCUEavgLavg計(jì)算結(jié)果評注Sym 1對稱配光，仰角23度，挑臂1.0m0.840.40.370.7140.6940.4710.80016.667照度均勻，亮度均勻性差Sym 2對稱配光，仰角24度，挑臂1.0m0.750.40.360.5140.6010.4360.80018.667照度均勻，亮度均勻性差Sym 3對稱配光，仰角25度，挑臂1.0m0.920.40.580.5150.5320.3140.85716.304照度均勻，亮度均勻性差Sym 4對稱配光，仰角22度，挑臂1.0m0.60.60.9210.8

26、9.280.7290.4740.53015.467橫向太寬，CU低，均勻性好，眩光高Asm 1非對稱配光，仰角3度，挑臂0.0m*0.850.50.490.7140.7500.5990.80016.471照度非常均勻，亮度均勻性差A(yù)sm 2非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m0.80.50.7100.7130.5540.2850.74316.250照度亮度均勻達(dá)標(biāo)、CU不高Asm 3非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m0.670.50.760.6130.4960.2360.74319.403照亮度均勻度達(dá)標(biāo)，CU不高，E/L過大Asm 4非對稱配光，仰角5度，挑臂1.0m0.820.50.890.

27、7140.5950.4030.80017.073照度亮度均勻度都很好Asm 5非對稱配光，仰角8度，挑臂1.0m0.840.50.880.5150.5550.3030.85717.857照度亮度均勻度都很好Asm 6非對稱配光，仰角8度，挑臂1.0m0.870.60.870.6150.580.3630.85717.241照度亮度均勻度都很好 4 從計(jì)算結(jié)果比較表中發(fā)現(xiàn)的問題4.1 配光設(shè)計(jì)忽視亮度均勻性從表14的所列數(shù)據(jù)看出，尤其是在距高比不超過3.5的情況下，絕大多數(shù)的配光設(shè)計(jì)能滿足照度均勻性指標(biāo)，但是有將近一半的配光曲線在本文所有應(yīng)用場景中無法滿足亮度均勻性指標(biāo)。一般情況下，可以通過適當(dāng)