青岛海湾大桥LED低空照明应用分析

◎ 山东高速青岛公路有限公司 张国庆

山东高速公路股份有限公司信息管理中心 张 伟

【关键字】海湾大桥 LED 低空照明 分析

一、青岛海湾大桥项目简介

青岛海湾大桥是国家高速公路网青岛至兰州高速公路的起点段，是山东省“五纵四横一环”公路网主框架的重要组成部分，也是青岛市规划的胶州湾东西岸跨海通道“一路、一桥、一隧”中的“一桥”。青岛海湾大桥一期工程东起青岛侧环湾大道李村河大桥北200米处，终于黄岛侧胶州湾高速公路东1公里处，顺接济青南线设计起点，中间设立红岛互通立交与红岛连接线相接。主线全长28.047公里，其中跨海大桥25.171公里，青岛侧接线749米，黄岛侧接线1.3公里。主线桥宽35米，双向六车道，设计行车速度为80公里/小时。

青岛海湾大桥建成后，必将成为岛城的标志性建筑和重要的景点之一。为保证夜间行车安全，并展现海湾大桥在夜间的独特魅力，需要针对桥梁进行符合美学规律的照明设计。为此，不仅需要关心桥梁交通安全的需要，也需要关心桥梁与周围环境的相互影响，关心桥梁的标志性意义。海湾大桥的夜景照明应是功能性和景观性并重，将两者结合起来以达到舒适、安全的照明效果，实现桥梁交通功能与景观功能的有机统一。

二、灯光照明设计要求

青岛海湾大桥地处海湾，自然环境条件复杂、气候恶劣多变，它的灯光照明方案必须基于对当地地理和气候环境的充分熟悉和认识，按高速公路路桥技术规范结合大桥运营功能需求、自然条件而设计。除需要以节能、环保和智能化为设计理念之外，还需要对景观效果做充分的考虑。其设计要求如下：

表一 青岛海湾大桥技术指标

1、符合照明功能要求

桥梁的照明直接影响到车辆的行驶安全，在照明设计时，必须保证一定的亮度和均匀度，要让驾驶者能清楚地分辨路面交通情况和交通标志，且不感到眼部疲劳，同时对眩光的控制尤为重要，以确保交通安全。由于海面上往往湿度较大，雾天较多，能见度较低，因此还必须考虑光源的透雾性及诱导性。同时，亮度的选择要符合夜景照明的有关规定，抑制光污染。

2、高可靠性

青岛海湾大桥距离长，其所处环境具有高盐雾、多雷雨、台风等天气的特点。因此，在灯具的选择和安装方面要充分考虑到抗震、抗风、抗腐蚀、易于维护等因素。系统设备应具有多重防护，可抵御感应雷击和电网浪涌，防水气侵入和盐雾腐蚀；在个别设备出现故障的情况下系统仍能稳定运行，不影响或者少影响照明系统的按时开启和关闭。单灯可自稳压，能克服电网、长距离供电电压波动对道路照明及设施的影响，延长光源寿命。

3、环保节电

为达到照明要求需安装较多数量的灯具，这带来了巨大的电力消耗。为此，应在满足照明功能要求的情况下，尽量选择节能灯具。采用路灯控制系统，根据交通量及环境情况控制路灯的开关状态及照度控制，以减少照明系统用电负荷。

4、增强桥梁美观度

整体照明效果要塑造建筑物良好的夜间形象，同时其灯位布置又不能破坏建筑物的日间形象。作为景观的一部分，桥梁照明需具备观赏性和装饰性。照明设计应把握建筑师的设计风格和意图，在不改变桥梁原有风格、结构、布局的同时，使之在夜间焕发出不同于白天的风彩，并将建筑物重点部位的结构和装饰细节展示的更加鲜明、恢宏。

三、大桥照明技术参数

青岛海湾大桥是连接青岛、红岛、黄岛的重要交通干道，车速快，流量大，整个大桥对照明要求非常之高，由于目前国家对LED低空照明没有具体实施标准，故参照国际照明委员会CIE提供的大桥照明质量七项技术参数指标为：桥面平均照度、桥面均匀度、眩光阈值增量、灯具温升、灯具寿命、IP等级、LED粒子光效。

四、LED和HID钠灯实际比较

1、LED低空照明和高压钠灯高杆照明比较优劣势：

目前大桥采用的主要是高杆钠灯光源，具体见以下图片：

杭州湾大桥灯光照明效果夜视图

东海大桥灯光照明效果图

青岛大桥灯光照明效果图

中国目前已建成的海湾大桥如杭州湾大桥和东海大桥均采用灯杆和高压钠灯光源作为主照明，青岛海湾大桥将采用LED低空照明作为照明，两者优缺点见以下分析：

● 高压钠灯发光颜色为黄色，色温及显像指数都比较低，显像指数仅为25左右（黄光）。

LED光源的色温可以在4000～7000K之间灵活选择，显像指数可达80以上，视觉效果更接近于自然光。

● 钠灯的灯泡结构决定了灯具的光源利用率较低，仅有70%左右。灯管的发光角度为360°，大部分必须通过反射器反射后才能照射到指定区域。

LED灯具光源利用率高，约为90%，LED二极管发光角度同灯具的发光角度可保持一致，方向性强，因此灯具大部分的光是直接照射到指定区域，光源利用率高。

● 高压钠灯灯泡启动时间长，启动时造成电压波动，对电网有污染，再次启动时需要有一定的时间间隔。高压钠灯在通电5～10分钟左右的时间，才能达到正常的亮度，再次启动的时间间隔一般要大于5分钟。

LED灯不存在启动延时问题，直流驱动，对电网没有污染。可瞬时接通，随时工作，能够非常方便地实现智能化节能控制。

● 钠灯由于灯亮时与灯灭时的温度差异很大，若灯体不带呼吸系统时，反射器容易被有害气体腐蚀而产生较大光损。

LED灯具不需要加装呼吸系统，利用设计可很好地解决散热问题，此大桥上采用的一般功率为4W到10W的灯具，灯具散热效果好，亮灯时灯具表面上温度约为30℃左右。

表二 低杆钠灯和低空LED灯照明性能比较

● 从眩光阈值上看，高杆路灯的眩光阈值一般都在9～15之间，而采用低空LED照明的眩光阈值可控制在1～5之间，对驾乘人员影响低。

● 钠灯寿命一般在2万小时左右（GE NG400T/E40 标称寿命为2.4万小时），和镇流器、触发器、电容配套使用，将会低于2万小时（实际应用中，很少达到2万小时的寿命）。

LED光源的寿命可达到3万至5万小时（CREE R2芯片标称寿命5万小时），驱动寿命一般在3万到5万小时，配套使用灯具散热非常好的情况下（大桥低空照明灯具功率都在4W到10W之间），寿命将达到3万小时以上。

综上可知，在能达到相同照明要求的情况下，LED灯具比钠灯在功耗上有很大的优势，更加符合目前国家所倡导的低碳、节能、环保、生态的大方针,缺点是由于低空LED灯具目前还处于研发及起步阶段，造价成本相对较高，目前在特大型桥梁工程上面的功能性照明还没有具体实际案例，具有一定的风险性。

五、Led护栏灯低空照明实践

虽然低空LED护栏灯还没有大规模的应用，但是根据资料显

表三 钠灯和LED灯具在安装和维护性能比较

表四 低杆钠灯和低空LED灯能耗对比

说明：

◇为了比较方便，以上数据是模拟青岛海湾大桥28千米长，且使用两种灯具的具体数据

◇低杆钠灯灯具计算方法为:大桥间隔33M布灯

◇低空LED灯具计算方法为:大桥间隔2M布灯

◇电费采用30天，每天10小时，单价1元/千瓦时示，LED的低空护栏照明目前在全国很多地方立交桥在应用，以下是实例：

远处是高压钠灯，显色指数明显比LED差。护栏管LED灯光照明效果实图。

从以下照片实景图可以看出，LED低空照明完全能满足实际照度需求，而且照度均匀性较好，显色性也明显好于高压钠灯。

武广高铁株洲站

厦门立交桥（近景图、俯瞰图）

六、LED低空照明在青岛大桥上的设计要点

根据表一可知，灯具的主要设计点为以下几点：

平均照度：根据表一可知，CIE规定室外交通区域的照度范围是20～30lx，照度均匀度一般控制在0.3～0.4之内就能满足车辆行驶的要求，而参与青岛海湾大桥LED护栏灯试验段的部分灯具均匀度能达到0.6甚至更高，这可以基本满足电视转播的需要。

眩光限制：由观察者视野内出现的高亮度发光体而引起的眩光为直接眩光。在观察者眼睛来看，直接眩光一般来自于于视轴成0°～45°角的范围内，尤其以0°～20°最为严重（如下图1所示）。

图1

图2

说明：

1.灯具安装在护栏上，高度为1.2m

2.护栏总高1.4m

3.图中的矩形线为汽车，车内人高为1.3m左右

4.如图所示，车内的人眼的距离灯具的安装高度相差10cm以上，也就是说灯具的出光口在人眼正视范围以下(﹣5°角)，没有灯具的直射光射入人眼，这就非常好的解决了灯具的眩光问题

5.这个方案对灯具的配光有着非常的要求，灯具的出光口必须位于红线之间

6.目前参与试验段的厂家有几家采用此方式来解决眩光问题，实际效果良好。

以护栏灯具为例，在图1所示中，由于不采用灯杆，人眼无法在45°以上看见灯具，故灯具设计时如果将眩光限制在0°以下的负角，那将是非常完美的解决眩光问题，以下是部分厂家实际采用的解决方式：

眩光阈值：

阈值增量TI是用来度量失能眩光的。失能眩光会造成可见度的下降。这是因为来自眩光源的光在视网膜方向上散射，形成一个明亮的光幕，叠加在原本清晰的景象上，从而增加了背景亮度，使对比度降低。这个光幕可用一个等效光幕亮度Lv来度量。阈值增量的大小除了取决于光幕亮度外，也和眼睛的适应亮度Lav有关。其计算公式为：

式中：K—年龄系数，一般取10，适合23岁的观察者

Lav—路面平均亮度(cd/m2)

Eeyei—由第i个光源在垂直视线方向上的人眼视网膜的照度（lx）

θ—视线方向和第i个眩光源入射观察者眼睛光线方向的夹角(°)

n—眩光源总数

由式中可以看出，此眩光阈值增量主要针对路灯而言，因为它有光源在垂直视线方向上的照度，而低空照明的灯具安装在人眼以下（如图2所示）,故眩光阈值增量在这里就不再适用。也就是说，采用低空照明，眩光阈值基本为零，对驾驶员视线几乎没有影响。

灯具温升：

由于此次灯具均采用低功率照明，最大不过10瓦，灯具设计散热合理，灯具温升在30℃，基本没有影响。

灯具寿命：

采用CREE芯片，选用高可靠性配套电源，灯具整体适用寿命预计在3万小时以上。

灯具的光效：

由于指定采用光效在110Lm以上的芯片，灯具基本上采用凸镜的反射方式，损失率相对HID光源来说，灯具效率一般在80%以上,有效光效在90Lm以上。

七、LED低空照明问题及展望

LED是以半导体为原材料，加以高科技电脑芯片而产生的发光二级管照明产品，它以无灯丝、无汞、无电子荧光粉、纯净照明的绿色光源走进人类生活，它与一般的照明灯具相比具有绿色、无污染、寿命长、冷光源等特点，光源寿命在3万小时以上，色温5000K左右，接近于日光，同等照度可比传统光源节能50%～70%，无重金属排放，无紫外线及红外线放射，完全符合国际和国内的照明行业标准。

虽然目前LED灯具还不太成熟，总是存在这样或那样的缺陷，较为昂贵，同时目前还是以国家道路照明设计标准为基准，在实际上有一些具体标准不符合LED特别是低空照明的需要。

2009年初，为了扩大内需，推动我国LED产业的发展，降低能源消耗，科技部推出“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案，计划涵盖北京、上海、深圳、武汉等21个城市。青岛海湾大桥也是积极响应国家的提倡，首次在如此长的大桥上采用LED低空照明，虽然也存在着未知风险，但是在前期的准备工作和试验段灯具的使用情况下，让我们对LED低空照明有着比较深的认识和信心，相信青岛海湾大桥一定会是第一个吃“螃蟹”的LED低空照明的大工程。在相关领导和专家及厂家的共同努力下，LED低空照明将在青岛海湾大桥得以应用，同时LED光源必将成为21世纪的主导光源。LED低空照明在青岛海湾大桥的应用与实践，也将为国内、外其它大型桥梁及城市立交照明工程实施提供一个新的思路与借鉴。