LED在特殊道路照明条件下的适用性分析与优化

王鹏展

(南京市路灯管理处，南京 210013）

1 道路隧道系统的照明适用性分析

1.1 研究目的

相比隧道大量使用的荧光灯光源，LED色温与其色温接近，并便于安装。同时由于隧道比较接近室内环境，能够充分发挥LED光源优势，所以南京在2008年开始在隧道中使用LED。在此过程中，我们通过试验数据，分析LED隧道照明光环境光参量与荧光灯的优势，对存在问题进行优化。

1.2 研究方法与过程

我们将LED隧道照明实验地点定于新模范马路，起点位于金川河，终点位于古平岗。该隧道按双向双洞六车道，地下段长度1147 m。单侧设计宽为11.5 m，单向三车道，按交通流量大于2400辆/h、最大车速为60 km/h标准设计，每隔50～80 m设有直通地面的采光通风井。

我们在2008年6月先行进行了挂灯试验，试验段位于隧道北侧洞，施工桩号310 m至440 m处，为该隧道的典型路段，在320 m，380 m及440 m处的南侧有三处采光通风井，每个井由2个约为7 m×5 m的通风口组成。试验共采用LED隧道灯54盏，南北两侧各27盏，按布灯间距5 m和6 m两种方式分两段设置。进行对比测试。光源标称功率60 W/盏，实测灯具功率73 W/盏，同时结合调光，每盏灯按双驱动模式配置。现场设专用表箱4回路供电，南北侧各2回路。测试中期对驱动运行的模式进行了调整，7月8日的数据为调整后数值。因为最后选定的方案为布灯间距5 m，故只列出5 m的检测数据。具体过程归纳如下:

(1）试验地点

南京快速内环北线新模范马路隧道。

(2）光源参数

LED 2×30 W，双模块独立系统，可独立开关。

(3）现场情况

①试用LED灯54盏，南北侧各27盏，视在功率72 W/盏。

②专用表箱4支路供电，南北侧各2支路。

③隧道宽12 m，高6 m。

④测量范围 k380－k410段，长30 m。

⑤测点分布横向间距5 m，纵向间距2 m，总点数49个。

⑥测量时，南侧有临时照明用小功率节能灯未拆除。

(4）测量过程

新模范马路隧道道路照明亮度测算按照4点法布点测算，沿车行纵向布置7点，横向布置7点，共49点，测量方案如图1所示。

图1 新模范马路隧道LED照明测试图

第一次测量:2008年6月5日晚8:00。

①全开 平均照度63 lx;照度均匀度0.6;纵向照度均匀度0.745。

②半开 平均照度32.3 lx;照度均匀度0.46;纵向照度均匀度0.6。

第二次测量:2008年7月8日晚8:30。

①全开 平均照度75.66 lx;照度均匀度0.56;纵向照度均匀度0.72。

②半开 平均照度49.9 lx;照度均匀度0.45;纵向照度均匀度0.58。

第三次测量:2009年8月6日凌晨0:28。

全开 平均照度81.26 lx;照度均匀度0.49;纵向照度均匀度0.6。

1.3 达标性分析

表1 隧道夜间照明亮度表

图2 新模范马路隧道LED照明光环境测试现场

我们将测量数据与《公路隧道通风照明设计规范》照度规定比较(见表1），得到该LED隧道灯符合要求。新模范马路隧道以设计时速60 km为参考，夜间平均照度达到81.26 lx，照度均匀度0.6，超过了指标要求。

因此得出结论，LED在隧道照明中光环境满足设计要求，可以推广应用。

1.4 与荧光灯隧道照明光环镜的比较分析

(1）光源功率的比较分析

在相同条件下，我们用Caculx软件模拟计算新模范马路隧道条件下，换用荧光灯测算，要达到LED测试得到的平均照度75.66 lx，以及满足其他主要光参量达标，可用某知名品牌荧光隧道灯55 W以上功率替换。

表2 玄武湖隧道照明光环境测试值

表3 玄武湖隧道/新模范马路隧道照明参数对比

(2）照明光环境效果的比较分析

我们选取了南京典型的荧光灯隧道照明工程玄武隧道进行了测量。测量结果如表2所示。在完成了测试数据整理后，我们将玄武湖隧道荧光灯照明和新模范马路隧道LED照明作了比较分析，如表3所示。我们发现，LED隧道照明平均照度已超过荧光灯照明，而在平均照度等参数上还低于荧光灯提供的效果。因此，在两种光源照明指标都超过照明设计标准的基础上，荧光灯隧道照明提供的光环境效果具有优势。

1.5 结论与优化建议

由此我们认为:①目前LED环境效果与荧光灯相近，但个别指标仍有差距;②通过合理的照明设计，LED完全能够满足隧道照明需要;③相比在主干道、次干道使用LED，隧道LED照明优势明显，技术成熟，光环境达标，具备大面积推广条件。实际效果对比见图 3、图4。

图3 新模范马路隧道LED照明效果

图4 玄武湖隧道荧光灯照明效果

2 交会区LED大功率照明的适用性分析

2.1 研究目的

道路交会区机动车道照明标准应高于交会道路的照明标准，其照明标准值应符合表4的规定。为了使交会区的照明水平和交会前路段照明水平相匹配，同样采用照度作为评价指标，也同样规定了照明标准的高档值和低档值。在交会区使用LED是否可行，我们以典型交会区为例作了进一步分析。

2.2 研究方法与过程

我们以南京312国道仙隐北路交会区为研究对象(见图5），长86.34 m，宽68.84 m，该规模的交会区是大中型城市照明中的通常情况。经DIALUX模拟软件计算，当在该交会区四个角点分别采用3×600 W高压钠灯，15 m高度的中杆灯照明时，平均照度才能达到55 lx，照度均匀度为0.416，符合表4所示的城市道路照明设计标准。

图5 交会区Dialux软件模拟照明效果图

2.3 数据分析

从计算数据与标准参数比较易知，本设计中所采用的光源功率正好符合标准，若再降低，则难以达标。则若换成LED照明，因LED光效目前稍低于高压钠灯，其每杆安装功率应达到1800 W以上。一方面，按大功率芯片每片3 W来计算，则每杆应安装600颗芯片，热效应会非常明显，散热问题难以解决;另一方面，温升过快必然导致光效下降与芯片损坏等后果，降低了路面平均照度。交会区是交通事故易发区域，在设计标准中就已经明确了平均照度高出邻近路段50%的要求。

表4 交会区照明标准值

2.4 结论与优化建议

根据以上数据分析得出结论:LED若应用在交会区照明中，照度不稳定、不达标，不能投入使用。

因此建议，目前LED不适合交会区大功率照明使用。

3 人行道路照明适用性分析

3.1 研究目的

LED是否符合人行道路照明应用，实际应用效果的评价。

3.2 研究方法与过程

《城市道路照明设计标准》规定供行人和非机动车混合使用的商业区、居住区人行道路的照明标准值应符合表5的规定。人行道路照明对照度(亮度）均匀度无要求，因此对灯具配光要求相对较低。目前多数LED产品均能符合使用条件。为了验证这一观点，我们选取了南京产某款35 W LED庭院灯，安装于夜间人流量小的南京国画院4 m宽的街巷，并用4点法对路面照度进行了数据测量，结果见表6。

表5 人行道路照明标准值

表6 国画院LED庭院灯照度测量值

经计算，得该路平均照度为8.98 lx。该路原路灯为150 W高压钠灯，测试得平均照度达25.7 lx，严重超标。

3.3 结论与优化建议

在以上数据基础上，我们得出结论:在人行道路照明平均照度低，无均匀度要求，LED路灯适用于人行道路照明，发挥了其功率因地制宜灵活变化的优势，优化了光环境，保证了流量小的道路的基本照明需求。同时，节约了电能，属于低碳照明。

建议:在支路、街巷使用LED道路照明，发挥LED节能优势。

4 高绿化覆盖率地段LED道路照明的适用性分析

4.1 研究目的

上文中，我们不仅对LED道路照明光环境进行了分析，并且研究了LED路灯的适用场所。在长期实践中我们发现，LED要推广应用到城市道路照明领域，另一个重要的外部环境因素是光的遮挡问题。城市覆盖于绿化中，以南京为例，总绿化覆盖率达35%以上。下面从2006年我们参与的《南京城市照明专项规划》编制过程中研究绿化对道路照明的影响。

4.2 研究方法与过程

2006年，我们规划编制小组经过30天的现场测量和调查，对南京21个照明电源点、13条快速路、55条主干道、10条次干道、10条支路、8个街巷、7个交会区、3个商业片区、3个居住片区、14座立交桥、5个广场的照明状况，范围覆盖了南京主城区及近郊。获得数据包括照度、照度均匀度、亮度、亮度均匀度，纵向均匀度等主要指标，见图6。

图6 南京功能照明质量综合统计图

根据图6的数据分析发现，平均照度值达标率达79%，而相比之下，照度均匀度达标率仅为38%。调查发现，主城范围内各条道路功能照明受绿化干扰的达50%以上，相当一部分路段由于树大枝茂，以致于见树不见灯，路面照度均匀度无法满足通行的基本需要。因此，避开绿化干扰，切实提高照明效率，已成为迫切需要解决的重点问题之一。南京道路绿树成荫，起到了美化城市环境的重要作用。但是由此引起的道路照明问题十分突出。如图7所示，珠江路cosmopolis灯具试验时遇到的行道树遮光问题。如图8，典型的树中灯现象。

图7 珠江路cosmopolis试验段

图8 典型的树中灯

4.3 结论与优化建议

根据以上数据分析，我们得出结论，LED道路照明因光源功率的限制，目前不适合在绿化覆盖率高的地区使用。这一点引起了我们实验小组的重视，在LED路灯试验时，选择了近郊的泰山路、九乡河东路、市区的解放南路等行道树影响较小的路段，获得了理想的测试数据。

建议:LED路灯应用到道路照明中时，应避开树木繁茂的路段，提高光利用率，保证路面平均照度。

5 小结

LED光源在城市道路照明中的推广应用核心是道路照明光环境的控制，它是复杂的光参数控制体系，集合了灯具设计、专业照明设计、发光芯片设计多项技术，涉及了传热学、光学、电学、材料学等诸多领域。同时，在现有技术条件下，要将LED路灯更好地运用到道路照明中，就应充分考虑特殊条件下LED灯具的适用性。任何一项新发明在使用初期都会遇到种种问题，但LED技术正突飞猛进。随着LED芯片光效不断提高，LED灯具设计的日趋合理，LED道路照明的潜力将能被充分挖掘。

［1］陈大华.绿色照明LED实用技术［M］.北京:化学工业出版社，2009

［2］刘磊实，冀晓健.LED光源在城市道路功能照明中的试验与分析［J］.照明工程学报，2008，19(4）:85～89

［3］刘磊实，林卫，王鹏展.LED光源在城市隧道照明中的应用与分析［J］.照明工程学报，2010，21(3）:50～55

［4］CJJ45－2006，城市道路照明设计标准［S］

［5］Ackermann R. Optical approach for led headlamps.ISAL 2005