背街小巷照明LED灯具配光方式与设计探讨

朱继红 ，李 瑶 ，林海阔 ，李 涛 ，许 敏

（1.苏州市城市照明管理处，江苏苏州215005；2.山西光宇半导体照明股份有限公司，山西临汾041000）

背街小巷居住人群以中老年人和出租户为主，大部分此类街巷路幅较窄，灯间距较大。受实际安装条件限制，目前苏州市区，尤其是古城区内的背街小巷，路灯大量采用抱箍灯的形式固定于供电水泥杆或照明自立水泥杆上，光源为23～48 W节能灯，配搪瓷灯罩。虽然初步实现了照明，但配光效果差，光源损坏率高，给中老年居民出行带来不便，照明质量无法满足市民要求。而近年来随着LED技术的发展，LED技术渐趋成熟，采用新技术在现有抱箍灯条件下解决实际照明需求不仅有必要，也完全具有可行性。针对背街小巷的应用环境，结合LED光源特点与配光优势，探讨LED路灯的适用性结构、配光设计，再经照度模拟计算及现场实测，以满足背街小巷功能性照明的需求。

1 安装环境与照明需求

1.1 安装环境

1）背街小巷LED路灯主要安装在供行人和非机动车混合使用的居住区背街小巷的道路，不改变现有的安装和配电方式，仍采用抱箍灯形式固定于供电水泥杆或照明自立水泥杆上。

2）灯高约4.5～5 m，灯间距约30～40 m，路幅为2～4 m，灯臂长约 1 m，仰角约 5°～10°，灯具接口尺寸为48～60 mm，安装方式为单排排列。

3）因使用在供行人和非机动车混合使用的居住区，在保证一定照明质量的前提下考虑照明舒适性，控制眩光。

4）灯具外形和外壳颜色要适合城区背街小巷的周边环境。

1.2 照明需求

1）按照《城市道路照明设计标准》中对人行及非机动车道照明要求设置标准值，40 m灯间距要求路面平均照度维持值≥5 lx，路面最小照度≥1 lx，最小垂直照度1.5 lx。

2）为保持舒适度，LED光源色温定为4 000 K±200 K，一般显色指数Ra≥75。

3）为均衡节能与照明质量，系统功率≤30 W，灯具效能≥100 lm/W。

4）背街小巷维修设备难以进入，为便于维护，要求灯具自洁性好，外表应光洁，灯具必须有透光玻璃罩，采用高强度高透射钢化玻璃。

5）整灯防护等级IP65，光源腔防护等级IP66，采用结构型防水。

6）驱动电源、浪涌保护、眩光阈值增量和使用寿命以及照明质量等其他指标要符合标准要求。

2 灯具配光方式及设计

通常将LED封装成朗伯光源或近朗伯光源，这类光源在路面上形成的是不均匀的圆形光场，其中心光强较大，径向衰减很快。而道路照明系统需要在其被照区域形成矩形光场，矩形光场能在满足路面照明亮度、照度要求的同时提高光能利用率，且有利于均匀度的提高。背街小巷的环境，相对主次干道需要更大距高比配光，对LED灯具的配光要求较高。通过LED路灯灯具的配光方式和光学系统设计，将光分配到长窄路面区域，获得了较好的照明效果。

2.1 灯具配光方式

正常情况下，LED灯具可以进行三次配光，而目前大部分道路照明灯具采用二次配光方式，也就是芯片封装时的一次配光，光源板设计时再针对道路横向与纵向配光要求进行透镜或反光杯式的二次配光。对于特殊使用需求，LED灯具可进行三次配光，LED路灯的三次配光是在大功率LED一、二次配光完成的基础上，通过对多个LED(单元模组)叠加和空间排列实现，以满足道路照明平均亮度、平均照度和均匀度的要求，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种基本方式。背街小巷LED灯具有其特殊性，需要部分光源采用二次配光与三次配光相结合的方式。

2.2 灯具配光设计

针对街巷照明需求，先使用仿真技术，对反射曲面求解，优化设计各参数。其次，对设计模型进行实物样品分析和评价，使用配光测试设备测试。最后，将样灯安装到现场测试。经过以上步骤对设计模型逐步修正，循环多次，直至满足现场实际需求。

2.2.1 遮光限制条件

在背街小巷档距为40 m，灯高5 m的条件下，需要大距高比灯具，配光角度不低于76°，而为控制眩光和保证灯具外形美观，灯具中心出光角必须限制在70°内，超过70°，光将严重削弱，灯具外沿遮光限制如图1所示。

图1 遮光限制示意图

2.2.2 配光设计与灯具设计

设计一种光学器件2（PMMA透镜二次配光后增设反光器三次配光），置于灯具外沿的正上方，该光学器件可以把光线配到灯具外沿，实现尽可能大的配光角度（70°～78°）。再设计一种光学器件1（PMMA透镜配光），用于配合以上光学器件2的配光效果，弥补灯具正下方光强不足的问题。灯具断面如图2所示。

图2 灯具断面

经过反复仿真模拟与现场测试，灯具外形如图3所示。

图3 灯具外形

2.2.3 配光曲线模拟

优化设计后光学器件1、2和灯具配光合成后的配光曲线模拟如图4～6图所示。

图4 光学器件1配光曲线模拟图

图5 光学器件2配光曲线模拟图

图6 灯具配光合成后配光曲线模拟图

3 实测结果

3.1 灯具性能测试

经过实验室测试，灯具材质、防护等级、光学性能、电气性能和安全保护等指标均满足道路照明灯具各项标准和规范要求。

3.2 现场照明质量测试

将生产的3套系统功率28 W、色温4 000 K、一般显色指数75的LED灯具样灯安装到背街小巷抱箍灯灯臂上。在现场路幅4 m，灯间距40 m，灯对地高5 m，灯臂长1 m,仰角8°，单排连续布灯的条件下，测试结果如表1、表2所示。

表1 测试点平均照度

表2 测试结果

3.3 结果分析

经过灯具的配光设计仿真、实物样灯的试用改进、样灯安装现场实际测试，再对设计模型不断修正，循环多次。灯具性能测试与现场照明质量实测的各项数据表明，选择的LED灯具能满足现场实际照明要求，达到了应有的照明效果。

4 结论

目前虽然部分城市也提出了背街小巷整治工程设计导则，并将照明设施改造纳入其中，但总体而言，背街小巷道路照明仍是大部分城市照明设计的难点，照明质量差的现象普遍存在。问题的关键在于重视程度不够，难点在于如何设计和平衡好照明能效、照明质量、照明舒适度和资金投入之间的关系。因各个城市情况不同，今后如何根据不同城市的特点将背街小巷LED路灯系列化和规格标准化，也是一个需要解决的问题，同时，仍需在LED技术发展与实际应用过程中不断研发新产品，改进照明方式，更好地满足市民对照明的更高需求。

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