從配光設(shè)計(jì)角度談LED道路照明節(jié)能

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(jiàn)不鮮，國(guó)家倡導(dǎo)的LED固態(tài)照明技術(shù)由此迅猛發(fā)展起來(lái)。

　　1 序言

　　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(guò)130lm/W。可以預(yù)見(jiàn)，LED光源很快達(dá)到并超過(guò)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(guò)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)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(guò)低問(wèn)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(lái)評(píng)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(wèn)題。

　　2 評(píng)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(lái)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(wèn)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(wèn)題，許多廠家在評(píng)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(wèn)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(píng)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(duì)道路照明的應(yīng)用要求不甚了解，他們?cè)谧鯨ED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(duì)什么樣的配光更適合道路照明了解不夠。CJJ45—2006標(biāo)準(zhǔn)主要是道路照明設(shè)計(jì)遵循的規(guī)范，對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(lái)評(píng)價(jià)配光性能的好壞，導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)魚(yú)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(wú)光學(xué)軟件載入道路路面亮度系數(shù)庫(kù)，光學(xué)設(shè)計(jì)者無(wú)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(wú)法滿足亮度縱向均勻度UL或總體均勻度UO，甚至行業(yè)內(nèi)還沒(méi)有對(duì)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(duì)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(lái)評(píng)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（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(lái)定義利用系數(shù)，以便于計(jì)算和該技術(shù)指標(biāo)的推廣。

　　式中CU———利用系數(shù)；

　　u———照射到道路計(jì)算面的光通量，單位：流明；

　　o———道路燈具輸出的總光通量，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(guò)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；

　　η———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(lái)說(shuō)，燈桿高度越低、馬路越寬的應(yīng)用場(chǎng)