评价LED道路照明灯具配光性能的两个重要指标[1]

　　在资源匮乏的当今时代，低碳经济、节能减排、绿色照明等相关题材屡见不鲜，国家倡导的LED 固态照明技术由此迅猛发展起来。LED 芯片制造商Cree 于2010 年3 月宣称其芯片光效达到208lm /W( 实验室数据) ，而其成熟的主打产品已超过130lm /W。可以预见，LED 光源很快达到并超过传统光源的光效，其节能效益逐渐显现。但是，在道路照明灯具研发过程中，仍然存在诸多技术难点，如电源损耗、散热技术，二次光学设计等，使得灯具的整体光效大打折扣， 灯具系统效率不足75lm /W。到目前为止，LED 道路照明仍然处在政府主导的示范性推广阶段，整个LED 道路照明行业缺乏实际应用经验，灯具研发与照明应用之间存在一定的差距，例如，灯具二次配光设计和应用需求的差距，使得LED 道路灯具的输出光通量投射到路面上时，存在亮度不够或利用系数过低问题，从而导致了LED 道路照明的节能效果并不理想。本文将从配光设计的角度讨论如何提高LED 道路照明灯具的节能效果，提出除了满足照度亮度均匀性指标外，有必要采用利用系数CU 和照度亮度比E / L 来评价道路照明灯具配光性能好坏，并总结了道路照明配光设计中的问题。

　　2 评价道路照明配光设计性能的两个重要指标

　　在LED 照明行业内，节能是炒作的主要亮点之一，但从实际工程案例的经验来看，其节能效果却远远不如厂家宣称的那样可观，如果在不牺牲照明等级和效果的情况下，甚至不如传统高压钠灯节能。其原因很多，例如，散热技术的问题导致荧光粉在受热之后出现老化，其转换光效率降低; 电源损耗问题，许多厂家在评价LED 节能效果时，不考虑电源损耗造成的系统光效下降; 二次配光问题，不少灯具的配光不合理，导致很多的光飘逸出路面，一部分光照射到距道路较的区域， 不仅浪费能源，还导致光污染和光侵入等不良后果。行业内缺乏评价配光性能好坏的技术指标，而业内的光学工程师对道路照明的应用要求不甚了解，他们在做LED 灯具配光设计时，主要目标则是满足CJJ45—2006 城市道路照明设计标准中规定的均匀度和眩光等方面的技术参数，而对什么样的配光更适合道路照明了解不够。CJJ45—2006 标准主要是道路照明设计遵循的规范，对道路灯具配光设计构成的约束有限，而且该标准主要依据传统光源制定，对方兴未艾的LED 道路照明而言，其约束力很低。什么样的配光更适合道路照明? 简言之，就是用更少的光达到道路照明规范中规定的技术参数，并尽可能的提高均匀性、降低眩光值。但在配光设计时，由于缺乏技术指标来评价配光性能的好坏，导致行业内鱼龙混杂的局面。好的配光设计，首先要满足照度均匀度，这已经在业内达成共识，一般的光学软件都能实现照度均匀性模拟。由于目前尚无光学软件载入道路路面亮度系数库，光学设计者无法模拟不同材质的路面亮度均匀性，所以行业内的多数配光设计无法满足亮度纵向均匀度UL或总体均匀度UO，甚至行业内还没有对亮度均匀性有足够的认识。除了满足照度及亮度均匀度以外，还需要考虑利用系数是否高，照度与亮度的比值是否够低，是否具有节能效应。笔者在研究对比不同厂家的配光曲线后，提出采用利用系数CU 和照度亮度比E /L 来评价配光性能的好坏，足以凸显其光学性能的优劣。

　　2. 1 利用系数(Coefficient of Utilization)

　　利用系数是指道路计算面接受到的光通量占灯具输出总光通量的百分比，可由公式(1) 计算，利用系数CU 与平均照度E、功率密度LPD 的关系由公式(2) 和(3) 得出。从公式(3) 看出，功率密度LPD 与利用系数CU 成反比，即: 提高利用系数CU，可直接降低功率密度LPD 值，达到节能的效果，只有利用系数高的配光设计才能保证路面有足够的照度与亮度。在传统道路照明行业内，曾把公式(1) 中的分母部分规定为光源光通量，由于LED的光源光通量受灯具影响因素较为复杂，比传统光源的光通量难以界定，本文推荐采用灯具输出光通量来定义利用系数，以便于计算和该技术指标的推广。

　　一般来说，灯杆高度越低、马路越宽的应用场景，利用系数越高，图1 和图2 显示了利用系数CU与宽高比(W /H) 的关系。如果灯具的横向配光设计过宽( 如图1 所示) ，在应用到较窄道路( 如2 ～3 车道) 的照明场景时，出现利用系数过低而造成严重的能源浪费问题; 如果灯具的横向配光设计过窄( 如图2 所示) ， 在应用到较宽道路时， 出现均匀度降低的问题。