1、1. 引言在資源匱乏的當今時代，低碳經濟、節能減排、綠色照明等相關題材屢見不鮮，國家倡導的LED固態照明技術由此迅猛發展起來。LED芯片制造商Cree于2010年3月宣稱其芯片光效達到208lm/W（實驗室數據），而其成熟的主打產品已超過130lm/W。可以預見，LED光源很快達到并超過傳統光源的光效，其節能效益逐漸顯現。但是，在道路照明燈具研發過程中，仍然存在諸多技術難點，如電源損耗、散熱技術，二次光學設計等，使得燈具的整體光效大打折扣，燈具系統效率不足75lm/W。到目前為止，LED道路照明仍然處在政府主導的示范性推廣階段，整個LED道路照明行業缺乏實際應用經驗，燈具研發與照明應

2、用之間存在一定的差距，例如，燈具二次配光設計和應用需求的差距，使得LED道路燈具的輸出光通量投射到路面上時，存在亮度不夠或利用系數過低問題，從而導致了LED道路照明的節能效果并不理想。本文將從配光設計的角度討論如何提高LED道路照明燈具的節能效果，提出除了滿足照度亮度均勻性指標外，有必要采用利用系數CU和照度亮度比E/L來評價道路照明燈具配光性能好壞，并總結了道路照明配光設計中的問題。 2. 評價道路照明配光設計性能的兩個重要指標在LED照明行業內，節能是炒作的主要亮點之一，但從實際工程案例的經驗來看，其節能效果卻遠遠不如廠家宣稱的那樣可觀，如果在不犧牲照明等級和效果的情況

3、下，甚至不如傳統高壓鈉燈節能。其原因很多，例如，散熱技術的問題導致熒光粉在受熱之后出現老化，其轉換光效率降低；電源損耗問題，許多廠家在評價LED節能效果時，不考慮電源損耗造成的系統光效下降；二次配光問題，不少燈具的配光不合理，導致很多的光飄逸出路面，一部分光照射到距道路較遠的區域，不僅浪費能源，還導致光污染和光侵入等不良后果。行業內缺乏評價配光性能好壞的技術指標，而業內的光學工程師對道路照明的應用要求不甚了解，他們在做LED燈具配光設計時，主要目標則是滿足CJJ45-2006城市道路照明設計標準中規定的均勻度和眩光等方面的技術參數，而對什么樣的配光更適合道路照明了解不夠。CJJ45-2006標

4、準主要是道路照明設計遵循的規范，對道路燈具配光設計構成的約束有限，而且該標準主要依據傳統光源制定，對方興未艾的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？簡言之，就是用更少的光達到道路照明規范中規定的技術參數，并盡可能的提高均勻性、降低眩光值。但在配光設計時，由于缺乏技術指標來評價配光性能的好壞，導致行業內魚龍混雜的局面。好的配光設計，首先要滿足照度均勻度，這已經在業內達成共識，一般的光學軟件都能實現照度均勻性模擬。由于目前尚無光學軟件載入道路路面亮度系數庫，光學設計者無法模擬不同材質的路面亮度均勻性，所以行業內的多數配光設計無法滿足亮度縱向均勻度UL或總體均勻度UO，甚至行

5、業內還沒有對亮度均勻性有足夠的認識。除了滿足照度及亮度均勻度以外，還需要考慮利用系數是否高，照度與亮度的比值是否夠低，是否具有節能效應。筆者在研究對比不同廠家的配光曲線后，提出采用利用系數CU和照度亮度比E/L來評價配光性能的好壞，足以凸顯其光學性能的優劣。 2.1 利用系數 (Coefficient of Utilization)利用系數是指道路計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) 計算，利用系數CU與平均照度E、功率密度LPD的關系由公式 (2) 和 (3) 得出。從公式&

6、#160;(3) 看出，功率密度LPD與利用系數CU成反比，即：提高利用系數CU，可直接降低功率密度LPD值，達到節能的效果，只有利用系數高的配光設計才能保證路面有足夠的照度與亮度。在傳統道路照明行業內，曾把公式 (1) 中的分母部分規定為光源光通量，由于LED的光源光通量受燈具影響因素較為復雜，比傳統光源的光通量難以界定，本文推薦采用燈具輸出光通量來定義利用系數，以便于計算和該技術指標的推廣。CU =             

7、0;                                (1)E =                

8、0;             (2)LPD =                            (3)式中  CU 利用系數u  照射

9、到道路計算面的光通量多少，單位：流明o  道路燈具輸出的總光通量多少，單位：流明E     平均照度，單位：勒克斯MF 維護系數，燈具使用過程中，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  燈具的系統光效，成套LED燈具的輸出光通量除以耗電功率數，單位：流明/瓦LPD 功率密度，單位計算面積內的耗電功率 一般來說，燈桿高度越低、馬路越寬的應用場景，利用系數越高，圖1和圖

10、2顯示了利用系數CU與寬高比（W/H）的關系。如果燈具的橫向配光設計過寬（如圖1所示），在應用到較窄道路（如23車道）的照明場景時，出現利用系數過低而造成嚴重的能源浪費問題；如果燈具的橫向配光設計過窄（如圖2所示），在應用到較寬道路時，出現均勻度降低的問題。          圖2. 對稱型較窄配光CU曲線圖1. 非對稱型較寬配光CU曲線 2.2 照度亮度比 (E/L)照度亮度比是指道路計算面的平均照度與平均亮度的比值，可由公式 (4)

11、 計算得到：         E/L =                     (4)     式中 Eavg  道路計算面內的平均照度      

12、            Lavg  道路計算面內的平均亮度該技術指標由燈具配光的類型、路面的材質、光線照射到路面的入射角大小、觀察員的位置和視線方向等因素有關，對于道路照明而言，國際照明學會推薦的觀察員位置為距離道路計算面60米遠、高度1.5米的位置。JTJ 026.1-1999 公路隧道通風照明設計規范中推薦的瀝青路面E/L比值按照1522取值，水泥路面E/L比值按照1013取值。根據筆者經驗，經過優化設計的配光可以使該比值降低，甚至低于規范推

13、薦的范圍很多，即：使用更少的光通量可以實現更高的亮度1。如配光設計不合理，也可能造成E/L比值過大，甚至超出推薦的取值范圍，造成照度達標而亮度不夠的問題。根據CJJ45-2006的規定，亮度2cd/m2的標準對應30lx的照度，其照度亮度比E/L按照15取值，據筆者經驗，應用在該標準推薦的R3瀝青路面時，一般的道路燈具配光的照度亮度比值在1419范圍內1，即：需要2838lx的照度才能使R3瀝青路面達到2cd/m2的亮度水平。這就是說，通過降低照度亮度比，可以實現1025%的節能效果。 3 采用CU和E/L技術指標評價配光性能的實例筆者選取10款（如圖34所示）來自不同廠家

14、的配光曲線，為了便于比較分析，修正其輸出光通量，選取120W整燈功率的輸出總光通量為9000lm（按照系統光效75lm/W計算）。在計算過稱中，路面材質選取R3瀝青路面，維護系數按照0.7取值，把這10款配光曲線分別應用在不同典型照明場景中，對比各種場景的計算結果，總結各款配光性能好壞，如表14所示。表1中的應用場景為：道路寬度為7米2車道，間距30米單側布燈，燈桿高度8米（距高比為3.75）；表2中的場景為：道路寬度為10.5米3車道，間距30米單側布燈，燈桿高度8米（距高比3.75）；表3中的場景為：道路寬度為25米雙向6車道（包括1米中間隔離帶），雙側對稱間距30米布燈，燈桿高度8米（距

15、高比3.75）；表4中的場景為：道路寬度為25米雙向6車道（包括1米中間隔離帶），雙側對稱間距30米布燈，燈桿高度10米（距高比3.0）。     圖3. 對稱型配光曲線           圖4. 非對稱型配光曲線 表1. 各種配光曲線在場景1下的結果對比表IES路寬7米，桿高8米，間距30米LavgUoULTISREavgEminEavgEminEmaxCUEavgLavg計算結果評注Sym

16、1對稱配光，仰角15度，挑臂1.0m1.140.40.360.6170.4950.3220.56714.912照度均勻性好，縱向均勻度不夠Sym 2對稱配光，仰角15度，挑臂1.0m1.070.40.350.4190.4610.2980.63317.757照度均勻好，縱向均勻度不夠Sym 3對稱配光，仰角15度，挑臂1.0m1.490.30.480.2220.4470.2140.73314.765照度均勻，亮度均勻度不夠，CU高Sym 4對稱配光，仰角15度，挑臂1.0m0.750.50.8220.7100.4900.2570.33313.333配光太寬，CU很低，眩光過高Asm 1非對稱配光

17、，仰角0度，挑臂-0.5m*1.140.50.3110.5180.6530.4410.60015.789照度非常均勻，縱向均與度不夠Asm 2非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m1.020.50.7120.5140.4270.1820.46713.725均勻度達標、CU低、TI略高、E/L小Asm 3非對稱配光，仰角0度，挑臂0.5m0.860.50.680.4160.3780.1580.53318.605均勻度差，需縮小S/H，CU低，E/L過大Asm 4非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m1.110.50.6100.5170.4000.2320.56715.315照度亮度均勻度合格、CU提高更

18、佳Asm 5非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m1.190.40.6100.4200.3730.1610.66716.807CU高，照度均勻度不夠，需縮小S/HAsm 6非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m1.250.50.790.4200.4070.2130.66716.000亮度均勻，照度均勻性合格，CU高備注：A、 表中帶下劃線的數據表示未達標，或不夠理想；B、 計算過程中，在挑臂合理的情況下，適當調整仰角，使其最適合各自配光設計，達到最佳計算結果；C、 Asm1的配光設計偏離鉛垂線角度較大，燈頭的位置遠離路沿0.5米，其余的配光設計無需遠離道路，燈頭的位置伸進

19、道路0.5米或1.0米(下同)。 表2. 各種配光曲線在場景2下的結果對比表IES路寬10.5米，桿高8米，間距30米LavgUoULTISREavgEminEavgEminEmaxCUEavgLavg計算結果評注Sym 1對稱配光，仰角23度，挑臂1.0m0.870.20.390.3140.4320.2480.70016.092照度均勻，亮度均勻性差，Sym 2對稱配光，仰角23度，挑臂1.0m0.820.20.360.2150.4270.2280.75018.293照度均勻，縱向均勻度不夠，E/L比過大Sym 3對稱配光，仰角26.3度，挑臂1m0.990.20.412

20、0.1170.3820.1660.85017.172配光橫向過窄，亮度均勻性差，CU高Sym 4對稱配光，仰角23度，挑臂1.0m0.580.40.8260.68.770.4500.2060.43915.121橫向太寬，CU低，均勻性好，眩光高Asm 1非對稱配光，仰角8度，挑臂-0.5m*0.870.30.3150.3150.6540.4360.75017.241照度非常均勻，亮度均勻性差，TI略高Asm 2非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m0.790.40.6150.4120.4790.2020.60015.190照度亮度均勻度好、CU不高、TI略高Asm 3非對稱配光，仰角5度，挑臂1.

21、0m0.690.40.690.3140.4170.1540.70020.290照亮度均勻度達標，CU不高，E/L過大Asm 4非對稱配光，仰角8度，挑臂1.0m0.830.40.7120.3140.4440.2230.70016.867照度亮度均勻度合格、CU提高更佳Asm 5非對稱配光，仰角11度，挑臂1.0m0.850.40.7120.2150.3880.1580.75017.647CU高，照度均勻度不夠，適合S/H=3.5Asm 6非對稱配光，仰角9度，挑臂1.0m0.920.40.7100.2160.4140.1850.80017.391亮度均勻，照度均勻性合格，CU高 表3

22、. 各種配光曲線在場景3下的結果對比表IES路寬25米，桿高8米，間距30米LavgUoULTISREavgEminEavgEminEmaxCUEavgLavg計算結果評注Sym 1對稱配光，仰角24度，挑臂1.0m0.880.30.3110.5150.4720.2710.85717.045照度均勻，亮度均勻性差，Sym 2對稱配光，仰角25度，挑臂1.0m0.790.30.370.4150.4080.2140.85718.987照度均勻，亮度均勻性差，Sym 3對稱配光，仰角28度，挑臂1.0m0.940.30.4120.4160.4080.1750.91417.021照度均勻，亮

23、度均勻性差，CU高Sym 4對稱配光，仰角25度，挑臂1.0m0.640.50.8280.89.970.6080.3030.57015.578橫向太寬，CU低，均勻性好，眩光高Asm 1非對稱配光，仰角8度，挑臂0.0m*0.90.40.3150.5150.6170.4150.85716.667照度非常均勻，亮度均勻性差，TI略高Asm 2非對稱配光，仰角5度，挑臂1.0m0.840.50.6150.6130.5400.2420.74315.476照度亮度均勻達標、CU不高、TI略高Asm 3非對稱配光，仰角8度，挑臂0.5m0.690.50.6100.5140.4790.1930.80020

24、.290照亮度均勻度達標，CU不高，E/L過大Asm 4非對稱配光，仰角10度，挑臂1.0m0.860.50.7120.6150.4670.2430.85717.442照度亮度均勻度合格、CU提高更佳Asm 5非對稱配光，仰角10度，挑臂1.0m0.880.40.7120.4160.4580.1740.91418.182照度亮度均勻度合格、E/L比降低更佳Asm 6非對稱配光，仰角8度，挑臂1.0m0.90.40.7100.4160.4530.1990.91417.778亮度均勻，照度均勻性合格，CU高 表4. 各種配光曲線在場景4下的結果對比表IES路寬25米，桿高10米

25、，間距30米LavgUoULTISREavgEminEavgEminEmaxCUEavgLavg計算結果評注Sym 1對稱配光，仰角23度，挑臂1.0m0.840.40.370.7140.6940.4710.80016.667照度均勻，亮度均勻性差Sym 2對稱配光，仰角24度，挑臂1.0m0.750.40.360.5140.6010.4360.80018.667照度均勻，亮度均勻性差Sym 3對稱配光，仰角25度，挑臂1.0m0.920.40.580.5150.5320.3140.85716.304照度均勻，亮度均勻性差Sym 4對稱配光，仰角22度，挑臂1.0m0.60.60.9210.8

26、9.280.7290.4740.53015.467橫向太寬，CU低，均勻性好，眩光高Asm 1非對稱配光，仰角3度，挑臂0.0m*0.850.50.490.7140.7500.5990.80016.471照度非常均勻，亮度均勻性差Asm 2非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m0.80.50.7100.7130.5540.2850.74316.250照度亮度均勻達標、CU不高Asm 3非對稱配光，仰角0度，挑臂1.0m0.670.50.760.6130.4960.2360.74319.403照亮度均勻度達標，CU不高，E/L過大Asm 4非對稱配光，仰角5度，挑臂1.0m0.820.50.890.

27、7140.5950.4030.80017.073照度亮度均勻度都很好Asm 5非對稱配光，仰角8度，挑臂1.0m0.840.50.880.5150.5550.3030.85717.857照度亮度均勻度都很好Asm 6非對稱配光，仰角8度，挑臂1.0m0.870.60.870.6150.580.3630.85717.241照度亮度均勻度都很好 4 從計算結果比較表中發現的問題4.1 配光設計忽視亮度均勻性從表14的所列數據看出，尤其是在距高比不超過3.5的情況下，絕大多數的配光設計能滿足照度均勻性指標，但是有將近一半的配光曲線在本文所有應用場景中無法滿足亮度均勻性指標。一般情況下，可以通過適當