◎ 山東高速青島公路有限公司 張國慶

山東高速公路股份有限公司信息管理中心 張 偉

【關(guān)鍵字】海灣大橋 LED 低空照明 分析

一、青島海灣大橋項目簡介

青島海灣大橋是國家高速公路網(wǎng)青島至蘭州高速公路的起點段，是山東省“五縱四橫一環(huán)”公路網(wǎng)主框架的重要組成部分，也是青島市規(guī)劃的膠州灣東西岸跨海通道“一路、一橋、一隧”中的“一橋”。青島海灣大橋一期工程東起青島側(cè)環(huán)灣大道李村河大橋北200米處，終于黃島側(cè)膠州灣高速公路東1公里處，順接濟(jì)青南線設(shè)計起點，中間設(shè)立紅島互通立交與紅島連接線相接。主線全長28.047公里，其中跨海大橋25.171公里，青島側(cè)接線749米，黃島側(cè)接線1.3公里。主線橋?qū)?5米，雙向六車道，設(shè)計行車速度為80公里/小時。

青島海灣大橋建成后，必將成為島城的標(biāo)志性建筑和重要的景點之一。為保證夜間行車安全，并展現(xiàn)海灣大橋在夜間的獨特魅力，需要針對橋梁進(jìn)行符合美學(xué)規(guī)律的照明設(shè)計。為此，不僅需要關(guān)心橋梁交通安全的需要，也需要關(guān)心橋梁與周圍環(huán)境的相互影響，關(guān)心橋梁的標(biāo)志性意義。海灣大橋的夜景照明應(yīng)是功能性和景觀性并重，將兩者結(jié)合起來以達(dá)到舒適、安全的照明效果，實現(xiàn)橋梁交通功能與景觀功能的有機統(tǒng)一。

二、燈光照明設(shè)計要求

青島海灣大橋地處海灣，自然環(huán)境條件復(fù)雜、氣候惡劣多變，它的燈光照明方案必須基于對當(dāng)?shù)氐乩砗蜌夂颦h(huán)境的充分熟悉和認(rèn)識，按高速公路路橋技術(shù)規(guī)范結(jié)合大橋運營功能需求、自然條件而設(shè)計。除需要以節(jié)能、環(huán)保和智能化為設(shè)計理念之外，還需要對景觀效果做充分的考慮。其設(shè)計要求如下：

表一 青島海灣大橋技術(shù)指標(biāo)

1、符合照明功能要求

橋梁的照明直接影響到車輛的行駛安全，在照明設(shè)計時，必須保證一定的亮度和均勻度，要讓駕駛者能清楚地分辨路面交通情況和交通標(biāo)志，且不感到眼部疲勞，同時對眩光的控制尤為重要，以確保交通安全。由于海面上往往濕度較大，霧天較多，能見度較低，因此還必須考慮光源的透霧性及誘導(dǎo)性。同時，亮度的選擇要符合夜景照明的有關(guān)規(guī)定，抑制光污染。

2、高可靠性

青島海灣大橋距離長，其所處環(huán)境具有高鹽霧、多雷雨、臺風(fēng)等天氣的特點。因此，在燈具的選擇和安裝方面要充分考慮到抗震、抗風(fēng)、抗腐蝕、易于維護(hù)等因素。系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)具有多重防護(hù)，可抵御感應(yīng)雷擊和電網(wǎng)浪涌，防水氣侵入和鹽霧腐蝕；在個別設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行，不影響或者少影響照明系統(tǒng)的按時開啟和關(guān)閉。單燈可自穩(wěn)壓，能克服電網(wǎng)、長距離供電電壓波動對道路照明及設(shè)施的影響，延長光源壽命。

3、環(huán)保節(jié)電

為達(dá)到照明要求需安裝較多數(shù)量的燈具，這帶來了巨大的電力消耗。為此，應(yīng)在滿足照明功能要求的情況下，盡量選擇節(jié)能燈具。采用路燈控制系統(tǒng)，根據(jù)交通量及環(huán)境情況控制路燈的開關(guān)狀態(tài)及照度控制，以減少照明系統(tǒng)用電負(fù)荷。

4、增強橋梁美觀度

整體照明效果要塑造建筑物良好的夜間形象，同時其燈位布置又不能破壞建筑物的日間形象。作為景觀的一部分，橋梁照明需具備觀賞性和裝飾性。照明設(shè)計應(yīng)把握建筑師的設(shè)計風(fēng)格和意圖，在不改變橋梁原有風(fēng)格、結(jié)構(gòu)、布局的同時，使之在夜間煥發(fā)出不同于白天的風(fēng)彩，并將建筑物重點部位的結(jié)構(gòu)和裝飾細(xì)節(jié)展示的更加鮮明、恢宏。

三、大橋照明技術(shù)參數(shù)

青島海灣大橋是連接青島、紅島、黃島的重要交通干道，車速快，流量大，整個大橋?qū)φ彰饕蠓浅Ｖ?，由于目前國家對LED低空照明沒有具體實施標(biāo)準(zhǔn)，故參照國際照明委員會CIE提供的大橋照明質(zhì)量七項技術(shù)參數(shù)指標(biāo)為：橋面平均照度、橋面均勻度、眩光閾值增量、燈具溫升、燈具壽命、IP等級、LED粒子光效。

四、LED和HID鈉燈實際比較

1、LED低空照明和高壓鈉燈高桿照明比較優(yōu)劣勢：

目前大橋采用的主要是高桿鈉燈光源，具體見以下圖片：

杭州灣大橋燈光照明效果夜視圖

東海大橋燈光照明效果圖

青島大橋燈光照明效果圖

中國目前已建成的海灣大橋如杭州灣大橋和東海大橋均采用燈桿和高壓鈉燈光源作為主照明，青島海灣大橋?qū)⒉捎肔ED低空照明作為照明，兩者優(yōu)缺點見以下分析：

● 高壓鈉燈發(fā)光顏色為黃色，色溫及顯像指數(shù)都比較低，顯像指數(shù)僅為25左右（黃光）。

LED光源的色溫可以在4000～7000K之間靈活選擇，顯像指數(shù)可達(dá)80以上，視覺效果更接近于自然光。

● 鈉燈的燈泡結(jié)構(gòu)決定了燈具的光源利用率較低，僅有70%左右。燈管的發(fā)光角度為360°，大部分必須通過反射器反射后才能照射到指定區(qū)域。

LED燈具光源利用率高，約為90%，LED二極管發(fā)光角度同燈具的發(fā)光角度可保持一致，方向性強，因此燈具大部分的光是直接照射到指定區(qū)域，光源利用率高。

● 高壓鈉燈燈泡啟動時間長，啟動時造成電壓波動，對電網(wǎng)有污染，再次啟動時需要有一定的時間間隔。高壓鈉燈在通電5～10分鐘左右的時間，才能達(dá)到正常的亮度，再次啟動的時間間隔一般要大于5分鐘。

LED燈不存在啟動延時問題，直流驅(qū)動，對電網(wǎng)沒有污染?？伤矔r接通，隨時工作，能夠非常方便地實現(xiàn)智能化節(jié)能控制。

● 鈉燈由于燈亮?xí)r與燈滅時的溫度差異很大，若燈體不帶呼吸系統(tǒng)時，反射器容易被有害氣體腐蝕而產(chǎn)生較大光損。

LED燈具不需要加裝呼吸系統(tǒng)，利用設(shè)計可很好地解決散熱問題，此大橋上采用的一般功率為4W到10W的燈具，燈具散熱效果好，亮燈時燈具表面上溫度約為30℃左右。

表二 低桿鈉燈和低空LED燈照明性能比較

● 從眩光閾值上看，高桿路燈的眩光閾值一般都在9～15之間，而采用低空LED照明的眩光閾值可控制在1～5之間，對駕乘人員影響低。

● 鈉燈壽命一般在2萬小時左右（GE NG400T/E40 標(biāo)稱壽命為2.4萬小時），和鎮(zhèn)流器、觸發(fā)器、電容配套使用，將會低于2萬小時（實際應(yīng)用中，很少達(dá)到2萬小時的壽命）。

LED光源的壽命可達(dá)到3萬至5萬小時（CREE R2芯片標(biāo)稱壽命5萬小時），驅(qū)動壽命一般在3萬到5萬小時，配套使用燈具散熱非常好的情況下（大橋低空照明燈具功率都在4W到10W之間），壽命將達(dá)到3萬小時以上。

綜上可知，在能達(dá)到相同照明要求的情況下，LED燈具比鈉燈在功耗上有很大的優(yōu)勢，更加符合目前國家所倡導(dǎo)的低碳、節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)的大方針,缺點是由于低空LED燈具目前還處于研發(fā)及起步階段，造價成本相對較高，目前在特大型橋梁工程上面的功能性照明還沒有具體實際案例，具有一定的風(fēng)險性。

五、Led護(hù)欄燈低空照明實踐

雖然低空LED護(hù)欄燈還沒有大規(guī)模的應(yīng)用，但是根據(jù)資料顯

表三 鈉燈和LED燈具在安裝和維護(hù)性能比較

表四 低桿鈉燈和低空LED燈能耗對比

說明：

◇為了比較方便，以上數(shù)據(jù)是模擬青島海灣大橋28千米長，且使用兩種燈具的具體數(shù)據(jù)

◇低桿鈉燈燈具計算方法為:大橋間隔33M布燈

◇低空LED燈具計算方法為:大橋間隔2M布燈

◇電費采用30天，每天10小時，單價1元/千瓦時示，LED的低空護(hù)欄照明目前在全國很多地方立交橋在應(yīng)用，以下是實例：

遠(yuǎn)處是高壓鈉燈，顯色指數(shù)明顯比LED差。護(hù)欄管LED燈光照明效果實圖。

從以下照片實景圖可以看出，LED低空照明完全能滿足實際照度需求，而且照度均勻性較好，顯色性也明顯好于高壓鈉燈。

武廣高鐵株洲站

廈門立交橋（近景圖、俯瞰圖）

六、LED低空照明在青島大橋上的設(shè)計要點

根據(jù)表一可知，燈具的主要設(shè)計點為以下幾點：

平均照度：根據(jù)表一可知，CIE規(guī)定室外交通區(qū)域的照度范圍是20～30lx，照度均勻度一般控制在0.3～0.4之內(nèi)就能滿足車輛行駛的要求，而參與青島海灣大橋LED護(hù)欄燈試驗段的部分燈具均勻度能達(dá)到0.6甚至更高，這可以基本滿足電視轉(zhuǎn)播的需要。

眩光限制：由觀察者視野內(nèi)出現(xiàn)的高亮度發(fā)光體而引起的眩光為直接眩光。在觀察者眼睛來看，直接眩光一般來自于于視軸成0°～45°角的范圍內(nèi)，尤其以0°～20°最為嚴(yán)重（如下圖1所示）。

圖1

圖2

說明：

1.燈具安裝在護(hù)欄上，高度為1.2m

2.護(hù)欄總高1.4m

3.圖中的矩形線為汽車，車內(nèi)人高為1.3m左右

4.如圖所示，車內(nèi)的人眼的距離燈具的安裝高度相差10cm以上，也就是說燈具的出光口在人眼正視范圍以下(﹣5°角)，沒有燈具的直射光射入人眼，這就非常好的解決了燈具的眩光問題

5.這個方案對燈具的配光有著非常的要求，燈具的出光口必須位于紅線之間

6.目前參與試驗段的廠家有幾家采用此方式來解決眩光問題，實際效果良好。

以護(hù)欄燈具為例，在圖1所示中，由于不采用燈桿，人眼無法在45°以上看見燈具，故燈具設(shè)計時如果將眩光限制在0°以下的負(fù)角，那將是非常完美的解決眩光問題，以下是部分廠家實際采用的解決方式：

眩光閾值：

閾值增量TI是用來度量失能眩光的。失能眩光會造成可見度的下降。這是因為來自眩光源的光在視網(wǎng)膜方向上散射，形成一個明亮的光幕，疊加在原本清晰的景象上，從而增加了背景亮度，使對比度降低。這個光幕可用一個等效光幕亮度Lv來度量。閾值增量的大小除了取決于光幕亮度外，也和眼睛的適應(yīng)亮度Lav有關(guān)。其計算公式為：

式中：K—年齡系數(shù)，一般取10，適合23歲的觀察者

Lav—路面平均亮度(cd/m2)

Eeyei—由第i個光源在垂直視線方向上的人眼視網(wǎng)膜的照度（lx）

θ—視線方向和第i個眩光源入射觀察者眼睛光線方向的夾角(°)

n—眩光源總數(shù)

由式中可以看出，此眩光閾值增量主要針對路燈而言，因為它有光源在垂直視線方向上的照度，而低空照明的燈具安裝在人眼以下（如圖2所示）,故眩光閾值增量在這里就不再適用。也就是說，采用低空照明，眩光閾值基本為零，對駕駛員視線幾乎沒有影響。

燈具溫升：

由于此次燈具均采用低功率照明，最大不過10瓦，燈具設(shè)計散熱合理，燈具溫升在30℃，基本沒有影響。

燈具壽命：

采用CREE芯片，選用高可靠性配套電源，燈具整體適用壽命預(yù)計在3萬小時以上。

燈具的光效：

由于指定采用光效在110Lm以上的芯片，燈具基本上采用凸鏡的反射方式，損失率相對HID光源來說，燈具效率一般在80%以上,有效光效在90Lm以上。

七、LED低空照明問題及展望

LED是以半導(dǎo)體為原材料，加以高科技電腦芯片而產(chǎn)生的發(fā)光二級管照明產(chǎn)品，它以無燈絲、無汞、無電子熒光粉、純凈照明的綠色光源走進(jìn)人類生活，它與一般的照明燈具相比具有綠色、無污染、壽命長、冷光源等特點，光源壽命在3萬小時以上，色溫5000K左右，接近于日光，同等照度可比傳統(tǒng)光源節(jié)能50%～70%，無重金屬排放，無紫外線及紅外線放射，完全符合國際和國內(nèi)的照明行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

雖然目前LED燈具還不太成熟，總是存在這樣或那樣的缺陷，較為昂貴，同時目前還是以國家道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，在實際上有一些具體標(biāo)準(zhǔn)不符合LED特別是低空照明的需要。

2009年初，為了擴(kuò)大內(nèi)需，推動我國LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，降低能源消耗，科技部推出“十城萬盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范城市方案，計劃涵蓋北京、上海、深圳、武漢等21個城市。青島海灣大橋也是積極響應(yīng)國家的提倡，首次在如此長的大橋上采用LED低空照明，雖然也存在著未知風(fēng)險，但是在前期的準(zhǔn)備工作和試驗段燈具的使用情況下，讓我們對LED低空照明有著比較深的認(rèn)識和信心，相信青島海灣大橋一定會是第一個吃“螃蟹”的LED低空照明的大工程。在相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專家及廠家的共同努力下，LED低空照明將在青島海灣大橋得以應(yīng)用，同時LED光源必將成為21世紀(jì)的主導(dǎo)光源。LED低空照明在青島海灣大橋的應(yīng)用與實踐，也將為國內(nèi)、外其它大型橋梁及城市立交照明工程實施提供一個新的思路與借鑒。