王曉喜

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福建福州 350001)

引言

隨著城市道路中夜間行人流量的不斷增長，為人行道路創(chuàng)造良好的夜間照明環(huán)境成為了迫切需要。CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對人行道路的照明質(zhì)量提出了更細(xì)化的要求：人行道路除了需提供必要的地面照明之外，還需要提供合適的空間照明。因此，照明標(biāo)準(zhǔn)在原來的“路面平均照度、路面最小照度、垂直照度”基礎(chǔ)上增加了“半柱面照度”和“眩光限制”兩個指標(biāo)[1]。在實(shí)際LED道路照明工程設(shè)計(jì)時，筆者發(fā)現(xiàn)，人行道路的最小垂直照度(Evmin)、最小半柱面照度(Escmin)較難完全達(dá)到CJJ 45—2015要求，尤其是在單側(cè)照明的情況下。

當(dāng)前，市政管理部門對道路的綠化景觀提出了很高的要求，許多主干道都設(shè)置了寬闊的中央景觀綠化帶，并在其中種植大量的高大樹木，由于樹冠對路燈光線的遮擋，中央綠化帶兩側(cè)的機(jī)動車道照明只能按單側(cè)照明來考慮；主干道的人流量較大，人行道照明的問題更突出。因此本文選取主干道為研究對象，以單側(cè)照明為例，選取10款來自4個不同廠家的LED路燈分別應(yīng)用于主干道場景，對比各種情況下的計(jì)算結(jié)果(采用照度系統(tǒng)與亮度系統(tǒng)相結(jié)合的評價指標(biāo)[2])。為了便于研究，修正LED燈具的輸出光通量，均按照系統(tǒng)光效120 lm/W計(jì)算，計(jì)算時忽略人行道上新種植行道樹的影響。

1 工程案例分析

福州市站東路延伸段道路工程，為中心區(qū)城市主干道，周邊多為住宅小區(qū)，行人流量較大(參照人行道照明標(biāo)準(zhǔn)值級別2)。根據(jù)CJJ 45—2015 表5.1.3 計(jì)算燈桿高度為12 m，臂長為1.8 m；燈桿間距為35 m(距高比為2.92)，采用300 W(36 000 lm)大功率LED光源。路燈布置標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖如圖1所示，10款LED路燈的配光曲線如圖2所示。

采用DIALux軟件對以上工程案例進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如表1—表3所示。

圖1 路燈布置標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖Fig.1 Standard cross section map of street lamp arrangement

圖2 LED路燈配光曲線Fig.2 Light distribution curve of LED street lamp

LED路燈款型機(jī)動車道(3車道,11.5 m)人行道(4 m)Lav/(cd·m-2)UoUlEhav/lxUeTI/%Ehav/lxEhmin/lxEvmin/lxEscmin/lx1#2.100.570.79360.6410199.051.071.902#1.730.540.71300.6692112.001.112.423#1.860.510.81360.5462312.002.953.374#2.230.550.85360.6410195.702.172.665#2.230.490.73380.69102311.000.922.186#2.200.420.74390.582912.001.432.707#2.000.500.81360.5572212.002.723.218#2.010.370.85340.4693320.003.534.419#1.910.580.78300.6712219.601.272.1210#2.010.530.62350.578105.401.521.44

表2 點(diǎn)垂直照度計(jì)算

表3 點(diǎn)半柱面照度計(jì)算

由表1—表3中數(shù)據(jù)可看出，1#—10#路燈在機(jī)動車道照明方面均取得了較好的效果，大部分指標(biāo)均達(dá)到了CJJ 45—2015 表3.3.1的要求值。人行道的路面平均照度及路面最小照度也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但最小垂直照度計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求相去甚遠(yuǎn)，其中的1#，2#，5#，6#，9#路燈的計(jì)算結(jié)果均低于CJJ 45—2015 表3.5.1—1中的級別4的要求。人行道最小半柱面照度的情況則相對較好，僅1#，10#路燈計(jì)算值低于CJJ 45—2015 表3.5.1—1中的級別2的要求?？傮w來看，4#，5#，6#路燈的機(jī)動車道照明效果最好，但人行道指標(biāo)不理想；8#路燈的人行道效果較好，但機(jī)動車道亮度均勻度未達(dá)標(biāo)。

2 人行道路照明質(zhì)量若干問題的探討

1)標(biāo)準(zhǔn)對人行道路照明質(zhì)量的要求。國際照明委員會(CIE)發(fā)布的技術(shù)報(bào)告(No.115—1995、No.136—2000)中對人行道路的照明的重要性作出了詳細(xì)分析，在人行道路照明質(zhì)量評價指標(biāo)上認(rèn)為在水平面和垂直面上的照明以及眩光控制是重要的[3]。特別是CIE補(bǔ)充文件No.136—2000中對人行道路的半柱面照度做了詳細(xì)分析并給出了具體算法[4]。CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》重點(diǎn)參考了CIE、IESNA等標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)文件對人行道路的照明標(biāo)準(zhǔn)做出了更細(xì)化的要求，根據(jù)行人流量的大小逐級給出了標(biāo)準(zhǔn)，指標(biāo)上包括路面平均照度、路面最小照度、最小垂直照度、最小半柱面照度以及眩光限制。為人行道路提供充分的垂直照度、半柱面照度有利于提升行人對環(huán)境的觀察以及對面部的識別，這對于保障行人的安全十分重要。因此，研究垂直照度、半柱面照度指標(biāo)是提高人行道路照明質(zhì)量的重點(diǎn)。

2)半柱面照度及垂直照度的定義。半柱面照度是指光源在給定的空間一點(diǎn)上一個假想的很小的半個圓柱體的曲面上產(chǎn)生的照度[5]。垂直照度是指光源在給定的空間一點(diǎn)上在與光線垂直面的一個很小的平面上產(chǎn)生的照度的垂直分量[6]。

單個點(diǎn)光源情況下,某點(diǎn)半柱面照度公式如下[4，7]:

(1)

單個點(diǎn)光源情況下,某點(diǎn)垂直照度公式如下[6]:

(2)

式中I(c,r)為路燈燈具對人行道中心線上方1.5米處某一點(diǎn)照射方向的光強(qiáng)；c為方位角；r為高度角；α為光強(qiáng)矢量所在的垂直面和與半圓柱體的表面垂直的平面之間的夾角或投影在水平面上光的入射方向與觀察方向之間的夾角；ε為入射光線與通過計(jì)算點(diǎn)的水平面法線間的角度或光的入射方向與光源垂直向下方向之間的夾角；H為燈具安裝高度；d為燈具光源中心與計(jì)算點(diǎn)位的直線距離；Φ為LED路燈燈具總光通量(klm)；FM為維護(hù)系數(shù)。

計(jì)算半柱面照度、垂直照度所用的角度如圖3、圖4所示。

圖3 計(jì)算半柱面照度時所用的角[4，7]Fig.3 The angle used to calculate the illuminance of half cylinder[4，7]

圖4 計(jì)算垂直照度時所用的角[6]Fig.4 The angle used to calculate the vertical illumination[6]

3)單側(cè)照明時半柱面照度及垂直照度最不利點(diǎn)位置。人行道中心線上半柱面照度、垂直照度計(jì)算點(diǎn)分布如圖1、圖5所示。

與路燈1、路燈2相鄰的路燈光線到達(dá)點(diǎn)12的r角均超過80°，光強(qiáng)值很低，忽略不計(jì)。由點(diǎn)1—點(diǎn)12變化過程中，r不斷增大(大于最大光強(qiáng)所對應(yīng)的角度)，從配光曲線看，I(c,r) 急劇縮?。籨增至最大；α減至最小,cosα增至最大；而僅有角ε有小幅度的增加；綜上，點(diǎn)1—點(diǎn)12變化過程中Esc是逐步減小的趨勢。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[7，8]可知，路燈2也提供了點(diǎn)1—點(diǎn)12的很小一部分的半柱面照度，且由點(diǎn)12至點(diǎn)1逐步減小，但由于西向半圓柱面背離路燈2，路燈2到達(dá)半圓柱面的光線極小，且隨著半圓柱體體積的無限縮小而縮小，基于以上推論，半柱面照度的最不利點(diǎn)或?yàn)閳D5中的點(diǎn)10—點(diǎn)12。同理,點(diǎn)1—點(diǎn)12變化過程中Ev逐步減小，由于路燈2不能提供點(diǎn)1—點(diǎn)12的西向垂直照度，由此推斷計(jì)算點(diǎn)12為西向垂直照度的最不利點(diǎn)。

圖5 點(diǎn)照度計(jì)算分布平面Fig.5 Point illuminance calculation distribution plane

表2、表3的計(jì)算結(jié)果表明單側(cè)照明情況下計(jì)算點(diǎn)12為垂直點(diǎn)照度的最不利點(diǎn)；計(jì)算點(diǎn)11為半柱面點(diǎn)照度的最不利點(diǎn)；該結(jié)果與以上的推論符合。

4)燈桿間距的影響以及如何取值。CJJ 45—2015 表5.1.3給出了單側(cè)照明的情況下燈桿安裝間距與安裝高度的推薦關(guān)系, 即距高比L/h≤3(截光型)，L/h≤3.5(半截光型)。在給定燈桿高度的情況下，適當(dāng)縮小燈桿間距(即適當(dāng)減低距高比)，但保持機(jī)動車道的照明功率密度LPD不變，即采用更小的路燈功率如250 W(30 000 lm)LED路燈，燈1到達(dá)計(jì)算點(diǎn)的光線的高度角將降低，即光線更接近最大光強(qiáng)的方向，這時到達(dá)點(diǎn)12的光強(qiáng)將增大，顯然將有助于提高最不利點(diǎn)的垂直照度和半柱面照度。縮小燈桿間距后的模擬計(jì)算結(jié)果如表4所示，由計(jì)算結(jié)果可明顯看出，隨著距高比的縮小,Evmin、Escmin明顯增大。

什么樣的燈桿間距是合適的呢？燈桿間距過小顯然是不合理的，將影響道路整體的景觀效果且造成浪費(fèi)。筆者認(rèn)為，為獲得較高的Evmin、Escmin，在選定的燈桿高度情況下，適當(dāng)縮小燈桿間距時應(yīng)盡量使光源中心射向最不利點(diǎn)的光線獲得足夠的光強(qiáng)，高度角盡可能接近配光曲線中該方位角最大光強(qiáng)方向的高度角，這與所選用的燈具的配光曲線密切相關(guān)。

選取2016年11月～2017年11月在我院治療的急性喉炎患兒40例作為研究對象。所有患兒家屬均自愿加入本次研究，經(jīng)過我院倫理委員會同意，并簽定知情同意書。將其按照隨機(jī)排列表法分為觀察組與對照組，各20例，其中，觀察組男11例，女9例，年齡2～4歲，平均年齡（3.3±0.25）歲，輕度癥狀6例，中度癥狀7例，重度癥狀7例；對照組男10例，女10例，年齡3～5歲，平均年齡（3.5±0.26）歲，輕度癥狀7例，中度癥狀7例，重度癥狀6例。排除合并其它嚴(yán)重疾病患兒，排除先天性呼吸功能障礙患兒。兩組患兒年齡、性別、病情等一般資料對比，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表4 照度、亮度計(jì)算(30 m間距)

如前所述,為獲得較好的人行道Evmin、Escmin指標(biāo)，應(yīng)盡量使光源中心射向最不利點(diǎn)的光線獲得足夠的光強(qiáng)，這屬于燈具橫向配光設(shè)計(jì)的問題，不是工程設(shè)計(jì)單位研究的范疇。因此，筆者僅對如何平衡燈桿間距取值及燈具配光曲線選擇方面做些探討。以本案為例，由表1可知人行道Evmin較難達(dá)標(biāo),計(jì)算點(diǎn)12為最不利點(diǎn),根據(jù)圖1、圖5所列的數(shù)據(jù)計(jì)算出路燈1射向計(jì)算點(diǎn)12的光線的方位角c及高度角r分別為354°、72.7°。分別考察表1中人行道指標(biāo)最好的8#路燈與人行道指標(biāo)最差的5#路燈,根據(jù)光強(qiáng)數(shù)據(jù)表,繪制c=354°的配光曲線如圖6所示。r=72.7°時8#、5#路燈光強(qiáng)分別為91 cd、27 cd(klm),8#路燈最大光強(qiáng)的r角約為50°,5#路燈最大光強(qiáng)的r角約為35°,顯然8#路燈計(jì)算點(diǎn)12的高度角r=72.7°更接近最大光強(qiáng)對應(yīng)的r角，由此印證了前文所述的觀點(diǎn)。

圖6 路燈配光曲線圖(c=354°)Fig.6 Light distribution curve diagram of street lamp(c=354°)

5)增設(shè)后臂矮燈是否可行。人行道指標(biāo)不滿足要求，通過增加后臂矮燈補(bǔ)充人行道照明看似理所當(dāng)然，筆者認(rèn)為存在一些問題：

(a)由表1數(shù)據(jù)容易看出，對于人行道的路面平均照度及路面最小照度已經(jīng)取得了較好的結(jié)果，大部分燈具的計(jì)算結(jié)果已完全超過了CJJ 45—2015的要求。為了提高人行道的Evmin、Escmin而增加的后臂燈顯然將增大人行道路面的平均照度及最小照度，其結(jié)果將大大超過標(biāo)準(zhǔn)的要求，造成人行道過度照明，不利于節(jié)能。

圖7 路燈的配光類型Fig.7 Type of light distribution of street lamps

(b)受人行道寬度的限制，后臂燈的安裝高度一般低于主車道側(cè)路燈，因?yàn)檠b高后光源的光線將大部分落于路外，可能對道路周邊的建筑物產(chǎn)生光污染影響。本案中4 m寬的人行道一般后臂燈裝高約6 m，后臂燈光源中心射向Evmin最不利點(diǎn)的光線的高度角將達(dá)到83°?？疾?#—10#燈具c為0°—180°配光曲線，高度角大于80°時的光強(qiáng)很小，由此足見，采用增設(shè)后臂燈的辦法對于改善Evmin并無太大作用。

(c)通過旋轉(zhuǎn)后臂矮燈橫向角度可以降低最遠(yuǎn)點(diǎn)的高度角,但這時后臂燈的光線將對機(jī)動車道的眩光指標(biāo)TI產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此不可行。

綜上，通過增加后臂矮燈來提高人行道Evmin、Escmin作用有限。

北美照明工程學(xué)會(IESNA)根據(jù)沿道路縱向(即與道路中心線垂直方向)、沿道路橫向(即平行中心線方向)及最大光強(qiáng)上方的光控制等方面分別定義了道路燈具的光發(fā)布類型，沿道路縱向分為極短、短、中、遠(yuǎn)三類，沿道路橫向分為TypeI、TypeII、TypeIII、TypeIV、TypeV五類[10](如圖7所示)。

從配光類型分類來看，在單側(cè)照明的情況下，顯然長配光TypeI類型(8#路燈類似配光)的配光對于人行道的照明最有利，因?yàn)樵诘缆返目v向上看有更多的光線到達(dá)人行道，且長投射的配光可以提高燈具射向垂直照度最不利點(diǎn)的光線的光強(qiáng)，但TypeI型的配光顯然不適用于機(jī)動車道的照明，因?yàn)闄C(jī)動車道的亮度隨著垂直角度方向上(沿道路縱向)的流明輸出增加而升高并變得均勻[10]，TypeI型的配光顯然沿道路縱向的流明輸出很小，將使機(jī)動車道亮度均勻度受到影響。對于本案來說，TypeII型(1#路燈類似配光)的配光對于機(jī)動車道的照明時合適的。燈桿的高度與路寬的比值基本在TypeII型主要的范圍內(nèi)。

目前越來越多的LED路燈采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，即一個完整的LED路燈燈具由若干個具有相同配光曲線、功率的LED模組有序安裝在同一燈具外殼中組裝而成，燈具的配光類型與模組一致，模組的功率30—60 W不等。由前文的計(jì)算結(jié)果明顯看出，8#路燈的配光有利于人行道的照明，而1#路燈則注重偏向了機(jī)動車道側(cè)的照明。筆者設(shè)想，在采用模塊化路燈的情況下，在同一燈具中同時安裝以上兩種不同類型的配光能否在機(jī)動車道照明與人行道照明之間尋得一個平衡點(diǎn)？以下仍以圖1的案例作為研究對象，300 W LED采用10個模組的組合方式，每個模組約30 W，燈具中靠近人行道側(cè)的8個模組采用8#路燈的配光，靠近車行道側(cè)的2個模組采用1#路燈的配光，通過模擬計(jì)算，結(jié)果如表5所示。

表5 照度、亮度計(jì)算(混合配光)

結(jié)果表明，采用混合配光的LED燈具為實(shí)現(xiàn)機(jī)動車道照明與人行道照明之間的平衡提供了一種可能。同時，以上方案也為LED產(chǎn)品研發(fā)中的光學(xué)設(shè)計(jì)提供了參考，希望不久的將來會有更先進(jìn)的LED路燈配光的問世。

7)對最小垂直照度取值標(biāo)準(zhǔn)的困惑。表1、表4中的計(jì)算結(jié)果均顯示，在單側(cè)照明的情況下,Evmin均普遍低于Escmin，而CJJ 45—2015 表3.5.1—1中規(guī)定的Evmin卻遠(yuǎn)高于Escmin。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中也遇到了該類問題,單側(cè)照明時Evmin較難達(dá)標(biāo),尤其難以滿足CJJ 45—2015 表3.5.1—1中級別1和2的要求。事實(shí)上,在滿足行人面部識別要求及保障行人的人身安全方面,半柱面照度是更適合的評價指標(biāo),該觀點(diǎn)已得到行業(yè)界的一致認(rèn)可，國內(nèi)的專家學(xué)者還做過專門的模擬實(shí)驗(yàn)來論證該觀點(diǎn)[8]。

國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)對最小半柱面照度做出了要求，為何對最小垂直照度提出了更高的要求？而實(shí)際工程中又難以達(dá)標(biāo)？CJJ 45—2006的3.5.1條中也僅對行人與非機(jī)動車道混合使用的商業(yè)區(qū)、居住區(qū)人行道路提出了最小垂直照度的要求，而且取值低于CJJ 45—2015的要求。CJJ 45—2015的3.5.1條文說明對于垂直照度的解釋是：“考慮到垂直照度涉及行人的人身安全和環(huán)境觀察的需要,我們國家的城市道路行人流量比較大,交通構(gòu)成又比較復(fù)雜”[5]。從近年來的新建道路工程設(shè)計(jì)來看，市政道路設(shè)計(jì)更加人性化，人行道、非機(jī)動車道、車行道基本上都是分設(shè)，新建市政道路已經(jīng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)人車分流，對于新建的城市道路，交通構(gòu)成應(yīng)該較為清晰。因此，筆者建議對于人行道最小垂直照度的要求宜綜合考慮城市道路的交通復(fù)雜程度、人流量、所處地理位置等因素，采用更細(xì)分的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

如何在滿足機(jī)動車道照明需求的情況下為人行道路營造良好的照明環(huán)境成為了城市道路照明工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的新課題。筆者結(jié)合典型工程案例，分析探討了關(guān)于人行道路照明質(zhì)量的若干問題，提出了改善照明質(zhì)量的新思路，希望能對今后市政道路照明的設(shè)計(jì)提供參考。