住宅小區(qū)道路LED照明優(yōu)化設計淺析
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摘要：隨著綠色建筑園區(qū)的普及，越來越多住宅小區(qū)照明采用LED光源，但由于缺乏設計指導和實踐經(jīng)驗，常出現(xiàn)過度設計或設計不足等問題。因此，基于小區(qū)內(nèi)部道路特征和照明需求分析，參考現(xiàn)行城市道路照明設計標準，選取平均照度、照度均勻度和眩光限制增量閾值增量為評價指標，開展照明優(yōu)化設計研究，并對高壓鈉燈和led光源提出不同車速下的設計指標推薦值，最后采用DIALux軟件模擬分析兩種光源的道路照明功效，提出推薦布設方案。此研究可以為住宅小區(qū)道路LED照明設計提供參考。
關鍵詞：住宅小區(qū)；道路照明；LED；照度
隨著生態(tài)文明建設的不斷推進，近年來綠色建筑取得了長足的發(fā)展，LED照明技術(shù)也在各個綠色建筑園區(qū)被普及和推廣。同時，中國已邁入高質(zhì)量發(fā)展的新時期，人民物質(zhì)生活水平不斷提高，居民夜間戶外活動范圍在擴大和時間在延長，對居住條件和出行體驗提出了新的要求[1]。然而，目前住宅小區(qū)照明設計標準仍為空白[2-3]。因此，本文對住宅小區(qū)道路開展LED照明優(yōu)化設計研究。
1道路特征與照明需求
1.1住宅小區(qū)道路特征
調(diào)研發(fā)現(xiàn)，與工業(yè)園區(qū)、綠地景區(qū)道路不同，居住區(qū)道路個性化程度普遍較低，具有以下特征：①道路功能單一。新建小區(qū)道路平面設計趨勢是人車分離，小區(qū)內(nèi)道路以人行道為主，車行道主要位于四周或入門處。老舊小區(qū)主干道為機非混行，支路以人行為主。②道路材料和結(jié)構(gòu)簡單。車行道一般為瀝青混凝土路面，為1～2車道，寬度約4～7m；內(nèi)部人行道路采用的材料種類較多，如鵝卵石、透水磚、砌塊、混凝土磚等，寬度約為1～5m。一般路寬5m左右的人行道在交叉口處設置可移動式隔離樁，以備發(fā)生火情時做消防通道使用。③交通流速慢，且具有鮮明的潮汐規(guī)律。早晚上下班時間車流較密集，其他時間段車流很少。車流速度較慢，一般設計時速為20km/h，實際行駛速度為5～20km/h，較少發(fā)生超速現(xiàn)象。
1.2照明現(xiàn)狀與需求分析
現(xiàn)階段住宅小區(qū)道路照明問題主要包括以下幾點[4-5]：①住宅小區(qū)道路照明設計以經(jīng)驗為主，或參考城市道路中支路的設計標準進行。一般行車道設計照度約為3～6lx，人行道設計照度約為0.5～3lx。燈具布設方式單一，一般采用低桿燈單側(cè)布設，間距約為10～20m。②照明控制方式落后，以集中手動為主，照明設施維護不及時。③照明能耗強度高。目前住宅小區(qū)道路照明多選用高壓鈉燈等傳統(tǒng)光源，其對新型節(jié)能光源的選用較市政道路、景觀道路等落后。
2LED照明設計優(yōu)化
2.1評價指標體系的建立
從實踐角度出發(fā)，選取目前住宅小區(qū)普遍使用的高壓鈉燈和國家大力推廣使用的LED節(jié)能光源為普通照明方案和節(jié)能照明方案的代表光源，開展照明優(yōu)化設計分析。為了充分發(fā)揮道路照明的功能，提高能源利用效率，基于視覺科學理論，在城市道路和高速公路方面各國均開展了一系列照明研究，并提出了評價指標體系和標準，如表1所示。分析發(fā)現(xiàn)，各國照明標準可以分為照度類、亮度類和可見度類。對于道路照明，行人和駕駛員感受到的視覺信息來源于路面和周邊環(huán)境的亮度，而不是光源的直接照度，所以亮度類指標更合理。但由于亮度類指標計算和檢測方法都較復雜，在工程中難以推廣，因此小體量照明工程設計一般選擇更具操作意義的照度類指標。此次研究對象是住宅小區(qū)道路，其亮度計算需考慮路面、人行道、房屋和環(huán)境等條件，更為困難。因此，本文以平均照度Eh，av為設計核心，選取平均照度Eh，av、照度均勻度UE、眩光限制閥值增量TI為指標開展住宅小區(qū)道路照明優(yōu)化設計。
2.2測試試驗
照明是為安全行車服務的，評價行車安全的關鍵指標是停車視距，取決于車輛速度和制動時間，而制動時間受車速、照度及光源顏色共同影響。為得到不同設計速度下高壓鈉燈黃光、LED白光下的照度，在南京市住宅小區(qū)開展了照度測試試驗。試驗步驟如下：道路終點處架設與成人高度寬度相似的目標物；駕駛汽車勻速行駛到起點，點擊計時器；駕駛員觀察到目標物，開始制動，點擊計時器；車輛靜止，點擊計數(shù)器；檢測現(xiàn)場照度，記錄光源類型。根據(jù)試驗方案，車速依次為5km/h、10km/h、20km/h、30km/h、40km/h，巡航駕駛，獲得不同光源條件下制動時間與車速和照度的擬合關系。2.3設計標準的確定根據(jù)JTGD20—2017《公路路線設計規(guī)范》[7]中給出的停車視距計算公式、試驗得到的制動時間與車速和照度的擬合關系，推導出兩種光源的平均照度Eh，av、行駛速度、停車視距的關系如下所示：高壓鈉燈：Eh，av=7.04+0.029v+0.0022v·S（1）LED：Eh，av=9.14+0.015v+0.0014v·S（2）式（1）（2）中：v為行駛速度，km/h；S為停車視距，m。而CJJ37—2012《城市道路工程設計規(guī)范》[8]中規(guī)定了不同設計車速的停車視距要求，將其代入后，可以得到不同車速條件下的兩種光源照度要求。照度均勻度UE指標采用國際照明委員會CIE的研究成果，眩光限制閾值增量TI指標沿用CJJ45—2015《城市道路照明設計標準》中要求。因此，本文提出住宅小區(qū)照明設計評價指標最低限值要求，如表2所示?？梢娤嗤囁贄l件下LED光源和高壓鈉燈光源的設計要求差異不大，LED燈的平均照度和照度均勻度指標限值略高于高壓鈉燈，而眩光限制閾值增量略低于高壓鈉燈。
3照明功效數(shù)值仿真
利用DIALux軟件對LED燈和高壓鈉燈兩種光源進行不同布設方式下的照明光效仿真模擬研究。建立7.5m（1.5m人行道+4.5m車行道+1.5m人行道）的住宅小區(qū)道路，路面選擇CIER3普通干燥瀝青路面，Q0為0.07，如圖1所示。仿真分析發(fā)現(xiàn)，相同功率的LED光源照明效果優(yōu)于高壓鈉燈光源。住宅小區(qū)道路照明仿真時采用56W的LED光源和83W的高壓鈉燈光源，相同布設下有相似的照度結(jié)果。分析不同布設方式對光效的影響如圖2所示。可以看出，三種方案均能滿足照度要求，單側(cè)布設的最佳間隔最短為8m，雙側(cè)布設和交叉布設的最佳間隔為14m。因此，若小區(qū)道路只設置一側(cè)人行道，單側(cè)布設成本最優(yōu)。交叉布設和雙側(cè)布設在照度均勻度上表現(xiàn)顯著，優(yōu)于單側(cè)布設。其中交叉布設時照明功效適度，而燈具數(shù)量相對較少；雙側(cè)布設時照明功效過優(yōu)，存在一定資源浪費。若采用實踐中使用較多的20m路燈間隔、交叉布設燈具，能夠得到兩種光源不同布設高度下的路段平均照度和照度均勻度變化，如圖3所示。由圖3可知，兩種光源的評價指標隨著光源高度的變化趨勢相似，其中平均照度與安裝高度負相關，照度均勻度與安裝高度正相關。高壓鈉燈和LED燈滿足20km/h時速時，平均照度和照度均勻度要求的安裝高度均在3.5～4m間，最佳布設高度為4m?？紤]到燈具市場和小區(qū)設計施工現(xiàn)狀，設雙側(cè)人行道的小區(qū)道路照明設計按照15m間隔交叉布設，設單側(cè)人行道的小區(qū)道路照明設計按照10m間隔單側(cè)布設，光源布設高度為3.5～4m。
4結(jié)論
結(jié)合住宅小區(qū)規(guī)模小特點，本文提出以平均照度為核心，包含平均照度、照度均勻度和眩光限制增量閥值增量3個指標的照明評價體系；基于試驗測試和理論推導，提出不同設計車速下，傳統(tǒng)高壓鈉燈照明方案和LED照明方案的設計指標限值；通過數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)同等照明光效下LED燈較高，壓鈉燈節(jié)能48%。燈具布設方面，設雙側(cè)人行道的小區(qū)道路LED照明設計按照15m間隔交叉布設，設單側(cè)人行道的小區(qū)道路LED照明設計按照10m間隔單側(cè)布設，光源布設高度推薦3.5～4m。
作者:景晶晶 劉鑫 劉為平 單位:江蘇開放大學建筑工程學院