住宅小區(qū)道路LED照明優(yōu)化設(shè)計(jì)淺析
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摘要：隨著綠色建筑園區(qū)的普及，越來(lái)越多住宅小區(qū)照明采用LED光源，但由于缺乏設(shè)計(jì)指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，常出現(xiàn)過(guò)度設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)不足等問(wèn)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選取平均照度、照度均勻度和眩光限制增量閾值增量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展照明優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，并對(duì)高壓鈉燈和led光源提出不同車(chē)速下的設(shè)計(jì)指標(biāo)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(shè)方案。此研究可以為住宅小區(qū)道路LED照明設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：住宅小區(qū)；道路照明；LED；照度
隨著生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，近年來(lái)綠色建筑取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，LED照明技術(shù)也在各個(gè)綠色建筑園區(qū)被普及和推廣。同時(shí)，中國(guó)已邁入高質(zhì)量發(fā)展的新時(shí)期，人民物質(zhì)生活水平不斷提高，居民夜間戶(hù)外活動(dòng)范圍在擴(kuò)大和時(shí)間在延長(zhǎng)，對(duì)居住條件和出行體驗(yàn)提出了新的要求[1]。然而，目前住宅小區(qū)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)仍為空白[2-3]。因此，本文對(duì)住宅小區(qū)道路開(kāi)展LED照明優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)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(shè)計(jì)趨勢(shì)是人車(chē)分離，小區(qū)內(nèi)道路以人行道為主，車(chē)行道主要位于四周或入門(mén)處。老舊小區(qū)主干道為機(jī)非混行，支路以人行為主。②道路材料和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。車(chē)行道一般為瀝青混凝土路面，為1～2車(chē)道，寬度約4～7m；內(nèi)部人行道路采用的材料種類(lèi)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(shè)置可移動(dòng)式隔離樁，以備發(fā)生火情時(shí)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(shí)間車(chē)流較密集，其他時(shí)間段車(chē)流很少。車(chē)流速度較慢，一般設(shè)計(jì)時(shí)速為20km/h，實(shí)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(wèn)題主要包括以下幾點(diǎn)[4-5]：①住宅小區(qū)道路照明設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)為主，或參考城市道路中支路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。一般行車(chē)道設(shè)計(jì)照度約為3～6lx，人行道設(shè)計(jì)照度約為0.5～3lx。燈具布設(shè)方式單一，一般采用低桿燈單側(cè)布設(shè)，間距約為10～20m。②照明控制方式落后，以集中手動(dòng)為主，照明設(shè)施維護(hù)不及時(shí)。③照明能耗強(qiáng)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(duì)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(shè)計(jì)優(yōu)化
2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立
從實(shí)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(guó)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(kāi)展照明優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jué)科學(xué)理論，在城市道路和高速公路方面各國(guó)均開(kāi)展了一系列照明研究，并提出了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。分析發(fā)現(xiàn)，各國(guó)照明標(biāo)準(zhǔn)可以分為照度類(lèi)、亮度類(lèi)和可見(jiàn)度類(lèi)。對(duì)于道路照明，行人和駕駛員感受到的視覺(jué)信息來(lái)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(lèi)指標(biāo)更合理。但由于亮度類(lèi)指標(biāo)計(jì)算和檢測(cè)方法都較復(fù)雜，在工程中難以推廣，因此小體量照明工程設(shè)計(jì)一般選擇更具操作意義的照度類(lèi)指標(biāo)。此次研究對(duì)象是住宅小區(qū)道路，其亮度計(jì)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(shè)計(jì)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(biāo)開(kāi)展住宅小區(qū)道路照明優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.2測(cè)試試驗(yàn)
照明是為安全行車(chē)服務(wù)的，評(píng)價(jià)行車(chē)安全的關(guān)鍵指標(biāo)是停車(chē)視距，取決于車(chē)輛速度和制動(dòng)時(shí)間，而制動(dòng)時(shí)間受車(chē)速、照度及光源顏色共同影響。為得到不同設(shè)計(jì)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(kāi)展了照度測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：道路終點(diǎn)處架設(shè)與成人高度寬度相似的目標(biāo)物；駕駛汽車(chē)勻速行駛到起點(diǎn)，點(diǎn)擊計(jì)時(shí)器；駕駛員觀察到目標(biāo)物，開(kāi)始制動(dòng)，點(diǎn)擊計(jì)時(shí)器；車(chē)輛靜止，點(diǎn)擊計(jì)數(shù)器；檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照度，記錄光源類(lèi)型。根據(jù)試驗(yàn)方案，車(chē)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(dòng)時(shí)間與車(chē)速和照度的擬合關(guān)系。2.3設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定根據(jù)JTGD20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中給出的停車(chē)視距計(jì)算公式、試驗(yàn)得到的制動(dòng)時(shí)間與車(chē)速和照度的擬合關(guān)系，推導(dǎo)出兩種光源的平均照度Eh，av、行駛速度、停車(chē)視距的關(guān)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(chē)視距，m。而CJJ37—2012《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中規(guī)定了不同設(shè)計(jì)車(chē)速的停車(chē)視距要求，將其代入后，可以得到不同車(chē)速條件下的兩種光源照度要求。照度均勻度UE指標(biāo)采用國(guó)際照明委員會(huì)CIE的研究成果，眩光限制閾值增量TI指標(biāo)沿用CJJ45—2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中要求。因此，本文提出住宅小區(qū)照明設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)最低限值要求，如表2所示?？梢?jiàn)相同車(chē)速條件下LED光源和高壓鈉燈光源的設(shè)計(jì)要求差異不大，LED燈的平均照度和照度均勻度指標(biāo)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(duì)LED燈和高壓鈉燈兩種光源進(jìn)行不同布設(shè)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(chē)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(shí)采用56W的LED光源和83W的高壓鈉燈光源，相同布設(shè)下有相似的照度結(jié)果。分析不同布設(shè)方式對(duì)光效的影響如圖2所示。可以看出，三種方案均能滿(mǎn)足照度要求，單側(cè)布設(shè)的最佳間隔最短為8m，雙側(cè)布設(shè)和交叉布設(shè)的最佳間隔為14m。因此，若小區(qū)道路只設(shè)置一側(cè)人行道，單側(cè)布設(shè)成本最優(yōu)。交叉布設(shè)和雙側(cè)布設(shè)在照度均勻度上表現(xiàn)顯著，優(yōu)于單側(cè)布設(shè)。其中交叉布設(shè)時(shí)照明功效適度，而燈具數(shù)量相對(duì)較少；雙側(cè)布設(shè)時(shí)照明功效過(guò)優(yōu)，存在一定資源浪費(fèi)。若采用實(shí)踐中使用較多的20m路燈間隔、交叉布設(shè)燈具，能夠得到兩種光源不同布設(shè)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(píng)價(jià)指標(biāo)隨著光源高度的變化趨勢(shì)相似，其中平均照度與安裝高度負(fù)相關(guān)，照度均勻度與安裝高度正相關(guān)。高壓鈉燈和LED燈滿(mǎn)足20km/h時(shí)速時(shí)，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(shè)高度為4m?？紤]到燈具市場(chǎng)和小區(qū)設(shè)計(jì)施工現(xiàn)狀，設(shè)雙側(cè)人行道的小區(qū)道路照明設(shè)計(jì)按照15m間隔交叉布設(shè)，設(shè)單側(cè)人行道的小區(qū)道路照明設(shè)計(jì)按照10m間隔單側(cè)布設(shè)，光源布設(shè)高度為3.5～4m。
4結(jié)論
結(jié)合住宅小區(qū)規(guī)模小特點(diǎn)，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(gè)指標(biāo)的照明評(píng)價(jià)體系；基于試驗(yàn)測(cè)試和理論推導(dǎo)，提出不同設(shè)計(jì)車(chē)速下，傳統(tǒng)高壓鈉燈照明方案和LED照明方案的設(shè)計(jì)指標(biāo)限值；通過(guò)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(shè)方面，設(shè)雙側(cè)人行道的小區(qū)道路LED照明設(shè)計(jì)按照15m間隔交叉布設(shè)，設(shè)單側(cè)人行道的小區(qū)道路LED照明設(shè)計(jì)按照10m間隔單側(cè)布設(shè)，光源布設(shè)高度推薦3.5～4m。
作者:景晶晶 劉鑫 劉為平 單位:江蘇開(kāi)放大學(xué)建筑工程學(xué)院