住宅小區(qū)道路LED照明優(yōu)化設(shè)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(shè)計指導和實踐經(jīng)驗，常出現(xiàn)過度設(shè)計或設(shè)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(shè)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(shè)計研究，并對高壓鈉燈和led光源提出不同車速下的設(shè)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(shè)方案。此研究可以為住宅小區(qū)道路LED照明設(shè)計提供參考。
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，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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計以經(jīng)驗為主，或參考城市道路中支路的設(shè)計標準進行。一般行車道設(shè)計照度約為3～6lx，人行道設(shè)計照度約為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，以集中手動為主，照明設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計。
2.2測試試驗
照明是為安全行車服務(wù)的，評價行車安全的關(guān)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(shè)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(shè)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(guān)系。2.3設(shè)計標準的確定根據(jù)JTGD20—2017《公路路線設(shè)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(guān)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(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為停車視距，m。而CJJ37—2012《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》[8]中規(guī)定了不同設(shè)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(shè)計標準》中要求。因此，本文提出住宅小區(qū)照明設(shè)計評價指標最低限值要求，如表2所示。可見相同車速條件下LED光源和高壓鈉燈光源的設(shè)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(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(shè)下有相似的照度結(jié)果。分析不同布設(shè)方式對光效的影響如圖2所示?？梢钥闯?，三種方案均能滿足照度要求，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)時照明功效適度，而燈具數(shù)量相對較少；雙側(cè)布設(shè)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(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(guān)，照度均勻度與安裝高度正相關(guān)。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(shè)高度為4m。考慮到燈具市場和小區(qū)設(shè)計施工現(xiàn)狀，設(shè)雙側(cè)人行道的小區(qū)道路照明設(shè)計按照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，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(shè)計車速下，傳統(tǒng)高壓鈉燈照明方案和LED照明方案的設(shè)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(shè)方面，設(shè)雙側(cè)人行道的小區(qū)道路LED照明設(shè)計按照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:江蘇開放大學建筑工程學院