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【特约】道路照明标准比较和节能分析[1]

2014-7-28  来源:《照明工程学报》  作者:史玲娜 陈伟民 刘显明 赖伟 雷小华  有10102人阅读

针对目前各种道路照明节能研究都必须满足道路照明设计标准这一现状,本文直接从道路照明设计标准本身出发研究有效的道路照明节能方式,通过对比分析 CIE 和 IESNA 两种道路照明设计标准在评价指标、定义和计算方法及规定值的不同,并以二十种不同道路为例、定量讨论了两种标准在亮度评价指标以及能耗上的差异;在此基础上,进一步探讨了标准节能与灯具节能的效果比较,并提出了根据不同交通及地域特点进行标准选择、提高节能水平的建议。

  1 前言

  随着城市经济建设和交通的快速发展,作为城市建设配套的照明规模及数量越来越大,城市照明的用电量也在迅速上升。如何在满足城市道路照明要求,实现交通安全及交通通畅的前提下,实现科学、合理地节电已成为当前的一个重要课题[1]。

  目前,国内外在道路照明节能方式的研究上主要体现在以下两方面:其一是采用优质高效的新光源代替传统光源,如 2009 年中国科技部推出的“十城万盏计划”就是充分利用 LED光源的巨大的节能潜力来逐渐代替高压钠灯等传统光源,即重点研究 LED 光源及灯具的设计[2-4];另一方面是根据不同时段道路照明的要求来实现按需照明,如早期采用的半夜以后关闭半数光源以达到节电效果[5],近期研究用智能调光技术、物联网技术来实现不同时段光源强度的自动控制以达到照明节能[6-7]。这两种方式都是从工程实施的层次即战术层次进行道路照明节能设计,其前提必须满足现有道路照明设计标准,这就意味着道路照明设计标准对照明节能水平起着至关重要的影响。如果标准要求过高影响节能水平、如果标准要求过低会影响行车安全。因此,从道路照明设计标准自身出发,研究如何在保证道路照明行车安全前提下使标准本身更利于节能,在道路照明节能的研究上具有更深层次的意义,这一研究工作的开展可以将道路照明节能的研究从战术层次上升至战略层次,从而实现更大程度的能耗节减。

  各国对本国道路照明设计标准的制定及研究一般都是在现有道路交通实际情况的基础上参考国际道路照明设计标准。目前国际上最权威的有两大标准体系,一是国际照明委员会(International Commission on Illumination,CIE)提出的《机动车和人行交通的道路照明建议》(115-1995)它为全球绝大多数国家采用;二是北美照明工程协会(Illuminating EngineeringSociety of North America,IESNA)提出的《道路照明》(RP-8-00)[8-9],它主要在美洲国家使用。这两套标准都是在道路行车安全与节能这两个因素之间进行了全面的平衡,且都在相当大的范围上获得了推广,但对于这两套标准的异同,国际上也仅仅进行了一些定性层次的比较[10~12],至于这两类标准在评价方法、照明指标、节能效果等方面的主要差异,尚缺乏定量的深入研究。因此,深入分析这两种标准在评价指标及计算方法上的定量差异及与之相关的照明效果及能耗差异,对从道路照明标准的战略高度上推动节能减排具有较大的工程指导意义和科学价值。

  2 两种道路照明设计标准的比较

  2.1 国际照明委员会(CIE)提出的道路照明推荐标准

  在 CIE115 中,机动车道路被分为 M1~M5 五类,用平均亮度Lave、亮度总均匀度Uo 、亮度纵向均匀度UL 、环境比SR 和评价眩光的阈值增量TI 来评价道路照明质量,其评价内容与指标具体如表 1 所示[8,13~15]。

  表 1 CIE 道路照明设计标准(115-1995)

  2.2 北美照明工程协会(IESNA)提出的道路照明设计标准

  在美国道路照明设计标准中,道路按道路复杂程度和车流量大小被分为六大类,对于每一类道路又分别根据路面反射材料的不同及人流量的大小设定高中低三档不同的评价指标规定值。IESNA 提出了三类道路照明评价指标,设计者可根据需要选择合适的指标进行设计。这三类指标分别是照度指标(包含平均照度和照度均匀度)、亮度指标(包含平均亮度、亮度均匀度和亮度纵向均匀度)和小目标可见度指标。其中照度指标和亮度指标中均含有评价眩光的光幕亮度比指标,具体内容与指标如表 2 所示[9]。

  2.3 道路照明设计标准比较

  2.3.1 定性比较

  根据 CIE 和 IESNA 两类道路照明设计标准的内容可以得出两类标准机动车道照明设计标准上的差异主要体现在以下三点:

  一是评价指标的选择。CIE 主要采用亮度指标来进行评价,也包括阈值增量 TI 和环境比 SR 指标;而 IESNA 则采用了三种指标即照度指标、亮度指标和小目标可见度指标 STV进行评价,其中照度指标和亮度指标中均包括光幕亮度比指标来评价眩光。

  表 2 美国城市照明设计标准(照度和亮度推荐值)

  注:美国标准引用不全,详看原标准[9]

  二是评价指标的计算方法。主要差别体现在亮度指标的计算上,CIE 规定每个车道上只有一个观测者,且固定于计算区域起始位置后方 60 米处,观测一个灯具周期内的所有矩阵点的亮度(如图 1 所示);而 IESNA 则规定计算区域的每一行矩阵点均设一个观测者,且每个观测者始终观测该矩阵行方向前方 83 米处矩阵点的亮度(如图 2 所示),意味着 IESNA标准中的观测者不仅在垂直于车道方向上做横向运动,且在平行车道方向上做纵向运动。

  图 1 CIE 道路照明计算方法图示

  图2 IESNA 道路照明计算方法图示

  三是评价指标的定义和指标规定值。对于平均亮度Lave、亮度总均匀度Uo和亮度纵向均匀度UL,CIE 和 IESNA 在其定义上正好是倒数关系,并且从数值上看,相同指标所规定的 CIE 标准明显比 IESNA 标准要高,正如表 1 和表 2 所示,从表中可见,IESNA 的平均亮度Lave是 CIE 的 60%,亮度均匀度Uo是 CIE 要求的 82%。

  2.3.2 定量比较

  为了定量分析这两类标准在亮度计算方法上的差异,选择了 PHILIPS 公司的五种典型的道路照明灯具(它们的配光分布及光学参数如图 3 所示),对不同宽度的四种车道、三种灯具安装方式的 20 种灯具和道路的组合(图 4、表 3 所示)进行计算,得到每种组合下 CIE标准方法和 IESNA 标准方法在亮度指标值上的差异(如图 5 所示)。图 5 中横坐标表示不同灯具和车道宽的 20 种组合方式,纵坐标表示分别用 CIE 和 IESNA 所定义的亮度计算方法得到的平均亮度Lave、亮度总均匀度Uo和亮度纵向均匀度UL在数值上差异的相对值。从图中可见,采用两类标准的计算方法,平均亮度Lave和亮度纵向均匀度值UL总体差异不大,其中用 IESNA 计算方法得到的亮度纵向均匀度UL大体上比用 CIE 方法得到的数值略大,而亮度总均匀度值Uo明显大于用 CIE 计算方法得到的数值。这就意味着相比 CIE 标准的方法,用 IESNA 标准的方法来设计灯具布置更容易在较低能耗的条件下达到标准要求。

  图3 五种类型的灯具

  图4 三种布灯方式

  表3:灯具与道路类型的组合方式

  

图5 两类标准下亮度指标值的差异

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