关键词：道路照明 灯具设计 节能潜力 经济效益
当前，节能环保技术已经成为公认的世界性可持续研发技术的首选。综合我国近几年实际情况，建设部联合国家发改委、科技部等部门就我国城市照明飞速发展中面临的照明能源需求和消耗不断加大，光污染日益严重等问题提出了《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》，明确提出了“以2005年底为基数，年城市照明节电目标5%,5年（2006-2010年）累计节电25%.”的具体目标。据此，照明行业积极响应，加大了节能技术的研发力度，促使产品从设计制造、光源、灯具控制、能效等各项技术的稳健发展。
在“建设资源节约型、环境友好型社会”的宏观推动下，政府对于落后、耗能的照明工艺、技术、设备及产品严格执行点名淘汰制。同时对节能、环保的绿色照明产品给予优先政府项目采购、扶持补贴等各项积极鼓励政策。这不仅全面推动了照明行业向低能耗、环保型产品的转型，更激发了照明节能领域的拓展热情，众多照明企业纷纷抓住机遇，引进和开发出大批绿色照明的新产品、新技术：紧凑型荧光灯、无极荧光灯、LED光源、电子镇流器、变功率电感镇流器、节能控制器等，都呈现出积极、快速、稳健发展的态势。
但是，在绿色照明节能技术研发竞争日益激烈的今天，一些企业急于改变原有产品发展观念，盲目追求以新求快的企业产品更新模式，过多地关注新光源技术、控制技术的创新，却忽视照明灯具设计在节能照明中所起的作用。事实上，灯具的配光技术里暗藏着不可预测的节能潜力。
一、灯具设计中的缺失
现今，灯具厂商在追求灯具外观与式样的新颖别致方面投入了大量的精力，产品也达到了预期效果。但在与光源匹配的技术方面，投入条件相同，实际效果却并不理想，产品性能效果远远落后于产品外观的发展。因此有专家指出：“与国外相比，我国灯具的科技含量低，性能落后”.这使得一些优质节能的光源与灯具不匹配而无法充分发挥出其节能特性，相当多的低效率和配光极不合理的灯具充斥市场。即使是一些知名的灯具生产厂，也只是停留在灯具设计是否满足国家颁布的标准上，不愿在如何提升灯具光效上投入更多的精力。究其原因有：
1.光学反射技术的研发成本高，企业不肯轻易投入。
2.光学反射技术的研发过程长、难度大，企业缺乏耐心。
3.采用光学反射技术生产的灯具成本高，工艺复杂。
4.企业缺乏先进光学反射技术的专业人才与技术开发手段。
其实，灯具的配光反射技术是灯具设计的核心工艺。我国在道路照明灯具方面，因灯具光效低、配光不合理而产生上射光、眩光的光污染和因地面照度不均匀而形成的过度照明所造成的浪费现象相当普遍。这种不合理的设计表现在道路照明质量下降，灯具工作效率降低，直接引起能源的浪费。由此我们强烈地意识到：正因为我国道路照明灯具存在着这些缺失和不足，使得我们在利用提高灯具科技含量来达到回收、消除光污染成分，充分提高光效方面蕴藏着很大的开发空间。绿色照明节能在灯具技术创新方面有着巨大的潜力。
二、道路照明灯具节能的潜力
灯具配光的作用是：通过光学反射原理来充分利用光源发出的光通量，并对其进行光强分布。（图
1）把原来浪费并造成光污染的上射光、眩光和由于照度不均匀所形成部分区域过度照明的光源最大限度地充分回收利用起来加以重新合理配置（图2）通过提高光学反射率和照度的均匀配置来提高灯具效率，从而达到提高光的利用系数，以获得降低照明功率密度（LPD值）的节能之目的。
为此，凭借上海同济大学自身在几何光学技术上的产学研之优势，并通过与台湾光学技术同行的学术交流与合作，会同道路照明专业设计师一起在上海市路灯管理所市区所的指导下组成了专业的研发设计团队。依据道路照明的技术特点和要求，在进行了艰难和漫长的实验与探索后证实：经过精心利用灯具的光学反射技术设计，提升灯具的科技含量，完全可以发掘出道路照明节能的巨大潜力。
路灯照明的主要质量指标包括：路面平均亮度、路面亮度的均匀度、眩光控制水平和显色性指标。于是，我们针对路灯灯具需要的特殊光学特性，在加强灯具反射效率、提高光输出比LOR（Light Output Ratio）的同时降低上射出光输出比ULOR和下射出光输出比DLOR中的干扰光部分。并采用专利配光技术，取光分布CIE新分类的中投射角度和平均延展方式，以及对眩光严格控制的指标来提高灯具的利用系数CU （Coefficient of Utilization）。在通过对光源的优化选择后，使得180W（150W灯+30W镇流器）的电能所产生的路面平均亮度可以达到目前常用300W（即250W高压钠灯+50W镇流器）电能所产生的路面平均亮度。确切地说，通过对灯具的科技创新，我们可以达到每盏灯节省120W的电能，即节电40%.这是一个不可忽视的巨大节能空间。是目前相对于LED新光源和HID电子镇流器等节能技术方案中更安全、更直接、更可靠和低风险的道路照明节能技术方案。
三、道路照明灯具节能的方案
要实现通过道路照明灯具的技术创新来达到节能目标，除了需要提高灯具效率以外，更关键的是必须优化配光。研制道路照明灯具配光应首先考虑五个不同对待，即：1.根据光源不同的光学特性、不同功率、不同灯管式样而不同对待；2.根据道路在城市中的位置及其等级不同而不同对待；3.根据灯杆安装位置和灯臂长度产生的有效路幅不同而不同对待；4.根据灯杆安装的间隔距离而不同对待；5.根据灯具安装的高度不同而不同对待。
配光反射技术是一项十分精细缜密的光学技术，涉及因素很多。我们无法简单地做出一个所谓高效节能的反光罩来囊括应用于各种不同类型的高压气体放电灯，而是必须对于特定光源做特定的分析。这样，当我们在投入大量的技术人力和财力去研制一种反射罩时，就必须先去做一个系统的考量。包括对道路照明光源的前瞻性选择，以及贯彻《CJJ 45-2006 城市道路照明设计标准》和《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要实施细则》。所以，实现道路照明灯具节能技术是一项综合技术，这里包括了对光源的选定和反射罩技术两个方面，只有选取了光效高、色温佳的特定优质光源才能通过光学反射技术的研发使灯具发挥出更佳的节能效果。
（一）光源的选取
在光源的选择上，我们选取了多种不同的光源做了实验对比。结果表明：高压钠灯虽然光效最高、寿命长、雾天穿透力强，但因其显色性太差，不能用作商业街照明。由于城市建设飞速发展，公共道路日益繁华，以及城市道路照明对于公共安全的作用增强，即使用作一般城市道路照明，高压钠灯也日渐显得勉为其难；石英金卤灯显色性好、寿命较长、与其相配套的灯具反射效果佳，但光源自身光效不高；LED显色性好、光效高，但受其驱动电路的影响和散热光衰等因素的限制，其优点受到制约，加上与其相配套的灯具尚未找到非常合理的配光办法，虽有很大的发展前景，目前只能在非主干道上进行试用，大量地用于道路照明还不成熟，《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要实施细则》中也只将其推荐在城市景观照明中应用；陶瓷金卤灯显色性好、光效高、使用寿命长、反射效果佳、效率高。在通过反复论证和对国外道路照明光源发展趋势的考证，以及实验结果表明：选用新近崛起的陶瓷金卤灯作为城市道路照明光源是理想的选择。
目前城市照明普遍采用的主流光源是高压钠灯，高压钠灯虽然有光效高、使用寿命长、穿透性强、光线柔和、不易疲劳的优点，可是在长期使用中发现，高压钠灯含有较多的红、黄成分的长波光谱。通过光源对于视觉的生理和心理研究表明，道路照明条件下的视觉水平属于中间视觉水平，而在中间视觉水平条件下人眼的边缘视觉起了更大的作用，视觉向短波光谱方向偏移（浦耳金耶偏移）。视觉对于短波长的光比长波长的光更为敏感，所以在高压钠灯的黄色光源下，低显色性长波光谱会使视觉有效值降低，因而无法辨清人和物的特征，由此就会使人变得缺乏安全感而产生紧张情绪。因为显色性Ra低，会造成道路上物体与物体，物体与周围的对比度下降和分辨率的下降以及对明亮的感觉度的下降，其中亚洲人群的视觉生理特征对此表现得尤为明显。我们也注意到同属亚洲邻国日本在“HID路灯发展趋势”的分析中也同样积极评价和推崇陶瓷金卤灯，认为：“陶瓷金卤灯正逐渐成为主流光源”.这是因为陶瓷金卤灯有3000K暖光和4200K暖白光的两种选择，属于最理想的中性色表，不会使人产生视觉疲劳。优良的显色性，可有效地提高能见度和清晰度，给人带来舒适、明亮和安全的视觉效果。同时，它的光效与钠灯几乎相同，而光衰曲线却大大优于钠灯，因此，陶瓷金卤灯的整体评价高于钠灯。我国著名照明专家任元会先生在论述道路照明中如何正确把握和处理照明质量和能效的关系时也明确指出：“陶瓷金卤灯的Ra均大于80,光效也比卤粉荧光灯、石英金卤灯高，应推广应用。”
城市的安全要求道路照明必须保证对人面部的确认，城市安全闭路电视监控系统也需要显色性良好的光源才能清晰记录监视画面。为减少交通事故和打击犯罪活动，我们在道路照明光源选择时必须要在考虑经济效益的同时注重社会公共安全这个最大的社会效益。在经过了实验与综合了各方面的因素之后，我们认为：陶瓷金卤灯是现今道路照明中的一种理想光源。这一最终结论也正符合了《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要实施细则》第三章第十五条所推荐的新型节能光源。
2.配光设计
在精心选取了光源的基础上，利用光学特性和MR（Multi-Refiector）专业光学投射技术，按照道路照明设计的要求建立起数学模型，并开发出专用计算机模拟软件来进行精密的配光设计，再经过了实验校正等一系列方式，逐渐形成了一套有独立自主知识产权的道路照明灯具配光解决方案。其主要特点是：
选用性能稳定可靠的优质纯铝浇铸成反射罩壳体，反射面采用真空溅镀镜面镀复技术，可提高光能效益约60%,最大限度将光能反射发散出去。
把一个抛物面切割成2 0 0多个小方块反射镜。每个小反射镜都有不同的曲率与角度，能有效地控制和收聚上射光与眩光，并通过反射和调整来重新合理分布光线。
利用反射来分散减弱强光、也可以利用堆叠方式来增强光弱区域的照度，通过多重反射技术对光源进行科学合理的分布，就能在地面形成均匀理想的整体性光域，获得最佳的光分布效果。
经过反复实验和对比，以及现场实验测试，新颖高效节能灯具在采用150W陶瓷金卤灯后在完全超出国家《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要实施细则》第二十六条关于相关光强分布和眩光限制的要求和道路照明标准的灯具效率不得低于70%,泛光灯效率不得低于65%的标准，并在不降低指标的情况下达到并超过了目前常用250W高压钠灯及灯具在路面照明的各项指标。
主要指标对比：
3.“照明功率密度”（LPD）限值
目前国家依据节能方针，从宏观上做出了照明功率密度（LPD）限值的规定。以利用系数、维护系数、平均光效照明等综合指标来测算和评价照明中的节能效果。在道路照明设计中实际的LPD值应小于和等于标准规定的LPD值。如果相等，为“合格”设计。高于则“不合格”.低于标准就属于“良好”或“优秀”.新颖高效路灯经实测后照明功率密度值都小于规定值，在大于8米路宽时均达到了优秀水准。
我们用灯高10米，在有效路幅16米的道路，灯杆布置方式：双侧对称布置，间距30米上作实测，结果道路平均照度达到22Lx ,照度均匀为0.4.
5.经济效益
按一公里100套，目前道路照明常用的250W钠灯和150W新颖高效灯具在一个不降低照度，且提高照明质量的前提下作一个经济性对比：每公里每年依然可节能40%,除去先期投资成本和维护成本的高出部分，依然每年节约费用高达30%以上。节省费用5.2万元。上海全市公共道路目前有23万只高压钠灯，每年即可节省费用一亿一千九百万元。
需要指出的是：LED作为一种新型光源具有无可估量的照明前程：根据LED灯功耗低、寿命长、可靠性高、失效几率小的长处可使用于交通信号灯；根据LED灯启动快（响应时间短）、抗冲击的长处可使用于汽车信号灯；根据LED灯效率高、无汞害、色彩丰富、无红外辐射、无紫外、易于控制、体积小的长处可使用于景观照明、常规照明和灯具安装密度大及配光要求相对较低的隧道、次干道照明。由于LED灯在加工时，封装工艺中发光定在小于2Π的定向角度，为一次光学设计；在道路照明中，要将几十个LED组合集成的最大光强方向按现场实际路面配光要求做成截光型或半截光型灯具，难度不小。笔者考察了不下30个LED制造厂家的安装在100余条道路上的LED路灯，虽有照明效果较佳的样板道路，但照明效果也是靠提高灯的安装高度和增加灯的数量获得，实际状况是没有一种LED灯具的配光曲线能符合现场实际路面照明的要求。因此，我们希望LED配光也能在专业光学反射技术上有突破性的创新，才能真正在道路照明上实现节能与高效。
经过科技创新的探索和努力，我们已经用实践揭示出：充分利用光学反射技术来加大灯具的科技含量，有着不可忽视的节能效果。我们呼吁：应大力研发与新光源陶瓷金卤灯和LED灯相配套的、具有高科技技术含量的系列高效灯具；在绿色照明产品的优先采购目录里应该突现高效灯具的内容。同时，也希望和同行一起来探索与合作，使照明灯具在功能性、效率性方面更具有先进、节能的高技术水准。
引用标准和参考文献
《CJJ 45-2006 城市道路照明设计标准》
《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》
《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要实施细则》
《城市照明现状及新发展方向》 任元会研究员
《国内外道路照明设计节能方案及其应用》 李铁楠教授
《HID路灯发展趋势》[日]盐见巧一郎