于　娜，丁偉智

(1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京　100082；2.交通運輸部公路科學研究院，北京　100088)

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LED光源在隧道照明中的應用及節(jié)能分析

于娜1，丁偉智2

(1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京100082；2.交通運輸部公路科學研究院，北京100088)

摘要：為了滿足近幾年來隧道建設的迅速發(fā)展，LED燈具逐步突顯其在隧道照明中的應用優(yōu)勢。設計隧道為分段長隧道，結合其洞口形式、行車速度、洞口方向、連續(xù)隧道亮度折減等特點，確定隧道照明亮度設計標準后，應用LED燈對隧道進行照明設計，計算并圖示分析了采用LED光源的燈具選擇及布置方式。同時利用LED光源的特點，采用無級控制系統(tǒng)對隧道照明進行調光控制。在對LED燈與高壓鈉燈進行比較分析后可以看出，LED光源用于隧道照明雖然初始投資比較高，但是在運營維護頻次及用電費用方面都低于傳統(tǒng)高壓鈉燈。從長遠角度來看，LED照明是一種非常節(jié)能的綠色照明，且在照明控制方式上能夠實現無級控制，充分體現了LED照明的優(yōu)點和應用于公路隧道的優(yōu)勢，為解決隧道照明提供了一種全新的思路。

關鍵詞：隧道照明；LED燈；高壓鈉燈；控制方式；節(jié)能

引言

公路隧道是公路結構中的暗線構造物，與洞外明亮的道路不同。白天車輛駛入洞內，由于亮度驟降，人的視覺反應滯后形成“黑洞效應”，很難辨別洞內情況；而車輛駛出隧道時，形成了“白洞效應”，造成強烈眩光。夜間的情況和白天正好相反。由于洞內外亮度差異大，進入或駛出隧道時，人眼需要適應時間，即產生“適應的滯后現象”。公路隧道照明就是為了創(chuàng)造洞內良好的工作視覺環(huán)境質量，讓司機能清楚地辨認洞內路面上的目標或物體，消除視覺和心理障礙，確保在白天和夜間行駛的車輛以設計速度安全地接近并穿越隧道[1-2]。公路隧道一旦投入使用, 照明系統(tǒng)幾乎就處于長期點亮狀態(tài)，因此照明系統(tǒng)是隧道機電工程中重要的設施之一，也是整個隧道機電工程投資很大的一個系統(tǒng)，而且運營成本較高。公路隧道照明與一般道路照明要求不同，隧道白天也需要照明，而且白天照明問題比夜間更加復雜。公路隧道照明質量的好壞與隧道燈具直接相關。為了滿足公路隧道運營的要求，隧道燈具應適應公路隧道使用特點，節(jié)約能源，提高照明效果，保證行車安全性、舒適性，能有效地進行營運管理。目前公路隧道照明燈具主要采用高壓鈉燈和LED燈[3]。高壓鈉燈最為常用，它光效高，但高壓鈉燈輸出光通量隨電壓波動變化最大，平均壽命較低，燈具維修更換頻次較高。而LED 燈具是一種綠色光源，它是功耗低、壽命長、抗振動、無輻射的節(jié)能環(huán)保型光源[4-6]。

1LED隧道照明的應用

1.1　隧道概況

設計隧道為南北走向，隧道內行車速度80km/h。設計隧道分為5段，各隧道均采用上、下行分離獨立雙洞的平面布設形式，雙向6車道，瀝青路面。設計高峰小時交通量為：2028年624[veh/(h·ln)]，2038年770[veh/(h·ln)]。各段隧道參數詳見表1。

表1　隧道參數一覽表

1.2　隧道照明亮度設計標準

依據《公路隧道照明設計細則》(JTG/TD70/2-01—2014)中表4.2.1的洞外亮度取值和條文說明中的洞外亮度實測值，設計隧道端墻式洞門隧道洞外亮度取3000cd/m2, 削竹式洞門隧道洞外亮度取2500cd/m2。因洞外亮度直接影響到隧道照明的投資及今后的運營成本，故隧道洞外亮度值的合理確定需要待隧道洞口工程完工后，通過現場實測，若實測值與設計取值的誤差超出-25%~+25%時，應調整照明系統(tǒng)設計。各段隧道照明設計亮度見表2。

為保障運營安全、減少初期投資、降低運營能耗，本工程隧道照明設計分期按10年劃分，表2列出了2028年、2038年的照明設計亮度標準，通過對兩個年份的入口段、過渡段、中間段、出口段亮度值的比較，此次照明設計按2028年的亮度標準進行設計，到2038年時只要對入口段、過渡段的照明做局部調整就能滿足交通量的增加對隧道照明的要求。

設計隧道為五段連續(xù)隧道，根據《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)的4.1.5條，當兩座隧道間的距離小于333m，且前一座隧道的長度大于667m時，后續(xù)隧道入口亮度應進行折減。計算得出，第三段隧道的左線入口和第四段隧道的右線入口均應按照20%折減率進行折減，兩處洞口均為端墻式洞口，折減后的入口段及過渡段照明設計亮度見表3。

表2　隧道照明設計亮度標準

表3　折減洞口照明設計亮度標準

根據《公路隧道照明設計細則》6.1.3條，按照設計隧道80km/h的行車速度，超過3km的隧道中間段照明分為兩段，中間段第一照明段亮度為Lin，長度為667m； 中間段第二照明段亮度為Lin×80%，長度為余下的中間段長度。

1.3　燈具布置設計方案

根據《公路隧道照明設計細則》6.2.2和6.2.3要求：路面亮度總均勻度U0≥0.335,路面中線亮度縱向均勻度U1≥0.535。

表4　照明布置形式比較表

通過表4中可以看出：兩側交錯布置的路面亮度總均勻度U0與路面中線亮度縱向均勻度U1均比中線側偏布置高，且能夠滿足規(guī)范要求，所以本工程燈具布置形式采用兩側交錯布置，為滿足閃爍頻率≤2.5Hz或≥15Hz，照明燈具布置間距為10m。表5為采用LED光源進行隧道照明的布置情況。其中，中間段為基本照明燈具，其余各段均為加強照明燈具。

表5　LED燈具布置一覽表

根據《公路隧道照明設計細則》9.2.1條，LED光源用于隧道基本照明時，亮度可按標準亮度的50%取值，基本照明可以采用30W的LED燈。

以隧道1右線照明為例，燈具平面布置如圖1所示。

隧道內部分基本照明燈具兼作應急照明燈具。當日常的照明電源出現故障或者停電時，利用不間斷應急電源為照明系統(tǒng)的應急燈具供電。

1.4　隧道照明無級控制系統(tǒng)

圖1　燈具平面布置圖Fig.1　The plane arrangement drawing of lamps

圖2　隧道照明智能無級控制系統(tǒng)框圖Fig.2　Non-polar control system diagram of tunnel lighting

本文設計的隧道照明控制方式采用無級控制，隧道照明無級控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。它將隧道照明只分為基本照明和加強照明兩個回路。其工作原理為系統(tǒng)的洞外亮度檢測裝置、洞內交通量、車速檢測裝置將檢測到的隧道洞外亮度信號、交通量信號、車速信號經數據處理后的控制信號傳送至LED亮度無級調光控制節(jié)點上，再經過數據處理后輸出0~5V的直流模擬信號，去控制LED燈上的電壓控制電流源。電壓控制電流源的控制端電壓的變化會使其輸出電流平均值隨之變化，而輸出電流的變化，又會引起LED輸出的光通量發(fā)生變化，從而達到控制被照場所亮度的目的。

隧道加強照明燈具早晨開啟和晚上關閉的時間以及燈具開啟后的亮度調節(jié)均由控制裝置進行控制?？刂葡到y(tǒng)根據不同季節(jié)、洞外亮度和交通量變化等數據，控制洞內燈具的功率輸出。

基本照明根據交通量調光，在夜間當交通量N≤350[veh/(h·ln)]時，可只開啟應急照明燈。

隧道應急照明燈具平時兼作基本照明，正常情況下與基本照明同步調光。

2采用高壓鈉燈的隧道照明設計

2.1　燈具布置設計方案

根據前文所述的隧道照明設計標準，采用高壓鈉燈進行隧道照明設計時，燈具布置如表6所示。

由于高壓鈉燈光源功率的限制，中間段2與中間段1在燈具選擇上沒有差別，進而不能體現出80%的亮度差異。

表6　高壓鈉燈燈具布置一覽表

2.2　隧道照明控制系統(tǒng)

采用高壓鈉燈進行隧道照明時，照明控制方式一般采用分級控制，即白天、黃昏、夜間和下半夜分為四級控制，其照明組合方式如下：

第一級：白天，所有燈全開；

第二級：黃昏，開啟基本燈、應急燈、部分加強燈；

第三級：夜間，開啟基本燈、應急燈；

第四級：下半夜，開啟基本燈的一半和應急燈。

照明控制系統(tǒng)應具備在正常條件下和特殊條件下的照明控制功能。正常條件下照明控制分為遠端手動、遠端自動控制；特殊條件下照明控制分本地手動控制、本地自動控制。本著以自動控制為主，手動控制為輔進行控制。

3LED燈與高壓鈉燈的比較

3.1　兩種光源的性能比較

隧道照明光源目前使用較多的是LED燈和高壓鈉燈，兩種光源的性能比較見表7。LED燈透霧性較好，易于調光，同時調光不會影響其壽命和光效，從而在不減少隧道照明縱向均勻度的前提下，降低燈具的光通量，使燈具的輸入功率減少，達到節(jié)能的目的。

表7　隧道照明光源的比較

3.2　兩種光源的經濟性比較

3.2.1燈具購置費用

設計隧道分別采用兩種光源的燈具費用如表8所示。

3.2.2燈具維護費用

LED光源隧道照明燈由于采用LED發(fā)光管作為光源，依據現行 LED 燈相關資料，LED 燈光通量衰減至70%使用壽命為(5萬~10萬)h，本次計算按 5 萬h考慮，高壓鈉燈使用壽命為1.2 萬h。LED燈和高壓鈉燈的燈具壽命均為10年，10年內只需要更換光源，即LED燈更換模組，高壓鈉燈更換燈泡?；菊彰鳠艟甙疵刻焓褂?20 h 考慮，加強照明燈具按每天使用10 h 考慮。

表8　燈具費用

以10年為計算周期，考慮更換光源及人工費用，LED燈和高壓鈉燈的燈具維護費用見表9。

表9　燈具維護費用

3.2.3用電費用

基本照明燈具按每天使用 20 h 考慮，加強照明燈具按每天使用10 h 考慮；電費按 0.7元/度考慮，可以計算得出表9中運行10年高壓鈉燈和LED燈的用電費用。

3.2.4照明費用比較分析

通過對隧道使用LED燈和高壓鈉燈兩種光源的燈具購置費用、燈具維護費用和用電費用的比較，以10年為計算周期，可以得到表10的隧道照明費用對比表。

通過表10可以看出, 目前LED 隧道專用燈具的初始投資雖然高于高壓鈉燈，但是由于LED 的用電費用及燈具維護頻次用大大低于高壓鈉燈，并且隨著LED 燈具的產業(yè)化，其生產成本將大幅度降低，所以LED 燈具在隧道照明中的優(yōu)勢將會得到進一步顯現，屆時將會產生非?？捎^的經濟效益和社會效益。

表10　隧道照明費用對比表

4結論

公路隧道的行車安全問題是公路中交通安全的重要環(huán)節(jié)，公路隧道必須設置照明系統(tǒng)。通過合理的照明，把必要的視覺信息傳遞給駕駛員，并且讓駕駛員在隧道行駛過程中感覺安全舒適。

因此對隧道照明系統(tǒng)來說，首先要滿足的是交通安全，其次是優(yōu)化節(jié)能。通過前文的分析可以得出，使用LED光源進行隧道照明既能達到滿足交通安全的亮度，又能節(jié)約能源。

隧道照明采用LED光源，還可以對照明亮度進行智能無級控制，可根據洞外亮度和車流量等因數及時調整燈具亮度，實現按需照明。并且燈具的工作溫度絕大部分時間都處在一個較低的水平，工作溫度的降低，不僅可大幅減小LED的光衰，還延長了LED和電源的壽命。這些都可以降低公路隧道照明能耗，節(jié)約運營費用，為實現國民經濟的可持續(xù)發(fā)展，保護環(huán)境提供較為可行的方法。

參考文獻

[1] 公路隧道照明設計細則：JTG/T D70/2-01—2014[S]. 重慶：人民交通出版社，2014.

[2] 公路隧道設計規(guī)范(第二冊)交通工程與附屬設施：JTG/T D70/2—2014[S]. 重慶：人民交通出版社，2014.

[3] 郗鋒. LED 照明燈具在公路隧道中的應用研究[J]. 陜西公路，2011(7)：167-171.

[4] 史玲娜，涂耕，王小軍. 新舊規(guī)范對比下的隧道照明節(jié)能設計研究[J]. 照明工程學報，2015，26(1)：50-54.

[5] 張玲，郝翠霞. LED隧道照明控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].照明工程學報，2011，22(4):36-40.

[6] 楊超，王志偉. LED在隧道照明工程中的應用研究[J]. 照明工程學報，2011，22(2)：60-66.

Application and Energy-saving Analysis of LED Light Source

Used in the Tunnel Lighting

Yu Na1，Ding Weizhi2

(1.BeijingGeneralMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.Ltd.,Beijing100082，China;

2.ResearchInstituteofHighwayMinistryofTransport,Beijing100088，China)

Abstract：In order to meet the rapid development of tunnel construction in recent years, LED light gradually highlights its application advantages in the tunnel lighting. The design tunnel is a segmented long tunnel. After considering the characteristics of its entrance form, driving speed, the hole direction, continuous tunnel brightness reduction, etc., and determining the tunnel illumination design standard, LED lamps are chosen for tunnel lighting. The selection and arrangement of LED lamps are calculated and analyzed in graphics. While taking advantage of the characteristics of LED light, non-polar control system is used to conduct the tunnel lighting dimming control. After the comparative analysis of LED and HPS(High Pressure Sodium) we can see that, although the initial investment of LED light is relatively high, the frequency of operation and maintenance and electricity costs are lower than that of traditional HPS. In the long run, LED lighting is a very energy-efficient green lighting, and the lighting control enables non-polar control, which fully embodies the advantages and benefits of LED lighting’s usage in highway tunnel. It provides a new way of thinking to solve tunnel lighting.

Key words:tunnel lighting; LED light;HPS; control method; energy saving

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.007