LED 光源在公路隧道照明設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新

劉 輝，翁 季，杜 峰，

(1.福建工程學(xué)院 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，福建 福州 351018;2.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400044)

1 LED 光源的特點(diǎn)介紹

LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體發(fā)光器件，屬于固態(tài)光源。伴隨著LED 發(fā)光效率的提高，特別是20世紀(jì)90年v代末白光LED 的發(fā)明，為L(zhǎng)ED 在照明領(lǐng)域的應(yīng)用打開(kāi)了空間，使之成為繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈之后的新一代光源。LED 光源具有以下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

(1)光效提高迅速。如今LED 產(chǎn)品的實(shí)用光效可達(dá)70～90 lm/W，美國(guó)的實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)測(cè)得高達(dá)160 lm/W的數(shù)據(jù)，預(yù)期在未來(lái)更短時(shí)間內(nèi)，實(shí)用光效甚至可以達(dá)到150～200 lm/W，那時(shí)LED 有可能成為最高效的光源。

(2)啟動(dòng)性能好，可靠度高，只有毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，能達(dá)到全光通輸出。

(3)調(diào)光方便，可控性強(qiáng)。

(4)耐震動(dòng)，耐候性良好，壽命長(zhǎng)。

(5)不含汞，環(huán)保性能優(yōu)。

(6)LED 在一定光束角內(nèi)定向輻射，用于射燈、筒燈等燈具時(shí)，有利于提高下射光通比。

(7)用于景觀(guān)、裝飾、廣告、信號(hào)等場(chǎng)合，有多重彩色光LED，加上良好的啟動(dòng)和調(diào)光性能，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，以達(dá)到多彩、動(dòng)態(tài)變化，在商業(yè)性、娛樂(lè)性場(chǎng)所極具渲染性。

當(dāng)然，目前LED 也存在著一些缺點(diǎn)，如芯片主要依賴(lài)進(jìn)口，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，燈具測(cè)試方法沒(méi)有統(tǒng)一，散熱不佳，色溫偏高，難于設(shè)計(jì)配光和控光系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電路待優(yōu)化等。

2 公路隧道照明特點(diǎn)介紹

既不同于室內(nèi)外照明，尤其是景觀(guān)照明著重體現(xiàn)藝術(shù)效果，也不同于道路照明大部分路段強(qiáng)調(diào)的是照明的數(shù)量和均勻度，公路隧道照明有自身獨(dú)特的特點(diǎn)，由于公路隧道中存在著白天由公路隧道洞外進(jìn)入洞內(nèi)的“黑洞效應(yīng)”，人的眼睛要經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的“暗適應(yīng)”過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程較長(zhǎng)，人眼在這段時(shí)間里產(chǎn)生“視盲”，此時(shí)剛剛進(jìn)入隧道，根據(jù)我國(guó)的相關(guān)規(guī)定，一般進(jìn)入隧道車(chē)速都要變慢，所以此時(shí)發(fā)生事故，尤其是惡性事故的先例比比皆是。與之相似的是，隧道出口處要經(jīng)歷一個(gè)“明適應(yīng)”過(guò)程，所以也會(huì)存在一個(gè)視盲期。另外，單向行駛的公路隧道照明依次分為接近段、入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段。每一個(gè)分段的亮度是不同的，其中中間段的亮度要求最低，其他段按照更好的適應(yīng)考慮，依次從入口段到過(guò)渡段降低，降低的趨勢(shì)在我國(guó)的照明規(guī)范和國(guó)際照明規(guī)范中是不同的。

3 公路隧道照明設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分析

3.1 國(guó)際上的照明設(shè)計(jì)

國(guó)際上的照明設(shè)計(jì)規(guī)定情況如下:雖然很多國(guó)家有自己的規(guī)范，但是歐美國(guó)家主要還是參照和借鑒國(guó)際照明委員會(huì)CIE 的《公路隧道和地下通道照明指南》88-1990 和88-2004。當(dāng)然，各個(gè)國(guó)家和CIE 是互相借鑒的。日本比較特殊，其采用的是折線(xiàn)分布圖，執(zhí)行比較簡(jiǎn)單，但是國(guó)際上較少有采用。在這里，從典型性的角度，選取CIE 的規(guī)范作為論述的出發(fā)點(diǎn)。

圖1 公路隧道入口段和過(guò)渡段亮度級(jí)

從圖1 中可以看出，橫坐標(biāo)0 點(diǎn)之前是接近段的停車(chē)視距，0 點(diǎn)之后是車(chē)輛行駛的時(shí)間，當(dāng)然在不同的車(chē)速情況下也具體代表了行駛的距離。縱坐標(biāo)是亮度百分比的值。根據(jù)該圖設(shè)計(jì)師就可以在公路隧道行駛的不同段落，如:接近段、入口段、過(guò)渡段(圖1)，設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度和亮度，該圖是CIE 的研究成果，其可以很好地實(shí)現(xiàn)公路隧道照明安全、舒適、節(jié)能。尤其是安全性和舒適性的問(wèn)題。通過(guò)這樣的曲線(xiàn)，可減少視盲現(xiàn)象，盡快完成視覺(jué)適應(yīng)過(guò)程。其中要說(shuō)明的是，所有亮度的起點(diǎn)是由洞外景物亮度L20乘以一定的系數(shù)k 來(lái)(根據(jù)不同的情況)完成的。其他具體各段的亮度是曲線(xiàn)變化的，乘以一定初始數(shù)值的比例來(lái)確定。

3.2 國(guó)內(nèi)的照明設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也參考了CIE 的照明規(guī)范，如《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ026.1-99)，《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(2010)和最新版的《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01-2014)(見(jiàn)圖2)。下面以最新版的公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則來(lái)說(shuō)明。

從隧道分段的角度來(lái)講，我國(guó)借鑒了CIE 的分段方法，而且L20的規(guī)定也是類(lèi)似的，但是跟CIE 不同的是，由于平滑的曲線(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用于設(shè)計(jì)的時(shí)候選取燈具經(jīng)常很麻煩，也就是說(shuō)，需要在設(shè)計(jì)時(shí)選用很多不同功率的燈具，導(dǎo)致燈具在制造時(shí)不容易定型。國(guó)家最新的實(shí)施細(xì)則把各段又進(jìn)行了更為詳細(xì)的折線(xiàn)處理，將入口段分成了亮度比為2 ∶1的兩段，把過(guò)渡段劃分為3 ∶1的三段，出口段劃分為中間段亮度3 倍和5 倍的兩段，并且對(duì)長(zhǎng)度也進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，這樣執(zhí)行時(shí)更加方便，增加了可行性。一方面更好地滿(mǎn)足了安全性和舒適性的要求，另一方面也滿(mǎn)足了節(jié)能性的要求。

圖2 2014 版公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則對(duì)于亮度的規(guī)定

4 LED 在公路隧道照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用創(chuàng)新

在公路隧道中常用的傳統(tǒng)光源包括高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等，現(xiàn)在隨著LED 光源的進(jìn)步，在公路隧道設(shè)計(jì)和實(shí)踐中我們經(jīng)常使用的光源進(jìn)入了LED 的時(shí)代，之所以L(fǎng)ED 的使用越來(lái)越廣泛，并非僅僅在于節(jié)能性，還在于更加重要的安全性和舒適性。

下面就從安全性、舒適性和節(jié)能性等角度論述LED 在隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用創(chuàng)新。

4.1 光效高

LED 的高光效可使光源的性能達(dá)到最大限度的釋放，能以更低的電能獲取最大限度的發(fā)光強(qiáng)度，從而滿(mǎn)足公路隧道照明所需要的路面亮度。

4.2 調(diào)光方便，可控性強(qiáng)，響應(yīng)迅速

通過(guò)規(guī)范我們知道，公路隧道每一段的亮度是不同的，而傳統(tǒng)的高壓鈉燈、金鹵燈等燈具點(diǎn)燃都需要時(shí)間，調(diào)節(jié)也需要一定的穩(wěn)定時(shí)間。根據(jù)我國(guó)的公路隧道照明規(guī)范，可以通過(guò)很多分段來(lái)生產(chǎn)和選用不同功率的燈具，但是按照CIE 規(guī)范的規(guī)定，如果需要平滑曲線(xiàn)形式的亮度變化則非常難以達(dá)到。另外，如果其他光源在生產(chǎn)不同功率的光源時(shí)(由于需要太多套不同功率的設(shè)備)則需要多套模具，生產(chǎn)效率低，成本高。

現(xiàn)在的公路隧道照明設(shè)計(jì)都是以公路隧道外部洞口20°視角范圍內(nèi)的景物亮度L20來(lái)確定的，由于太陽(yáng)高度角和方位角不停地變化，而且天氣狀況和云量等因素也隨時(shí)不同，導(dǎo)致公路隧道洞外景物亮度是不斷變化的。如果嚴(yán)格按照公路隧道洞口景物亮度來(lái)確定內(nèi)部各段的亮度則需要實(shí)現(xiàn)洞口的亮度感應(yīng)和內(nèi)部的無(wú)極調(diào)光，這時(shí)LED 的調(diào)光方便，可控性強(qiáng)和響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)就顯得不可或缺了。

4.3 光色容易調(diào)節(jié)

從駕駛安全舒適的角度考慮，光源的光色(包含光源的相關(guān)色溫和顯色指數(shù))對(duì)駕駛的安全舒適性存在著非常重要的作用。劉英嬰采用視覺(jué)功效法的理論，通過(guò)公路隧道入口段和中間段的光源光色分析指出，綜合視覺(jué)功效和光生物效應(yīng)的影響，色溫在5 000 K左右，光譜分布偏向藍(lán)綠光的LED 光源最適宜公路隧道的入口段照明，而色溫在3 600 K 左右，光譜分布偏向黃綠光的LED 光源最適宜公路隧道中間段照明。因此，公路隧道光源形式要求光源的光色易于調(diào)節(jié)。

4.4 視覺(jué)功效較好，光譜分布更加合理

公路隧道照明的安全性和舒適性跟視覺(jué)功效緊密相關(guān)，駕駛員的感受跟光色有關(guān)，除此之外還跟光譜分布有關(guān)，鑒于各種公路隧道照明光源發(fā)光機(jī)理的原因，LED 光源的光譜更容易調(diào)節(jié)一些，所以也更加適合公路隧道照明。

5 小 結(jié)

雖然，LED 仍然存在著一些缺點(diǎn)，而且并不一定適合大規(guī)模應(yīng)用與室內(nèi)照明環(huán)境設(shè)計(jì)，但是考慮其光效高，調(diào)光方便，可控性強(qiáng)，響應(yīng)迅速，光色易調(diào)節(jié)，光譜分布更合理等特點(diǎn)，其非常適合公路隧道照明設(shè)計(jì)。通過(guò)與相關(guān)公路隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范的結(jié)合，可以從中找出更多的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)思路，使公路隧道照明更加安全、舒適和節(jié)能。

［1］劉婷婷，屈渲婷.LED 在室內(nèi)照明系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展前景［J］.機(jī)電技術(shù)，2013(4):172～174

［2］任元會(huì).LED 在室內(nèi)照明的應(yīng)用和前景［J］.電氣工程應(yīng)用，2011(2):2～4

［3］CIE 88—1990.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［R］.CIE Central Bureau

［4］CIE 88—2004.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［R］.CIE Central Bureau

［5］中華人民共和國(guó)交通部.公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則JTG/T D70/2-01-2014［S］

［6］劉英嬰，張青文，胡英奎，等.LED 光源色溫對(duì)隧道入口段和中間段的影響［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2013(2):30～34