LED光源在隧道照明中的應(yīng)用及節(jié)能分析

于　娜，丁偉智

(1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京　100082；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京　100088)

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LED光源在隧道照明中的應(yīng)用及節(jié)能分析

于娜1，丁偉智2

(1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100082；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京100088)

摘要：為了滿足近幾年來隧道建設(shè)的迅速發(fā)展，LED燈具逐步突顯其在隧道照明中的應(yīng)用優(yōu)勢。設(shè)計(jì)隧道為分段長隧道，結(jié)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(diǎn)，確定隧道照明亮度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，應(yīng)用LED燈對(duì)隧道進(jìn)行照明設(shè)計(jì)，計(jì)算并圖示分析了采用LED光源的燈具選擇及布置方式。同時(shí)利用LED光源的特點(diǎn)，采用無級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)隧道照明進(jìn)行調(diào)光控制。在對(duì)LED燈與高壓鈉燈進(jìn)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(yùn)營維護(hù)頻次及用電費(fèi)用方面都低于傳統(tǒng)高壓鈉燈。從長遠(yuǎn)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?qū)崿F(xiàn)無級(jí)控制，充分體現(xiàn)了LED照明的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)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(guān)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(jié)構(gòu)中的暗線構(gòu)造物，與洞外明亮的道路不同。白天車輛駛?cè)攵磧?nèi)，由于亮度驟降，人的視覺反應(yīng)滯后形成“黑洞效應(yīng)”，很難辨別洞內(nèi)情況；而車輛駛出隧道時(shí)，形成了“白洞效應(yīng)”，造成強(qiáng)烈眩光。夜間的情況和白天正好相反。由于洞內(nèi)外亮度差異大，進(jìn)入或駛出隧道時(shí)，人眼需要適應(yīng)時(shí)間，即產(chǎn)生“適應(yīng)的滯后現(xiàn)象”。公路隧道照明就是為了創(chuàng)造洞內(nèi)良好的工作視覺環(huán)境質(zhì)量，讓司機(jī)能清楚地辨認(rèn)洞內(nèi)路面上的目標(biāo)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(shè)計(jì)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(diǎn)亮狀態(tài)，因此照明系統(tǒng)是隧道機(jī)電工程中重要的設(shè)施之一，也是整個(gè)隧道機(jī)電工程投資很大的一個(gè)系統(tǒng)，而且運(yùn)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(fù)雜。公路隧道照明質(zhì)量的好壞與隧道燈具直接相關(guān)。為了滿足公路隧道運(yùn)營的要求，隧道燈具應(yīng)適應(yīng)公路隧道使用特點(diǎn)，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(jìn)行營運(yùn)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(dòng)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(dòng)、無輻射的節(jié)能環(huán)保型光源[4-6]。

1LED隧道照明的應(yīng)用

1.1　隧道概況

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

表1　隧道參數(shù)一覽表

1.2　隧道照明亮度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)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(shí)測值，設(shè)計(jì)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(yùn)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(xiàn)場實(shí)測，若實(shí)測值與設(shè)計(jì)取值的誤差超出-25%~+25%時(shí)，應(yīng)調(diào)整照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。各段隧道照明設(shè)計(jì)亮度見表2。

為保障運(yùn)營安全、減少初期投資、降低運(yùn)營能耗，本工程隧道照明設(shè)計(jì)分期按10年劃分，表2列出了2028年、2038年的照明設(shè)計(jì)亮度標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)兩個(gè)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(shè)計(jì)按2028年的亮度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，到2038年時(shí)只要對(duì)入口段、過渡段的照明做局部調(diào)整就能滿足交通量的增加對(duì)隧道照明的要求。

設(shè)計(jì)隧道為五段連續(xù)隧道，根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)的4.1.5條，當(dāng)兩座隧道間的距離小于333m，且前一座隧道的長度大于667m時(shí)，后續(xù)隧道入口亮度應(yīng)進(jìn)行折減。計(jì)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(yīng)按照20%折減率進(jìn)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(shè)計(jì)亮度見表3。

表2　隧道照明設(shè)計(jì)亮度標(biāo)準(zhǔn)

表3　折減洞口照明設(shè)計(jì)亮度標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》6.1.3條，按照設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案

根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)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(cè)交錯(cuò)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(cè)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(cè)交錯(cuò)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(jìn)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(qiáng)照明燈具。

表5　LED燈具布置一覽表

根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》9.2.1條，LED光源用于隧道基本照明時(shí)，亮度可按標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部分基本照明燈具兼作應(yīng)急照明燈具。當(dāng)日常的照明電源出現(xiàn)故障或者停電時(shí)，利用不間斷應(yīng)急電源為照明系統(tǒng)的應(yīng)急燈具供電。

1.4　隧道照明無級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)框圖Fig.2　Non-polar control system diagram of tunnel lighting

本文設(shè)計(jì)的隧道照明控制方式采用無級(jí)控制，隧道照明無級(jí)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(qiáng)照明兩個(gè)回路。其工作原理為系統(tǒng)的洞外亮度檢測裝置、洞內(nèi)交通量、車速檢測裝置將檢測到的隧道洞外亮度信號(hào)、交通量信號(hào)、車速信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的控制信號(hào)傳送至LED亮度無級(jí)調(diào)光控制節(jié)點(diǎn)上，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后輸出0~5V的直流模擬信號(hào)，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(huì)使其輸出電流平均值隨之變化，而輸出電流的變化，又會(huì)引起LED輸出的光通量發(fā)生變化，從而達(dá)到控制被照場所亮度的目的。

隧道加強(qiáng)照明燈具早晨開啟和晚上關(guān)閉的時(shí)間以及燈具開啟后的亮度調(diào)節(jié)均由控制裝置進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)根據(jù)不同季節(jié)、洞外亮度和交通量變化等數(shù)據(jù)，控制洞內(nèi)燈具的功率輸出。

基本照明根據(jù)交通量調(diào)光，在夜間當(dāng)交通量N≤350[veh/(h·ln)]時(shí)，可只開啟應(yīng)急照明燈。

隧道應(yīng)急照明燈具平時(shí)兼作基本照明，正常情況下與基本照明同步調(diào)光。

2采用高壓鈉燈的隧道照明設(shè)計(jì)

2.1　燈具布置設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前文所述的隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用高壓鈉燈進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，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(jìn)而不能體現(xiàn)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(jìn)行隧道照明時(shí)，照明控制方式一般采用分級(jí)控制，即白天、黃昏、夜間和下半夜分為四級(jí)控制，其照明組合方式如下：

第一級(jí)：白天，所有燈全開；

第二級(jí)：黃昏，開啟基本燈、應(yīng)急燈、部分加強(qiáng)燈；

第三級(jí)：夜間，開啟基本燈、應(yīng)急燈；

第四級(jí)：下半夜，開啟基本燈的一半和應(yīng)急燈。

照明控制系統(tǒng)應(yīng)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(yuǎn)端手動(dòng)、遠(yuǎn)端自動(dòng)控制；特殊條件下照明控制分本地手動(dòng)控制、本地自動(dòng)控制。本著以自動(dòng)控制為主，手動(dòng)控制為輔進(jìn)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(diào)光，同時(shí)調(diào)光不會(huì)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(dá)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(jīng)濟(jì)性比較

3.2.1燈具購置費(fèi)用

設(shè)計(jì)隧道分別采用兩種光源的燈具費(fèi)用如表8所示。

3.2.2燈具維護(hù)費(fèi)用

LED光源隧道照明燈由于采用LED發(fā)光管作為光源，依據(jù)現(xiàn)行 LED 燈相關(guān)資料，LED 燈光通量衰減至70%使用壽命為(5萬~10萬)h，本次計(jì)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(nèi)只需要更換光源，即LED燈更換模組，高壓鈉燈更換燈泡。基本照明燈具按每天使用 20 h 考慮，加強(qiáng)照明燈具按每天使用10 h 考慮。

表8　燈具費(fèi)用

以10年為計(jì)算周期，考慮更換光源及人工費(fèi)用，LED燈和高壓鈉燈的燈具維護(hù)費(fèi)用見表9。

表9　燈具維護(hù)費(fèi)用

3.2.3用電費(fèi)用

基本照明燈具按每天使用 20 h 考慮，加強(qiáng)照明燈具按每天使用10 h 考慮；電費(fèi)按 0.7元/度考慮，可以計(jì)算得出表9中運(yùn)行10年高壓鈉燈和LED燈的用電費(fèi)用。

3.2.4照明費(fèi)用比較分析

通過對(duì)隧道使用LED燈和高壓鈉燈兩種光源的燈具購置費(fèi)用、燈具維護(hù)費(fèi)用和用電費(fèi)用的比較，以10年為計(jì)算周期，可以得到表10的隧道照明費(fèi)用對(duì)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(fèi)用及燈具維護(hù)頻次用大大低于高壓鈉燈，并且隨著LED 燈具的產(chǎn)業(yè)化，其生產(chǎn)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(huì)得到進(jìn)一步顯現(xiàn)，屆時(shí)將會(huì)產(chǎn)生非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

表10　隧道照明費(fèi)用對(duì)比表

4結(jié)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(shè)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(duì)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(jìn)行隧道照明既能達(dá)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(duì)照明亮度進(jìn)行智能無級(jí)控制，可根據(jù)洞外亮度和車流量等因數(shù)及時(shí)調(diào)整燈具亮度，實(shí)現(xiàn)按需照明。并且燈具的工作溫度絕大部分時(shí)間都處在一個(gè)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(yùn)營費(fèi)用，為實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)環(huán)境提供較為可行的方法。

參考文獻(xiàn)

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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(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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