公路隧道LED照明技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵問題探討

公路建設(shè)的發(fā)展，特別是山區(qū)高速公路建設(shè)的發(fā)展，帶來了公路隧道在規(guī)模和長度上的快速增長。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國公路隧道建設(shè)里程已突破2500km。與此同時，隧道運營能耗問題，特別是隧道照明能耗問題，已顯得越來越突出，對構(gòu)建安全和和諧交通環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重影響。

以安徽省交通投資集團有限責(zé)任公司下屬黃塔桃高速公路和六武高速公路為例，即可充分說明問題。

安徽省黃塔桃(黃山至塔嶺和小賀至桃林)高速公路是國家高速公路干線網(wǎng)中京臺(G3)高速公路和杭瑞(G56)高速公路的重要組成部分。路線全長51.3km。其中起點至小賀段長17.5km，為雙向6車道，設(shè)計速度100km/h，路基寬度33.5m;小賀至桃林和小賀至塔嶺兩段分別長18.5km和15.3km，為雙向4車道，設(shè)計速度80km/h，路基寬度24.5m。

全線共設(shè)置15處隧道，單洞全長28.3km，占全線的27.6%。如采用高壓鈉照明系統(tǒng)，隧道照明燈具總功率達(dá)2076kW，日耗電費約2.1萬元，年耗電費約7580萬元。

安徽省六武高速公路是國家新規(guī)劃的滬漢蓉高速公路(G42)的重要路段。路線全長90.9km，為雙向4車道，設(shè)計車速100km/h，路基寬度26m。

全線共設(shè)置8處隧道，單洞全長18.4km，占全線的10.1%。如采用高壓鈉照明系統(tǒng)，隧道照明燈具總功率達(dá)1734kW，日耗電費約1.7萬元，年耗電費約6330萬元。

如何響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，在隧道照明方面最大限度地節(jié)能，是山區(qū)高速公路建設(shè)和營運急待解決的問題。

1隧道節(jié)能照明方式

目前，隧道照明可采用的燈具有高壓鈉燈、熒光燈、高頻無極燈、LED燈等。其中，高壓鈉燈和熒光燈基于氣體放電，無極燈基于氣體放電和高頻電磁感應(yīng)的結(jié)合，LED(LightEmittingDiode)即半導(dǎo)體發(fā)光二極管基于注入式電致發(fā)光。

高壓鈉燈是我國目前高速公路隧道照明主要采用的燈具。但新型LED燈具有高效節(jié)能、使用壽命長、維護方便、工作電壓范圍寬、工作溫度低、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點，是目前高速公路隧道照明強有力的競爭產(chǎn)品。國際上單芯片大功率白光LED在技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)上發(fā)展較為成熟，以其為光源的燈具是市場上的主流產(chǎn)品。本次調(diào)研和比選的結(jié)果限于該類型燈具(表1)。

2LED節(jié)能照明集成技術(shù)

公路隧道照明節(jié)能技術(shù)應(yīng)體現(xiàn)出集成性和原創(chuàng)性，重點通過“環(huán)境節(jié)能、模式節(jié)能、控制節(jié)能”三大環(huán)節(jié)實現(xiàn)。

(1)控制內(nèi)外環(huán)境實現(xiàn)基礎(chǔ)性節(jié)能。一是洞外環(huán)境的把握，要求測定現(xiàn)場洞外亮度，制定洞外減光措施，復(fù)核完工后的洞外亮度，進行具針對性的照明設(shè)計和實施前的設(shè)計修正，切實控制隧道照明節(jié)能上的洞外環(huán)節(jié)。二是洞內(nèi)環(huán)境的營造，要求結(jié)合洞內(nèi)裝飾，以分段的方式采在洞內(nèi)涂料上采用高反光材料、自發(fā)光材料等，實現(xiàn)功能與形式的完美結(jié)合。

(2)優(yōu)選照明模式實現(xiàn)核心層節(jié)能。包括照明光源的選擇(高壓鈉燈、高頻無極燈、LED燈等及其組合)、照明方式的選擇(隧道長≤100m、≤300m、≤1000m、>1000m條件下，“不設(shè)照明、誘導(dǎo)照明、標(biāo)準(zhǔn)照明”等的論證)、照明參數(shù)的選擇。

(3)建立控制系統(tǒng)實現(xiàn)高端級節(jié)能。針對洞外亮度、洞內(nèi)交通量和行車速度對洞內(nèi)亮度的影響特點，洞內(nèi)照明控制系統(tǒng)擬由以洞外亮度為標(biāo)準(zhǔn)的無級控制和以洞內(nèi)交通量和行車速度為標(biāo)準(zhǔn)的分級控制組成。

根據(jù)在控制系統(tǒng)與LED照明技術(shù)的結(jié)合上取得的突破性研究成果，以洞外亮度為標(biāo)準(zhǔn)的無級控制由0～5V低壓信號實現(xiàn)。0V和5V分別對應(yīng)燈具最大和最小功率，即燈具的最大和最小照度。白天，初始系統(tǒng)控制電壓設(shè)至5V，置燈具在最小功率狀態(tài)下。此后，系統(tǒng)控制電壓隨洞外亮度的增大或降低而相應(yīng)降低或增大，控制燈具照度和洞內(nèi)亮度的增大或降低。直至轉(zhuǎn)換為夜間照明模式。

以黃塔桃高速公路為例，初步測算通過“環(huán)境節(jié)能”和“模式節(jié)能”環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)隧道照明節(jié)能約50%。用電功率降至1044kW減少1032kW，每年節(jié)省用電費用約377萬元。如再通過“控制節(jié)能”環(huán)節(jié)，可進一步降低照明能耗。

3LED照明燈具的實用性

使LED燈具在適當(dāng)密度下的照度滿足隧道各段，尤其是加強段亮度要求，在應(yīng)用中受到重點關(guān)注。其中，LED的發(fā)光效率起到關(guān)鍵作用。

(1)LED技術(shù)近年快速發(fā)展，商業(yè)產(chǎn)品發(fā)光效率不斷提高，已達(dá)100～140Lm/W，基本突破大功率、高照度與小體積之間的實用技術(shù)瓶頸。

(2)LED燈具采用白色LED為光源，顯色指數(shù)超過80Ra。在實用中，較低亮度可達(dá)到顯色指數(shù)低的光源的同樣照明效果，即等效亮度。如與顯色指數(shù)60Ra，照度相對值1.6的高壓鈉燈比較，顯色指數(shù)80Ra，照度相對值1.41的LED燈采用的亮度標(biāo)準(zhǔn)可為其的1.41/1.6=0.88倍。

4LED照明燈具的可靠性

LED燈具在公路隧道照明中還處于試驗階段，市場上無統(tǒng)一的定型產(chǎn)品，在型式、組織、結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)上參差不齊。調(diào)研和實驗的初步結(jié)果表明，針對LED技術(shù)特點，對公路隧道LED燈具的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)提出控制要求是十分必要的。

(1)LED模塊品質(zhì)的可靠性。兩種情況下認(rèn)為LED模塊品質(zhì)不可靠，一是在正常工作環(huán)境下LED模塊突然失效，二是在正常工作環(huán)境下LED模塊短時間內(nèi)嚴(yán)重光衰。要求控制貨源以保證質(zhì)量，制定標(biāo)準(zhǔn)并實施檢測。

(2)LED燈具回路的可靠性。LED模塊組合方式有串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)三種，要求以恒流源供電的串聯(lián)電路為基礎(chǔ)，輔助以并聯(lián)斷路導(dǎo)通技術(shù)，以保證LED燈具各回路的可靠性。

(3)LED燈具散熱的有效性。LED燈具良好的散熱可為模塊提供持續(xù)穩(wěn)定的工作環(huán)境，在防止LED模塊工作性光衰，控制LED模塊壽命性光衰上起關(guān)鍵作用。由此要求LED燈具應(yīng)注意“優(yōu)化結(jié)構(gòu)，加強散熱，保持低溫”。

(4)LED燈具壽命的協(xié)調(diào)性。LED燈具壽命雖然以LED模塊50000h光衰<30%為基礎(chǔ)，但同時也受到燈具導(dǎo)熱件、鋁基板、電路板、反射器等部件的影響。由此要求LED燈具應(yīng)做到“燈具結(jié)構(gòu)模塊化，光源電源分離式”。

5LED照明系統(tǒng)的經(jīng)濟性

仍以黃塔桃高速公路為例，初步測算工程總計需安裝LED燈具總計9458盞，其中50W燈具7192盞，100W燈具632盞，200W燈具1634盞。

與先期設(shè)計的鈉燈照明系統(tǒng)相比，計如供配電設(shè)施的綜合建設(shè)費用分別為7685萬元和7357萬元，一次性投入增加4.6%，計328萬元。

對LED照明系統(tǒng)的經(jīng)濟性應(yīng)綜合分析，正確認(rèn)識。主要可由以下幾方面考慮。

(1)LED燈具價格較高，增加了系統(tǒng)建設(shè)費用;但LED燈具功耗較低，縮小了系統(tǒng)規(guī)模，降低了建設(shè)費用。

(2)LED燈具在功耗和壽命上的優(yōu)勢，極大地降低了營運期間的耗電費用和維護費用。與系統(tǒng)實施后每年直接節(jié)省用電費用約377萬元相比，一次性投入增加328萬元是值得的。

(3)LED模塊發(fā)光效率在不斷地提高，建設(shè)費用將更向著有利于LED系統(tǒng)的方向傾斜。

(4)合理取值和精細(xì)設(shè)計是LED照明系統(tǒng)體現(xiàn)節(jié)能優(yōu)勢并具備經(jīng)濟價值的關(guān)鍵。高壓鈉燈照明系統(tǒng)等也是研究節(jié)能集成技術(shù)的理想平臺。在環(huán)境、模式和控制等節(jié)能環(huán)節(jié)中，LED照明系統(tǒng)在發(fā)光效率、顯色指數(shù)、電源效率、燈具效率、利用系數(shù)、養(yǎng)護系數(shù)、使用壽命等方面的優(yōu)勢逐步積累，形成系統(tǒng)優(yōu)勢。對有些細(xì)微、不確定或相互關(guān)聯(lián)的因素把握不到，往往會得不到正確的結(jié)論。

6LED照明技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)LED技術(shù)處于快速發(fā)展之中，但LED模塊和LED隧道燈具的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)參差不齊，給LED技術(shù)的推廣應(yīng)用造成諸多困惑。統(tǒng)一完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證該項技術(shù)健康發(fā)展的工作正在進行之中。

(2)交通部《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》

(JTJ026.1-1999)對LED照明技術(shù)還未制定具體標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，采用LED照明技術(shù)不得不套用相關(guān)高壓鈉燈，由此限制了其特點的有效發(fā)揮。修正完善相應(yīng)規(guī)范，促進該項技術(shù)合理使用的工作也在進行之中。

7工程試驗

7.1研究內(nèi)容

安徽省合銅黃高速公路黃榜嶺隧道左、右線單洞長均近500m。2007年8、9月，在黃榜嶺隧道左、右線單洞內(nèi)分別安裝了高壓鈉燈和LED燈進行對比試驗。

(1)分析研究國內(nèi)外照明技術(shù)，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，制定黃榜嶺隧道LED照明總體方案。

(2)分析計算隧道洞外亮度及各照明段功率密度，確定LED照明燈具功率、型式及布置等。

(3)根據(jù)LED光源特點，研究確定LED照明燈具導(dǎo)熱件、鋁基板、電路板、反射器等。

(4)分析研究光源照度實時控制系統(tǒng)、控制線路線損補償裝置，解決電路抗干擾問題。

(5)安裝調(diào)試、驗證對比試驗隧道的LED照明系統(tǒng)。測試效果、跟蹤運行，總結(jié)改進。

7.2研究結(jié)論

(1)左線LED燈滿負(fù)荷總功率49.3kW，年耗電費17萬元;右線高壓鈉燈相應(yīng)為115.7kW和53萬元。LED燈能耗較高壓鈉燈降低，年節(jié)電費36萬元。

(2)LED光線顯色指數(shù)較高壓鈉燈極大提高，夜間照明效果明顯提高。其對隧道照明設(shè)計亮度參數(shù)的影響值得進一步研究。

(3)LED燈具價格較高壓鈉燈高，但如在設(shè)計階段即采用LED系統(tǒng)，則其對供、配電設(shè)備的低功率要求可進一步對建設(shè)費用產(chǎn)生有利影響。

試驗項目對LED照明技術(shù)及光源實時控制技術(shù)的綜合應(yīng)用取得了積極的成果，為進一步在黃塔桃高速公路和六武高速公路上進行公路隧道LED節(jié)能照明系統(tǒng)建設(shè)奠定了基礎(chǔ)(圖2)。圖2黃塔桃高速公路中村南隧道LED照明系統(tǒng)

8結(jié)語

(1)LED照明技術(shù)應(yīng)用于公路隧道照明是一項科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳎笙到y(tǒng)把握該項技術(shù)特點，真正理解技術(shù)的節(jié)能所在，否則將得到“實用不節(jié)能”或“節(jié)能不節(jié)錢”的結(jié)果。

(2)借助既有研究成果和實踐經(jīng)驗，并通過進一步系統(tǒng)研究和解決LED照明技術(shù)中存在的關(guān)鍵問題，黃塔桃高速公路和六武高速公路得以全面開展以LED照明技術(shù)為核心的隧道照明系統(tǒng)建設(shè)，率先實現(xiàn)了這一隧道照明節(jié)能技術(shù)的大范圍應(yīng)用。

(3)隧道LED照明系統(tǒng)建設(shè)具有研究和開拓的特點，要求跨行業(yè)和多專業(yè)的合作、系統(tǒng)設(shè)計與產(chǎn)品生產(chǎn)的對應(yīng)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一以及相應(yīng)規(guī)范的完善。

(4)LED照明技術(shù)在安徽省合銅黃高速公路上的對比試驗和在黃塔桃高速公路和六武高速公路上的大范圍應(yīng)用，打開了公路隧道照明技術(shù)的新局面，在技術(shù)創(chuàng)新上表現(xiàn)出質(zhì)的突破，并使安徽省因此進入這一技術(shù)研究和應(yīng)用的先進行列。

劉海