公路隧道LED照明技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵問(wèn)題探討 (1)

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(lái)了公路隧道在規(guī)模和長(zhǎng)度上的快速增長(zhǎng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)公路隧道建設(shè)里程已突破2500km。與此同時(shí)，隧道運(yùn)營(yíng)能耗問(wèn)題，特別是隧道照明能耗問(wèn)題，已顯得越來(lái)越突出，對(duì)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(tuán)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(shuō)明問(wèn)題。

安徽省黃塔桃( 黃山至塔嶺和小賀至桃林) 高速公路是國(guó)家高速公路干線(xiàn)網(wǎng)中京臺(tái)( G3) 高速公路和杭瑞( G56) 高速公路的重要組成部分。路線(xiàn)全長(zhǎng)51. 3km。其中起點(diǎn)至小賀段長(zhǎng)17. 5km，為雙向6車(chē)道，設(shè)計(jì)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(zhǎng)18. 5km 和15. 3km，為雙向4 車(chē)道，設(shè)計(jì)速度80km/h，路基寬度24. 5m。

全線(xiàn)共設(shè)置15 處隧道，單洞全長(zhǎng)28. 3km，占全線(xiàn)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(fèi)約2. 1 萬(wàn)元，年耗電費(fèi)約7580 萬(wàn)元。

安徽省六武高速公路是國(guó)家新規(guī)劃的滬漢蓉高速公路( G42) 的重要路段。路線(xiàn)全長(zhǎng)90. 9km，為雙向4 車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速100km/h，路基寬度26m。

全線(xiàn)共設(shè)置8 處隧道，單洞全長(zhǎng)18. 4km，占全線(xiàn)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(fèi)約1. 7 萬(wàn)元，年耗電費(fèi)約6330 萬(wàn)元。

如何響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)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(yíng)運(yùn)急待解決的問(wèn)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(wú)極燈、LED 燈等。其中，高壓鈉燈和熒光燈基于氣體放電，無(wú)極燈基于氣體放電和高頻電磁感應(yīng)的結(jié)合，LED ( Light Emitting Diode) 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(guó)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(zhǎng)、維護(hù)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(diǎn)，是目前高速公路隧道照明強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。國(guó)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(chǎng)上的主流產(chǎn)品。本次調(diào)研和比選的結(jié)果限于該類(lèi)型燈具( 表1) 。

表1 燈具性能和技術(shù)指標(biāo)

2 LED 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(diǎn)通過(guò)“環(huán)境節(jié)能、模式節(jié)能、控制節(jié)能”三大環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

( 1) 控制內(nèi)外環(huán)境實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)性節(jié)能。一是洞外環(huán)境的把握，要求測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)洞外亮度，制定洞外減光措施，復(fù)核完工后的洞外亮度，進(jìn)行具針對(duì)性的照明設(shè)計(jì)和實(shí)施前的設(shè)計(jì)修正，切實(shí)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(yíng)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(shí)現(xiàn)功能與形式的完美結(jié)合。

( 2) 優(yōu)選照明模式實(shí)現(xiàn)核心層節(jié)能。包括照明光源的選擇( 高壓鈉燈、高頻無(wú)極燈、LED 燈等及其組合) 、照明方式的選擇( 隧道長(zhǎng)≤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(shí)現(xiàn)高端級(jí)節(jié)能。針對(duì)洞外亮度、洞內(nèi)交通量和行車(chē)速度對(duì)洞內(nèi)亮度的影響特點(diǎn)，洞內(nèi)照明控制系統(tǒng)擬由以洞外亮度為標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)級(jí)控制和以洞內(nèi)交通量和行車(chē)速度為標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)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(wú)級(jí)控制由0 ～ 5V 低壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)。0V 和5V 分別對(duì)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(cè)算通過(guò)“環(huán)境節(jié)能”和“模式節(jié)能”環(huán)節(jié)，可實(shí)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(fèi)用約377 萬(wàn)元。如再通過(guò)“控制節(jié)能”環(huán)節(jié)，可進(jìn)一步降低照明能耗。

3 LED 照明燈具的實(shí)用性

使LED 燈具在適當(dāng)密度下的照度滿(mǎn)足隧道各段，尤其是加強(qiáng)段亮度要求，在應(yīng)用中受到重點(diǎn)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(shí)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(guò)80Ra。在實(shí)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(duì)值1. 6 的高壓鈉燈比較，顯色指數(shù)80Ra，照度相對(duì)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。

4 LED 照明燈具的可靠性

LED 燈具在公路隧道照明中還處于試驗(yàn)階段，市場(chǎng)上無(wú)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(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果表明，針對(duì)LED技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)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L(zhǎng)ED 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(shí)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(shí)施檢測(cè)( 圖1) 。

圖1 LED 照明技術(shù)核心———LED 模塊

( 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(qiáng)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L(fǎng)ED 模塊50000h 光衰< 30% 為基礎(chǔ)，但同時(shí)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”。

5 LED 照明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

仍以黃塔桃高速公路為例，初步測(cè)算工程總計(jì)需安裝LED 燈具總計(jì)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(jì)的鈉燈照明系統(tǒng)相比，計(jì)如供配電設(shè)施的綜合建設(shè)費(fèi)用分別為7685 萬(wàn)元和7357 萬(wàn)元，一次性投入增加4. 6%，計(jì)328 萬(wàn)元。

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

( 1) LED 燈具價(jià)格較高，增加了系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)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(fèi)用。

( 2) LED 燈具在功耗和壽命上的優(yōu)勢(shì)，極大地降低了營(yíng)運(yùn)期間的耗電費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。與系統(tǒng)實(shí)施后每年直接節(jié)省用電費(fèi)用約377 萬(wàn)元相比，一次性投入增加328 萬(wàn)元是值得的。

( 3) LED 模塊發(fā)光效率在不斷地提高，建設(shè)費(fèi)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(jì)是LED 照明系統(tǒng)體現(xiàn)節(jié)能優(yōu)勢(shì)并具備經(jīng)濟(jì)價(jià)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(tái)。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(hù)系數(shù)、使用壽命等方面的優(yōu)勢(shì)逐步積累，形成系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。對(duì)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(huì)得不到正確的結(jié)論。

6 LED 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(xiàng)技術(shù)健康發(fā)展的工作正在進(jìn)行之中。

( 2) 交通部《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》

( JTJ 026. 1 - 1999) 對(duì)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(diǎn)的有效發(fā)揮。修正完善相應(yīng)規(guī)范，促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)合理使用的工作也在進(jìn)行之中。

7 工程試驗(yàn)

7. 1 研究?jī)?nèi)容

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

( 1) 分析研究國(guó)內(nèi)外照明技術(shù)，結(jié)合國(guó)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(jì)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(diǎn)，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(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、控制線(xiàn)路線(xiàn)損補(bǔ)償裝置，解決電路抗干擾問(wèn)題。

( 5) 安裝調(diào)試、驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)隧道的LED 照明系統(tǒng)。測(cè)試效果、跟蹤運(yùn)行，總結(jié)改進(jìn)。

　　7. 2 研究結(jié)論

( 1) 左線(xiàn)LED 燈滿(mǎn)負(fù)荷總功率49. 3kW，年耗電費(fèi)17 萬(wàn)元; 右線(xiàn)高壓鈉燈相應(yīng)為115. 7kW 和53 萬(wàn)元。LED 燈能耗較高壓鈉燈降低，年節(jié)電費(fèi)36 萬(wàn)元。

( 2) LED 光線(xiàn)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(duì)隧道照明設(shè)計(jì)亮度參數(shù)的影響值得進(jìn)一步研究。

( 3) LED 燈具價(jià)格較高壓鈉燈高，但如在設(shè)計(jì)階段即采用LED 系統(tǒng)，則其對(duì)供、配電設(shè)備的低功率要求可進(jìn)一步對(duì)建設(shè)費(fèi)用產(chǎn)生有利影響。

試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)LED 照明技術(shù)及光源實(shí)時(shí)控制技術(shù)的綜合應(yīng)用取得了積極的成果，為進(jìn)一步在黃塔桃高速公路和六武高速公路上進(jìn)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(yǔ)

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

( 2) 借助既有研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)進(jìn)一步系統(tǒng)研究和解決LED 照明技術(shù)中存在的關(guān)鍵問(wèn)題，黃塔桃高速公路和六武高速公路得以全面開(kāi)展以L(fǎng)ED 照明技術(shù)為核心的隧道照明系統(tǒng)建設(shè)，率先實(shí)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(kāi)拓的特點(diǎn)，要求跨行業(yè)和多專(zhuān)業(yè)的合作、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品生產(chǎn)的對(duì)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(duì)比試驗(yàn)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(kāi)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(jìn)入這一技術(shù)研究和應(yīng)用的先進(jìn)行列。

妮子