LED光源在隧道照明中的应用及节能分析

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LED光源在隧道照明中的应用及节能分析

于　娜1，丁伟智2

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京　100082；2.交通运输部公路科学研究院，北京　100088)

摘　要：为了满足近几年来隧道建设的迅速发展，LED灯具逐步突显其在隧道照明中的应用优势。设计隧道为分段长隧道，结合其洞口形式、行车速度、洞口方向、连续隧道亮度折减等特点，确定隧道照明亮度设计标准后，应用LED灯对隧道进行照明设计，计算并图示分析了采用LED光源的灯具选择及布置方式。同时利用LED光源的特点，采用无级控制系统对隧道照明进行调光控制。在对LED灯与高压钠灯进行比较分析后可以看出，LED光源用于隧道照明虽然初始投资比较高，但是在运营维护频次及用电费用方面都低于传统高压钠灯。从长远角度来看，LED照明是一种非常节能的绿色照明，且在照明控制方式上能够实现无级控制，充分体现了LED照明的优点和应用于公路隧道的优势，为解决隧道照明提供了一种全新的思路。

关键词：隧道照明；LED灯；高压钠灯；控制方式；节能

引言

公路隧道是公路结构中的暗线构造物，与洞外明亮的道路不同。白天车辆驶入洞内，由于亮度骤降，人的视觉反应滞后形成“黑洞效应”，很难辨别洞内情况；而车辆驶出隧道时，形成了“白洞效应”，造成强烈眩光。夜间的情况和白天正好相反。由于洞内外亮度差异大，进入或驶出隧道时，人眼需要适应时间，即产生“适应的滞后现象”。公路隧道照明就是为了创造洞内良好的工作视觉环境质量，让司机能清楚地辨认洞内路面上的目标或物体，消除视觉和心理障碍，确保在白天和夜间行驶的车辆以设计速度安全地接近并穿越隧道[1-2]。公路隧道一旦投入使用, 照明系统几乎就处于长期点亮状态，因此照明系统是隧道机电工程中重要的设施之一，也是整个隧道机电工程投资很大的一个系统，而且运营成本较高。公路隧道照明与一般道路照明要求不同，隧道白天也需要照明，而且白天照明问题比夜间更加复杂。公路隧道照明质量的好坏与隧道灯具直接相关。为了满足公路隧道运营的要求，隧道灯具应适应公路隧道使用特点，节约能源，提高照明效果，保证行车安全性、舒适性，能有效地进行营运管理。目前公路隧道照明灯具主要采用高压钠灯和LED灯[3]。高压钠灯最为常用，它光效高，但高压钠灯输出光通量随电压波动变化最大，平均寿命较低，灯具维修更换频次较高。而LED 灯具是一种绿色光源，它是功耗低、寿命长、抗振动、无辐射的节能环保型光源[4-6]。

1　LED隧道照明的应用

1.1　隧道概况

设计隧道为南北走向，隧道内行车速度80km/h。设计隧道分为5段，各隧道均采用上、下行分离独立双洞的平面布设形式，双向6车道，沥青路面。设计高峰小时交通量为：2028年624[veh/(h·ln)]，2038年770[veh/(h·ln)]。各段隧道参数详见表1。

表1　隧道参数一览表

Table 1　Parameter list of the tunnel

隧道编号线位入口洞口形式入口纵坡/%隧道洞口朝向长度/m分类1左线端墙-2.4250西北———东南3486特长隧道右线削竹2.4200东南———西北3487特长隧道2左线端墙-1.8000北———西南2960长隧道右线端墙1.7840西南———北3169特长隧道3左线端墙-2.5600西北———东南2275长隧道右线端墙2.5700东南———西北2263长隧道4左线削竹-2.5600西北———东南5696特长隧道右线端墙2.5700东南———西北5818特长隧道5左线端墙1.0000东北———东南1775.4长隧道右线端墙-1.3000东南———东北1943长隧道总计————32872.40—

1.2　隧道照明亮度设计标准

依据《公路隧道照明设计细则》(JTG/TD70/2-01—2014)中表4.2.1的洞外亮度取值和条文说明中的洞外亮度实测值，设计隧道端墙式洞门隧道洞外亮度取3000cd/m2, 削竹式洞门隧道洞外亮度取2500cd/m2。因洞外亮度直接影响到隧道照明的投资及今后的运营成本，故隧道洞外亮度值的合理确定需要待隧道洞口工程完工后，通过现场实测，若实测值与设计取值的误差超出-25%~+25%时，应调整照明系统设计。各段隧道照明设计亮度见表2。

为保障运营安全、减少初期投资、降低运营能耗，本工程隧道照明设计分期按10年划分，表2列出了2028年、2038年的照明设计亮度标准，通过对两个年份的入口段、过渡段、中间段、出口段亮度值的比较，此次照明设计按2028年的亮度标准进行设计，到2038年时只要对入口段、过渡段的照明做局部调整就能满足交通量的增加对隧道照明的要求。

设计隧道为五段连续隧道，根据《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)的4.1.5条，当两座隧道间的距离小于333m，且前一座隧道的长度大于667m时，后续隧道入口亮度应进行折减。计算得出，第三段隧道的左线入口和第四段隧道的右线入口均应按照20%折减率进行折减，两处洞口均为端墙式洞口，折减后的入口段及过渡段照明设计亮度见表3。

表2　隧道照明设计亮度标准

Table 2　The design brightness standard of tunnel lighting

隧道区段设计亮度/(cd/m2)2028年2038年端墙式洞口入口段18490入口段24245过渡段112.613.5过渡段24.24.5基本段2.52.5出口段17.57.5出口段212.512.5洞外引道照明1.01.0削竹式洞口入口段17075入口段23537.5过渡段110.511.25过渡段23.53.75基本段2.52.5出口段17.57.5出口段212.512.5洞外引道照明1.01.0车行横洞22人行横洞22

表3　折减洞口照明设计亮度标准

Table 3　The lighting design brightness standard

of reduction hole

区段设计亮度/(cd/m2)入口段167.2入口段233.6过渡段110.1过渡段23.4

根据《公路隧道照明设计细则》6.1.3条，按照设计隧道80km/h的行车速度，超过3km的隧道中间段照明分为两段，中间段第一照明段亮度为Lin，长度为667m； 中间段第二照明段亮度为Lin×80%，长度为余下的中间段长度。

1.3　灯具布置设计方案

根据《公路隧道照明设计细则》6.2.2和6.2.3要求：路面亮度总均匀度U0≥0.335,路面中线亮度纵向均匀度U1≥0.535。

表4　照明布置形式比较表

Table 4　The comparison table of lighting arrangement

照明布置形式灯具间距/m路面亮度总均匀度U0路面中线亮度纵向均匀度U1两侧交错布置100.760.87中线侧偏布置80.340.22

通过表4中可以看出：两侧交错布置的路面亮度总均匀度U0与路面中线亮度纵向均匀度U1均比中线侧偏布置高，且能够满足规范要求，所以本工程灯具布置形式采用两侧交错布置，为满足闪烁频率≤2.5Hz或≥15Hz，照明灯具布置间距为10m。表5为采用LED光源进行隧道照明的布置情况。其中，中间段为基本照明灯具，其余各段均为加强照明灯具。

表5　LED灯具布置一览表

Table 5　List of LED lights arrangement

隧道编号入口段1入口段2过渡段1过渡段2中间段1中间段2出口段1出口段21左线240W×7240W×4210W×150W×160W50W60W×260W×4右线210W×7210W×4180W×150W×160W50W60W×260W×42左线240W×7240W×4210W×150W×160W—60W×260W×4右线240W×7240W×4210W×150W×160W50W60W×260W×43左线210W×7210W×4180W×150W×160W—60W×260W×4右线240W×7240W×4210W×150W×160W—60W×260W×44左线210W×7210W×4180W×150W×160W50W60W×260W×4右线210W×7210W×4180W×150W×160W50W60W×260W×45左线240W×7240W×4210W×150W×160W—60W×260W×4右线240W×7240W×4210W×150W×160W—60W×260W×4

根据《公路隧道照明设计细则》9.2.1条，LED光源用于隧道基本照明时，亮度可按标准亮度的50%取值，基本照明可以采用30W的LED灯。

以隧道1右线照明为例，灯具平面布置如图1所示。

隧道内部分基本照明灯具兼作应急照明灯具。当日常的照明电源出现故障或者停电时，利用不间断应急电源为照明系统的应急灯具供电。

1.4　隧道照明无级控制系统

图1　灯具平面布置图
Fig.1　The plane arrangement drawing of lamps

图2　隧道照明智能无级控制系统框图
Fig.2　Non-polar control system diagram of tunnel lighting

本文设计的隧道照明控制方式采用无级控制，隧道照明无级控制系统框图如图2所示。它将隧道照明只分为基本照明和加强照明两个回路。其工作原理为系统的洞外亮度检测装置、洞内交通量、车速检测装置将检测到的隧道洞外亮度信号、交通量信号、车速信号经数据处理后的控制信号传送至LED亮度无级调光控制节点上，再经过数据处理后输出0~5V的直流模拟信号，去控制LED灯上的电压控制电流源。电压控制电流源的控制端电压的变化会使其输出电流平均值随之变化，而输出电流的变化，又会引起LED输出的光通量发生变化，从而达到控制被照场所亮度的目的。

隧道加强照明灯具早晨开启和晚上关闭的时间以及灯具开启后的亮度调节均由控制装置进行控制。控制系统根据不同季节、洞外亮度和交通量变化等数据，控制洞内灯具的功率输出。

基本照明根据交通量调光，在夜间当交通量N≤350[veh/(h·ln)]时，可只开启应急照明灯。

隧道应急照明灯具平时兼作基本照明，正常情况下与基本照明同步调光。

2　采用高压钠灯的隧道照明设计

2.1　灯具布置设计方案

根据前文所述的隧道照明设计标准，采用高压钠灯进行隧道照明设计时，灯具布置如表6所示。

由于高压钠灯光源功率的限制，中间段2与中间段1在灯具选择上没有差别，进而不能体现出80%的亮度差异。

表6　高压钠灯灯具布置一览表

Table 6　List of HPS arrangement

隧道编号入口段1入口段2过渡段1过渡段2中间段1中间段2出口段1出口段21左线400W×4400W×2150W×170W×170W70W100W×1100W×2右线250W×5250W×3150W×170W×170W70W100W×1100W×22左线400W×4400W×2150W×170W×170W—100W×1100W×2右线400W×4400W×2150W×170W×170W70W100W×1100W×23左线250W×5250W×3150W×170W×170W—100W×1100W×2右线400W×4400W×2150W×170W×170W—100W×1100W×24左线250W×5250W×3150W×170W×170W70W100W×1100W×2右线250W×5250W×3150W×170W×170W70W100W×1100W×25左线400W×4400W×2150W×170W×170W—100W×1100W×2右线400W×4400W×2150W×170W×170W—100W×1100W×2

2.2　隧道照明控制系统

采用高压钠灯进行隧道照明时，照明控制方式一般采用分级控制，即白天、黄昏、夜间和下半夜分为四级控制，其照明组合方式如下：

第一级：白天，所有灯全开；

第二级：黄昏，开启基本灯、应急灯、部分加强灯；

第三级：夜间，开启基本灯、应急灯；

第四级：下半夜，开启基本灯的一半和应急灯。

照明控制系统应具备在正常条件下和特殊条件下的照明控制功能。正常条件下照明控制分为远端手动、远端自动控制；特殊条件下照明控制分本地手动控制、本地自动控制。本着以自动控制为主，手动控制为辅进行控制。

3　LED灯与高压钠灯的比较

3.1　两种光源的性能比较

隧道照明光源目前使用较多的是LED灯和高压钠灯，两种光源的性能比较见表7。LED灯透雾性较好，易于调光，同时调光不会影响其寿命和光效，从而在不减少隧道照明纵向均匀度的前提下，降低灯具的光通量，使灯具的输入功率减少，达到节能的目的。

表7　隧道照明光源的比较

Table 7　Comparison of tunnel lighting

光源种类高压钠灯LED灯光效/(lm/W)100100显色性Ra25~6070~90色温/K2000(黄色)2500~7200(暖白~日光色)透雾性好较好寿命/h1200050000光衰10%~30%30000小时内≤8%价位低较高

3.2　两种光源的经济性比较

3.2.1　灯具购置费用

设计隧道分别采用两种光源的灯具费用如表8所示。

3.2.2　灯具维护费用

LED光源隧道照明灯由于采用LED发光管作为光源，依据现行 LED 灯相关资料，LED 灯光通量衰减至70%使用寿命为(5万~10万)h，本次计算按 5 万h考虑，高压钠灯使用寿命为1.2 万h。LED灯和高压钠灯的灯具寿命均为10年，10年内只需要更换光源，即LED灯更换模组，高压钠灯更换灯泡。基本照明灯具按每天使用 20 h 考虑，加强照明灯具按每天使用10 h 考虑。

表8　灯具费用

Table 8　Lighting costs

序号高压钠灯LED灯规格/W数量/套单价/元总价/万元规格/W数量/套单价/元总价/万元14003601500542405284100216.52250256140035.82104363800165.73150140120016.818056350019.641001801000186032741200392.95706740900606.65038441000384.4总计———731.2———1179.1

以10年为计算周期，考虑更换光源及人工费用，LED灯和高压钠灯的灯具维护费用见表9。

表9　灯具维护费用

Table 9　Lighting maintenance costs

灯具高压钠灯LED灯基本照明(10年6次)加强照明(10年3次)基本照明(10年1次)加强照明(10年0次)灯具维护费用/万元354.333.9389.20

3.2.3　用电费用

基本照明灯具按每天使用 20 h 考虑，加强照明灯具按每天使用10 h 考虑；电费按 0.7元/度考虑，可以计算得出表9中运行10年高压钠灯和LED灯的用电费用。

3.2.4　照明费用比较分析

通过对隧道使用LED灯和高压钠灯两种光源的灯具购置费用、灯具维护费用和用电费用的比较，以10年为计算周期，可以得到表10的隧道照明费用对比表。

通过表10可以看出, 目前LED 隧道专用灯具的初始投资虽然高于高压钠灯，但是由于LED 的用电费用及灯具维护频次用大大低于高压钠灯，并且随着LED 灯具的产业化，其生产成本将大幅度降低，所以LED 灯具在隧道照明中的优势将会得到进一步显现，届时将会产生非常可观的经济效益和社会效益。

表10　隧道照明费用对比表

Table 10　Comparison table of tunnel lighting cost

对比项目高压钠灯LED灯灯具购置费用/万元731.21179.1灯具维护费用/万元388.2389.2用电费用/万元3009.82406.4总费用/万元4129.23974.7节省费用/万元154.5

4　结论

公路隧道的行车安全问题是公路中交通安全的重要环节，公路隧道必须设置照明系统。通过合理的照明，把必要的视觉信息传递给驾驶员，并且让驾驶员在隧道行驶过程中感觉安全舒适。

因此对隧道照明系统来说，首先要满足的是交通安全，其次是优化节能。通过前文的分析可以得出，使用LED光源进行隧道照明既能达到满足交通安全的亮度，又能节约能源。

隧道照明采用LED光源，还可以对照明亮度进行智能无级控制，可根据洞外亮度和车流量等因数及时调整灯具亮度，实现按需照明。并且灯具的工作温度绝大部分时间都处在一个较低的水平，工作温度的降低，不仅可大幅减小LED的光衰，还延长了LED和电源的寿命。这些都可以降低公路隧道照明能耗，节约运营费用，为实现国民经济的可持续发展，保护环境提供较为可行的方法。

参考文献

[1] 公路隧道照明设计细则：JTG/T D70/2-01—2014[S]. 重庆：人民交通出版社，2014.

[2] 公路隧道设计规范(第二册)交通工程与附属设施：JTG/T D70/2—2014[S]. 重庆：人民交通出版社，2014.

[3] 郗锋. LED 照明灯具在公路隧道中的应用研究[J]. 陕西公路，2011(7)：167-171.

[4] 史玲娜，涂耕，王小军. 新旧规范对比下的隧道照明节能设计研究[J]. 照明工程学报，2015，26(1)：50-54.

[5] 张玲，郝翠霞. LED隧道照明控制系统的研究与开发[J].照明工程学报，2011，22(4):36-40.

[6] 杨超，王志伟. LED在隧道照明工程中的应用研究[J]. 照明工程学报，2011，22(2)：60-66.

Application and Energy-saving Analysis of LED Light Source

Used in the Tunnel Lighting

Yu Na1，Ding Weizhi2

(1.Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd., Beijing 100082，China;

2.Research Institute of Highway Ministry of Transport, Beijing 100088，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

中图分类号：TM923

文献标识码：A　　

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