高速公路隧道照明与节能方案探析

高速公路隧道照明与节能方案探析

张柯勋

中国水利水电第十四工程局有限公司云南昆明650500

摘要：LED光源是一种长寿且节能的新型半导体材料光源，其有关技术还有待开发，未来LED光源在照明系统中的应用将可能有效缓解我们正遇到的能源紧缺问题。LED在隧道照明中的应用具有一定的优势，但由于其技术还不成熟，仍旧存在很多问题，只有根据使用中遇到的问题，并对这些问题进行研究并解决，才能使LED光源在隧道照明中的应用更加成熟。

关键词：高速公路；隧道照明；节能方案

引言

随着我国高速公路隧道里程的不断增加，隧道照明耗能已成为目前隧道运营的重要考核指标。现阶段，我国绝大部分高速公路隧道照明仍然采用高压钠灯作为主照明灯具，由于高压钠灯的显色指数低、寿命较短，且耗电量打，无法根据隧道内的实际亮度需求进行调光照明；在确保隧道内安全照明亮度的情况下，LED灯具可根据隧道内的实际需求亮度进行调节，自动控制隧道内的照明亮度，达到最优照明与节能效果。

1高速公路隧道的交通特点

山区高速公路隧道除了具有一般公路隧道的交通特点外，还有其自身特殊之处：（1）山区自然环境条件较差，如雨雾多、降水多、冬季路面结冰、天气变幻无常等，对公路隧道交通安全极为不利；（2）山区地形地势险要、地质条件复杂，公路隧道内一旦发生交通事故，应急救援行动往往不能得到有效发挥；（3）公路隧道群区段隧道密集、隧道间距短、距离互通式立交远等特殊结构和道路条件，使得公路隧道内各种意外事故的发生频率以及所需的救援力量随之增加；（4）山区高速公路一般线路较长且桥隧比例较高，形成了公路隧道群、“桥－隧－桥”及“隧－桥－隧”、隧道与长大纵坡结合等线路形式，不利于公路隧道的运营管理。

更为显著的是，山区高速公路运营初期交通量相对较小。这是因为：新建高速公路的交通量一般由趋势增长交通量、转移交通量和诱增交通量等3部分组成，转移和诱增交通量往往在高速公路全线通车后2~3年才逐渐出现，通车初期仅有趋势增长交通量，交通量相对较小，而且由于我国高速公路前期可行性研究阶段交通量预测精度不够准确，通车初期实际运营交通量普遍小于预测交通量，并且误差较大。由于实际交通量远小于道路通行能力，车流密度较小，车辆间的相互干扰较低，因此，刚刚开通运营的山区高速公路交通流属于高速度低密度交通流，车辆处于自由流行驶状态。以一日的各时段观察交通量，会发现很多时间段内无车通行隧道。山区高速公路运营初期交通量相对较小的实际情况为研究山区高速公路隧道的特殊照明需求留下了空间。

2隧道夜间照明基础

2.1照明灯具

早期隧道照明设计中最常用的灯具是高压钠灯，高压钠灯有造价低、透雾能力强的优势。近年来，LED灯逐渐取代高压钠灯，LED灯具有发光效率高、显色性好、寿命长的优点，另外，LED灯能够通过PWM等方式实现光通量的无级输出。

2.2照明控制方式

目前隧道照明的控制主要有三种方式，即智能控制、手动控制与应急控制。

2.2.1智能控制

当隧道正常运营时，可采用智能控制对隧道内照明亮度进行实时控制。当采用LED灯具时，由于具有调光功能，智能控制可以根据需求采集洞外亮度数据、车辆在隧道内的车速以及车流量数据车流量，采用相关控制算法计算出隧道内各照明段的亮度值，通过现场控制系统实现对隧道内亮度的智能控制。

2.2.2手动控制

当隧道运营出现某些特殊情况，需要人为决策控制时，可采用手动控制对隧道内照明亮度实施控制。隧道现场管理人员根据隧道的实际情况，对隧道照明进行控制与调节。

2.2.3应急控制

当隧道突发停电或需要断电对设备进行检修时，可采用应急控制实现对隧道内照明的控制。隧道管理人员人员根据具体情况设定整条隧道为统一的照明亮度，保证应急情况下隧道中的各照明段亮度达到要求。

2LED光源在隧道照明中的应用及节能优势

2.1配光

隧道照明系统一般对光源照射的均匀度具有较高要求，且对灯具进行安装的高度一般控制在5~6米，如果采用高压钠灯，其功率很大，靠灯具的配光达到要求有一定的难度，所以，如今隧道中大多采用荧光灯光源进行照明，但荧光灯作为一种360度发光的线性光源，其具有合理配光的技术瓶颈，LED光源的功率较小，可以对其从照射方向、颗粒排列以及发射角等方面进行配光调节，从而满足隧道照明系统的需要。

2.2光源光效

光效是评价一种光源是否节能的基本参数，上一点已经说明高压钠灯是高光效光源，所以LED光源光效的主要竞争对手是光效相对较弱的荧光灯，LED光源光效的发展非常快，即使考虑使用中的折减，现如今的LED光源光效也要比荧光灯光效大。

2.3灯具效率

隧道中使用的荧光灯光源灯具效率普遍较低，通常情况下荧光灯的使用效率为55%~65%，其原因是荧光灯360度发光面积，外加光源自身对反射光的遮挡和反射及折射会形成不同程度的折损，除此之外，灯具的维护系数在考虑到光源腔的防护等级以及透明罩老化等原因的情况下，只有0.6左右。而LED光源是由很多小功率的点光源组成，通常是改变点光源的位置以及方向和发射角来对其进行配光处理的，更换光源不需要打开光源腔，这样就会形成很好的密封性，所以，灯具的使用效率很高能达到75%~85%，维护系数也能达到0.75左右，所以相对与荧光灯，LED光源灯具的效率更高。

2.4调光节能

LED光源是一种直流驱动，并且具有快速响应的光源，其响应时间仅为纳秒，芯片驱动电流在一定的范围内都能够有效发光，通过对正向电压、脉冲电流等的调节能够大范围的实现调光节能。虽然荧光灯的荧光灯的调光节能技术与前些年相比已经有了很大程度的提高，发展也算得上快速，但是与LED灯相比，荧光灯的调光节能技术仍旧不够理想。

2.5节能

以上分析可以明显看出隧道照明系统中LED灯要比荧光灯节能的结论，虽然这两者之间无法进行确切的比较，但是采用类比的方法使用计算机进行数据分析，对两种光源灯的功率能够进行简单的计算并得出LED灯节电为百分之三十多。为了得到更详细的数据，有关课题小组根据荧光灯光源和LED光源的设计方案，用相关软件对这两种方案进行了分析并计算，综合考虑多方面因素进行分析并修正，得到LED光源比荧光灯光源节能率在30%左右的结果。

2.6寿命

这几年LED光源技术水平快速发展，大功率的LED光源寿命得到大幅度提高，虽然还远达不到一般厂家宣传的寿命之长，但是根据有关隧道照明数据显示，在使用5000个小时以后，LED灯在隧道中的路面照射度下降16.5%，单看表面显得这个数据很大，但考虑到多种因素影响，比如：灯具的老化、光源光衰或者墙面变脏等，通常情况下LED灯可以使用6000个小时，比起其他光源，这已经算是寿命很长了。

3高速公路隧道照明注意问题

3.1驱动问题

隧道照明中通常要根据洞内交通量以及洞外亮度等各种因素对灯具的亮度进行调控，从而达到节能的作用，因此，隧道内LED灯具的有关驱动电源要能够接收到调光控制信号，并且根据需要调节输出相关电流，但是由于LED灯的正向伏安特性较为陡，所以，按需要对其供电有点困难，白光LED工作电压产生较小的波动就会使工作电流产生巨大的变化，这会严重影响到光源的寿命、光通量以及光线等等，从而影响正常使用。就是因为这些原因，为了保证LED灯能够正常可靠的工作，只能采用可控的恒流源对LED光源进行驱动。目前使用的驱动电源功率因数普遍较低，导致电能的有效利用率较低。

3.2配光问题

虽然相对于其他光源LED光源的配光技术具有一定优势，但是在实际使用中，LED的配光技术还不够成熟，有关于LED灯具的国家使用标准也没有制定，中大功率的LED灯具二次光学设计也不够细致，所以，LED技术在照明领域的优势还有很大提升的空间。

3.3散热问题

当前LED灯具使用的一个难以突破的瓶颈就是散热问题，属于半导体的LED灯具在温度升高以后会导致器件各方面性能的变化以及衰减，这种性能变化主要体现在三个方面：LED光的输出减少，LED灯具寿命缩短，LED主波位置发生偏移导致光源颜色发生偏移。这些都是隧道中使用LED光源的重要指标，所以，LED散热问题的存在导致隧道灯具使用效果不佳，使用寿命不长。

3.4中间视觉

锥状感光细胞以及杆状感光细胞是人眼存在的两种光感受细胞，人眼的视觉可根据亮度的变化分为三种视觉，一种是明视觉，一种是暗视觉，还有一种是中间视觉。所谓中间视觉，就是在锥状感光细胞以及杆状感光细胞共同作用，这便使得中间视觉特性比在明视觉或者是暗视觉这两种视觉情况特性复杂。隧道照明的条件就符合中间视觉的研究范围，LED隧道光源在中间视觉状态下显示出来的优势还有待研究。

结束语

文章对现阶段隧道内照明灯具的种类及应用情况优缺点、隧道内各照明段的亮度设计标准以及隧道照明的控制方式进行了详细介绍，介绍了LED灯具在高速公路隧道内的应用。

参考文献：

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[4]郑军.高速公路隧道LED照明智能控制与节能优化研究[D].北京交通大学，2014.