公路隧道LED照明技术应用关键问题探讨

　　摘要： 山区高速公路隧道数量多，占路线比例大，照明能耗问题突出。如何在隧道照明方面限度地节能，是建设和营运中急待解决的问题。LED 照明技术具有能效高、寿命长、绿色环保的特点，在实用性、可靠性、经济性和相关技术标准上存在问题也逐步得到解决，系统地用于环境节能、模式节能和控制节能中，逐步显示出优势。理论分析和对比试验表明，LED 灯能耗较高压钠灯降低一半以上。这些为山区高速公路隧道大范围使用LED 照明技术创造了有利条件。

　　公路建设的发展，特别是山区高速公路建设的发展，带来了公路隧道在规模和长度上的快速增长。据不完全统计，目前我国公路隧道建设里程已突破2500km。与此同时，隧道运营能耗问题，特别是隧道照明能耗问题，已显得越来越突出，对构建安全和和谐交通环境构成严重影响。

　　以安徽省交通投资集团有限责任公司下属黄塔桃高速公路和六武高速公路为例，即可充分说明问题。

　　安徽省黄塔桃（ 黄山至塔岭和小贺至桃林） 高速公路是国家高速公路干线网中京台（ G3） 高速公路和杭瑞（ G56） 高速公路的重要组成部分。路线全长51. 3km。其中起点至小贺段长17. 5km，为双向6车道，设计速度100km/h，路基宽度33. 5m; 小贺至桃林和小贺至塔岭两段分别长18. 5km 和15. 3km，为双向4 车道，设计速度80km/h，路基宽度24. 5m。

　　全线共设置15 处隧道，单洞全长28. 3km，占全线的27. 6%。如采用高压钠照明系统，隧道照明灯具总功率达2076kW，日耗电费约2. 1 万元，年耗电费约7580 万元。

　　安徽省六武高速公路是国家新规划的沪汉蓉高速公路（ G42） 的重要路段。路线全长90. 9km，为双向4 车道，设计车速100km/h，路基宽度26m。

　　全线共设置8 处隧道，单洞全长18. 4km，占全线的10. 1%。如采用高压钠照明系统，隧道照明灯具总功率达1734kW，日耗电费约1. 7 万元，年耗电费约6330 万元。

　　如何响应国家节能减排的号召，在隧道照明方面限度地节能，是山区高速公路建设和营运急待解决的问题。

　　1 隧道节能照明方式

　　目前，隧道照明可采用的灯具有高压钠灯、荧光灯、高频无极灯、LED 灯等。其中，高压钠灯和荧光灯基于气体放电，无极灯基于气体放电和高频电磁感应的结合，LED （ Light Emitting Diode） 即半导体发光二极管基于注入式电致发光。

　　高压钠灯是我国目前高速公路隧道照明主要采用的灯具。但新型LED 灯具有高效节能、使用寿命长、维护方便、工作电压范围宽、工作温度低、绿色环保等显着优点，是目前高速公路隧道照明强有力的竞争产品。国际上单芯片大功率白光LED 在技术和标准上发展较为成熟，以其为光源的灯具是市场上的主流产品。本次调研和比选的结果限于该类型灯具（ 表1） 。

表1 灯具性能和技术指标

　　2 LED 节能照明集成技术

　　公路隧道照明节能技术应体现出集成性和原创性，重点通过“环境节能、模式节能、控制节能”三大环节实现。

　　（ 1） 控制内外环境实现基础性节能。一是洞外环境的把握，要求测定现场洞外亮度，制定洞外减光措施，复核完工后的洞外亮度，进行具针对性的照明设计和实施前的设计修正，切实控制隧道照明节能上的洞外环节。二是洞内环境的营造，要求结合洞内装饰，以分段的方式采在洞内涂料上采用高反光材料、自发光材料等，实现功能与形式的完美结合。

　　（ 2） 优选照明模式实现层节能。包括照明光源的选择（ 高压钠灯、高频无极灯、LED 灯等及其组合） 、照明方式的选择（ 隧道长≤100m、≤300m、≤1000m、＞ 1000m 条件下， “不设照明、诱导照明、标准照明”等的论证） 、照明参数的选择。

　　（ 3） 建立控制系统实现高端级节能。针对洞外亮度、洞内交通量和行车速度对洞内亮度的影响特点，洞内照明控制系统拟由以洞外亮度为标准的无级控制和以洞内交通量和行车速度为标准的分级控制组成。

　　根据在控制系统与LED 照明技术的结合上取得的突破性研究成果，以洞外亮度为标准的无级控制由0 ～ 5V 低压信号实现。0V 和5V 分别对应灯具和功率，即灯具的和照度。白天，初始系统控制电压设至5V，置灯具在功率状态下。此后，系统控制电压随洞外亮度的增大或降低而相应降低或增大，控制灯具照度和洞内亮度的增大或降低。直至转换为夜间照明模式。

　　以黄塔桃高速公路为例，初步测算通过“环境节能”和“模式节能”环节，可实现隧道照明节能约50%。用电功率降至1044kW 减少1032kW，每年节省用电费用约377 万元。如再通过“控制节能”环节，可进一步降低照明能耗。

　　3 LED 照明灯具的实用性

　　使LED 灯具在适当密度下的照度满足隧道各段，尤其是加强段亮度要求，在应用中受到重点关注。其中，LED 的发光效率起到关键作用。

　　（ 1） LED 技术近年快速发展，商业产品发光效率不断提高，已达100 ～ 140Lm/W，基本突破大功率、高照度与小体积之间的实用技术瓶颈。

　　（ 2） LED 灯具采用白色LED 为光源，显色指数超过80Ra。在实用中，较低亮度可达到显色指数低的光源的同样照明效果，即等效亮度。如与显色指数60Ra，照度相对值1. 6 的高压钠灯比较，显色指数80Ra，照度相对值1. 41 的LED 灯采用的亮度标准可为其的1. 41 /1. 6 = 0. 88 倍。

　　4 LED 照明灯具的可靠性

　　LED 灯具在公路隧道照明中还处于试验阶段，市场上无统一的定型产品，在型式、组织、结构、标准上参差不齐。调研和实验的初步结果表明，针对LED技术特点，对公路隧道LED 灯具的质量和结构提出控制要求是十分必要的。

　　（ 1） LED 模块品质的可靠性。两种情况下认为LED 模块品质不可靠，一是在正常工作环境下LED模块突然失效，二是在正常工作环境下LED 模块短时间内严重光衰。要求控制货源以保证质量，制定标准并实施检测（ 图1） 。

图1 LED 照明技术———LED 模块

　　（ 2） LED 灯具回路的可靠性。LED 模块组合方式有串联、并联和串并联三种，要求以恒流源供电的串联电路为基础，辅助以并联断路导通技术，以保证LED 灯具各回路的可靠性。

　　（ 3） LED 灯具散热的有效性。LED 灯具良好的散热可为模块提供持续稳定的工作环境，在防止LED模块工作性光衰，控制LED 模块寿命性光衰上起关键作用。由此要求LED 灯具应注意“优化结构，加强散热，保持低温”。

　　（ 4） LED 灯具寿命的协调性。LED 灯具寿命虽然以LED 模块50000h 光衰＜ 30% 为基础，但同时也受到灯具导热件、铝基板、电路板、反射器等部件的影响。由此要求LED 灯具应做到“灯具结构模块化，光源电源分离式”。

　　5 LED 照明系统的经济性

　　仍以黄塔桃高速公路为例，初步测算工程总计需安装LED 灯具总计9458 盏，其中50W 灯具7192 盏，100W 灯具632 盏，200W 灯具1634 盏。与先期设计的钠灯照明系统相比，计如供配电设施的综合建设费用分别为7685 万元和7357 万元，性投入增加4. 6%，计328 万元。

　　对LED 照明系统的经济性应综合分析，正确认识。主要可由以下几方面考虑。

　　（ 1） LED 灯具价格较高，增加了系统建设费用；但LED 灯具功耗较低，缩小了系统规模，降低了建设费用。

　　（ 2） LED 灯具在功耗和寿命上的优势，极大地降低了营运期间的耗电费用和维护费用。与系统实施后每年直接节省用电费用约377 万元相比，性投入增加328 万元是值得的。

　　（ 3） LED 模块发光效率在不断地提高，建设费用将更向着有利于LED 系统的方向倾斜。

　　（ 4） 合理取值和精细设计是LED 照明系统体现节能优势并具备经济价值的关键。高压钠灯照明系统等也是研究节能集成技术的理想平台。在环境、模式和控制等节能环节中，LED 照明系统在发光效率、显色指数、电源效率、灯具效率、利用系数、养护系数、使用寿命等方面的优势逐步积累，形成系统优势。对有些细微、不确定或相互关联的因素把握不到，往往会得不到正确的结论。

　　6 LED 照明技术标准

　　（ 1） LED 技术处于快速发展之中，但LED 模块和LED 隧道灯具的质量控制标准参差不齐，给LED技术的推广应用造成诸多困惑。统一完善相关标准，保证该项技术健康发展的工作正在进行之中。

　　（ 2） 交通部《公路隧道通风照明设计规范》

　　（ JTJ 026. 1 － 1999） 对LED 照明技术还未制定具体标准和规定，采用LED 照明技术不得不套用相关高压钠灯，由此限制了其特点的有效发挥。修正完善相应规范，促进该项技术合理使用的工作也在进行之中。

　　7 工程试验

　　7. 1 研究内容

　　安徽省合铜黄高速公路黄榜岭隧道左、右线单洞长均近500m。2007 年8、9 月，在黄榜岭隧道左、右线单洞内分别安装了高压钠灯和LED 灯进行对比试验。

　　（ 1） 分析研究国内外照明技术，结合国家标准和规范，制定黄榜岭隧道LED 照明总体方案。

　　（ 2） 分析计算隧道洞外亮度及各照明段功率密度，确定LED 照明灯具功率、型式及布置等。

　　（ 3） 根据LED 光源特点，研究确定LED 照明灯具导热件、铝基板、电路板、反射器等。

　　（ 4） 分析研究光源照度实时控制系统、控制线路线损补偿装置，解决电路抗干扰问题。

　　（ 5） 安装调试、验证对比试验隧道的LED 照明系统。测试效果、跟踪运行，总结改进。

　　7. 2 研究结论

　　（ 1） 左线LED 灯满负荷总功率49. 3kW，年耗电费17 万元； 右线高压钠灯相应为115. 7kW 和53 万元。LED 灯能耗较高压钠灯降低，年节电费36 万元。

　　（ 2） LED 光线显色指数较高压钠灯极大提高，夜间照明效果明显提高。其对隧道照明设计亮度参数的影响值得进一步研究。

　　（ 3） LED 灯具价格较高压钠灯高，但如在设计阶段即采用LED 系统，则其对供、配电设备的低功率要求可进一步对建设费用产生有利影响。

　　试验项目对LED 照明技术及光源实时控制技术的综合应用取得了积极的成果，为进一步在黄塔桃高速公路和六武高速公路上进行公路隧道LED 节能照明系统建设奠定了基础（ 图2） 。

图2 黄塔桃高速公路中村南隧道LED 照明系统

　　8 结语

　　（ 1） LED 照明技术应用于公路隧道照明是一项科学和严谨的工作，要求系统把握该项技术特点，真正理解技术的节能所在，否则将得到“实用不节能”或“节能不节钱”的结果。

　　（ 2） 借助既有研究成果和实践经验，并通过进一步系统研究和解决LED 照明技术中存在的关键问题，黄塔桃高速公路和六武高速公路得以全面开展以LED 照明技术为的隧道照明系统建设，率先实现了这一隧道照明节能技术的大范围应用。

　　（ 3） 隧道LED 照明系统建设具有研究和开拓的特点，要求跨行业和多的合作、系统设计与产品生产的对应、相关标准的统一以及相应规范的完善。

　　（ 4） LED 照明技术在安徽省合铜黄高速公路上的对比试验和在黄塔桃高速公路和六武高速公路上的大范围应用，打开了公路隧道照明技术的新局面，在技术创新上表现出质的突破，并使安徽省因此进入这一技术研究和应用的先进行列。