節能燈具在高速公路隧道照明系統中的應用

盧 楨

(湖南省衡桂高速公路建設開發有限公司,湖南衡陽 421001)

1 隧道照明系統概述

1)照明工程是高速公路不可分割的一部分,其不僅在功能上保障高速公路高效率,順暢運營,同時在一定程度上標志著一個國家地區高速公路建設水平乃至整個經濟的發展水平。近幾年隨著國家拉動內需對高速公路資金的大量投入,各地建設單位對高速公路建設水平要求越來越高,尤其在節能環保等新科技產品方面逐步向發達國家水平看齊。

2)隧道照明系統的組成。

隧道照明系統按設計規范要求分為入口段、過渡段、中間段、出口段、接近段減光設施、應急照明、洞外引道照明。各段長度和照度根據車速及當地隧道洞外亮度進行劃分制定,各段燈具的功率和燈具分布密度根據全年洞外最大亮度和最高行車時速進行確定。在正常情況下,照明系統分三級進行控制,第一級為照明的光強檢測值自動控制,第二級為照明的時序自動控制,第三級為手動控制。見圖1。

圖1 隧道的各區域和亮度要求情況

2 隧道照明節能技術

目前隧道燈具大多采用高壓鈉燈,但其使用壽命短,通常只有1.8萬h,且其在電壓高于一定數值時,亮度幾乎不變,不能完全適應電壓易波動的隧道應用場合,以至考慮采用降壓設備達到節能的效果。電磁感應無極燈是基于電磁感應的原理;光效高,大于110 lm/W;可隨時立即啟動、可在低溫狀態下啟動(零下26℃)、發光平穩且無頻閃;可用于交直流電源,是一款將燈泡與智能芯片結合,沒有電極,不用燈絲,集電、磁、光技術于一體,因為沒有電極,所以不存在由于電極濺散或失效而造成燈壽命終止的可能,因此比傳統氣體放電光源的壽命長(見表1),壽命在60 000 h。長壽命不但能夠減少燈損壞造成的經濟損失,同時使其維護更換的費用大大減少,通車運營的隧道,更換燈具困難,因此電磁感應無極燈是比較理想的隧道照明光源。另外長壽命的光源可以減少制燈材料損耗,減少燈廢棄物對環境的污染,也是符合綠色環保的要求。

表1 常用燈具基本參數對比

2.1 無極燈主要技術指標及工作原理

1)功率因素:無極燈的功率因素最高達到0.99以上。

2)諧波含量:無極燈的諧波含量達到國際的L級標準,對公共電網的危害程度小。

3)電磁兼容:無極燈符合美國FCC標準;是安全的電子電工產品。

4)全光譜:無極燈是完整光譜的類似日光的光源;物體色彩還原度高、逼真而飽和。

無電極熒光燈系統是基于電磁感應的原理,使等離子體與電路磁力線耦合,利用套在燈管外面的一對鐵芯在燈管內形成感應電流,而不像普通熒光燈一樣,利用電極將外部的電能轉化為燈內部工作所需要的能量。套在燈管外面的一對鐵芯的作用猶如變壓器的初級線圈,而閉合的燈管的作用猶如變壓器的次級線圈。電子鎮流器可根據需要,與燈管分開安裝。在接通電源后,電子鎮流器會產生大于1.5MHz以上工作頻率的交變電流,從而在放電區產生交流磁場。根據法拉第電磁感應定律,變化的磁場會在燈管內產生感應電流,從而使低壓汞和惰性氣體的混合蒸汽產生放電,輻射出253.7 nm的紫外線,再通過熒光粉轉化為可見光。

無極燈沒有電極,燈管部分不存在有易損元件,整個系統的壽命主要取決于電子鎮流器,所以這類燈的壽命非常長,可達到6萬h以上。特別適用于換燈困難、節約能源、節約運營費用,以及對安全要求極高的重要場所。如隧道、交通復雜地帶、地鐵站、天花板很高的廠房、危險地域照明、大廳、運動場等。

無電極熒光故不受頻繁開關限制;方或長的幾何形狀可滿足不同燈具設計的需要;無極燈所用材料99.6%都可以循環再利用,特別符合環保的需要。

2.2 節能對比分析

見表2,表3。

表2 常用光源用電量計算

表3 無極燈光源用電量計算

3 邵懷高速隧道節能照明的應用

湖南省邵懷高速公路全長約168 km,共設有14座隧道,其中1 km以上的隧道有4座,其中雪峰山隧道單洞長約7余km,如此大的隧道群照明燈具設計布置量也很大,因此對隧道照明的技術要求較高,對隧道照明的節能運行和長壽命運行有著非常苛刻的要求,對照明燈具的布置和照明燈具的選擇特別需要重視。

雖然無極燈有壽命長,無頻閃,不會造成眼睛疲勞,顯色指數高于85,低眩光、光色度接近太陽光,啟動時間0.5 s,可重復啟動等特點,但是目前無極燈壽命6萬h只是理論壽命,實際壽命還有待研究;再者無極燈“電子鎮流器”成本高,一只185W無極燈一旦損壞,全燈替換,成本高達300～500元/只,而鈉燈損壞,只需要更換一只40～60元的燈管。

邵懷高速為了對照明節能課題進行深入研究,經各方專家討論研究決定對大灣隧道、月溪隧道、雪峰山隧道、雞公界隧道采用綜合照明方案,即:

1)在大灣隧道、雪峰山隧道、雞公界隧道運用高壓鈉燈作為入口段、基本段照明以滿足設計照度要求,運用無極燈作為應急照明以節省能源。若采用普通熒光燈作應急燈光源,由于普通熒光燈的發光效率僅為無極燈的一半,而普通熒光燈達不到規范對應急照明的照度要求,更達不到正常時作為基本照明的照度要求,只能通過增加應急燈的數量,縮短其間距,同時還需在應急燈處加裝一盞光效高的其他氣體放電燈,才能滿足照度要求,邵懷高速公路為此還需增加大量的投資。此外,若采用高壓鈉燈作為應急燈的光源燈,斷電時,應急高壓鈉燈會出現短暫熄滅,無法滿足斷電時規范對應急燈不間斷供電的要求。為此采用100W無極燈,作為隧道的應急照明燈,該燈光效高(80 lm/W,接近高壓鈉燈的光效),正常時可作為基本照明燈使用,滿足照度要求。同時,克服了高壓鈉燈的斷電間隙問題,滿足應急燈的不間斷供電要求。

2)在月溪隧道運用分布式UPS供電方式的低壓鈉燈作為應急照明燈具以節省能源和便于供電控制。

近幾年隨著國家經濟的飛速發展,對能源能需求也越來越高,乃至2004年度全國有24個省市區嚴重缺電,歷來黨中央、國務院將節約資源作為基本國策,2008年4月1日《節能法》開始實施。目前我國的照明用電約占社會總用電量的12%,隨著高速公路的不斷發展和特長隧道的不斷出現,對節能技術及節能燈具的需求將越來越高,為此如何設計一個節能的照明系統,還需認真研究與思考。