LED隧道照明的優化

鄧云塘

(飛利浦 (中國)投資有限公司，上海 201801)

1 前言

這幾年，隨著國家高速公路的飛速建設和城市范圍的擴張，公路穿山隧道和城市水底隧道大量涌現，隧道照明的需求持續上升。同時，這幾年也是LED、Cosmo和無極燈等新型照明技術出現和在道路照明領域應用蓬勃發展的時間，隧道因為其每天24小時持續照明的特點，對新型節能照明的渴求尤為強烈，出現了大量使用有別于傳統高壓鈉燈和熒光燈的隧道照明項目，其中LED最受青睞，僅2010年就有10萬盞LED隧道燈應用于中國隧道，并都宣稱取得了良好的社會和經濟效應。但照明行業內部人士從專業角度去評價這些應用時卻在許多項目上發現了一些照明質量上的問題，其中主要集中在亮度水平和亮度均勻度不能達標，其次就是閃爍頻率位于不舒適區間。本文希望在堅守隧道照明規范的前提下，分析幾種LED隧道照明配光的優劣。

2 隧道照明規范

絕大部分隧道的使用者是機動車輛駕駛員，因此隧道照明規范的根本出發點是駕駛員的視覺功效，視覺功效主要由對小目標的探測能力和反應時間來衡量，而這兩者與背景 (路面和墻面)亮度和亮度的均勻度直接相關，同時照明光源產生的眩光也會對此有影響。除此之外，如果車道縱向均勻度不佳，或車輛每秒行駛經過的燈具數量造成的閃爍頻率不合理，會造成駕駛員的不舒適，也會影響駕駛行為。因此，隧道照明規范的核心指標是如下幾個:

(1)路面平均亮度Lav:路面各點在照明設備壽命期內最小維持亮度的平均值，取決于燈具的配光分布和光源的光通量、安裝條件、路面反射特性。該值的高低主要取決于隧道交通量和設計車速 (內部基本段)，也與隧道洞外亮度相關 (入口和過渡段)。

(2)路面亮度均勻度Uo:路面最小亮度與平均亮度的比值，要根據CIE140—2000的方法計算。該指標對控制路面最小可見度很重要。規范［2］要求大于0.4(高交通流量)或0.3(低交通流量);而CIE［5］建議大于 0.4。

(3)車道縱向均勻度Ul:是平行于道路走向的一條或幾條線上 (車道中心線)的最小亮度與最大亮度的比值，要根據CIE140—2000的方法計算。該指標主要與舒適度有關，目的是防止路上明暗交錯的斑馬紋過于明顯，僅適用于連續的長隧道。規范［2］要求大于0.6～0.7(高交通流量)或0.5(低交通流量);CIE［5］建議大于 0.6。

(4)失能眩光TI:是衡量由于道路照明燈具眩光源引起的可見度降低的一個指標，其含義是基于要達到沒有眩光的同樣的可見度 (也就是說，觀察者不受燈具本身眩光的影響)，在有失能眩光的情況下需要增加的亮度百分比。規范［2］對此沒有定量要求，但CIE［5］有明確規定，在除出口外的隧道各區段，失能眩光不得大于15%。從視覺功效的照明本質出發，應該考慮該指標。現在也有從業者把隧道當成室內照明應用，用UGR指標來考量LED隧道照明的眩光高低，筆者認為在CIE有明確定義隧道照明眩光指標是TI的情況下，遵循CIE的規定更為妥當。

(5)閃爍頻率F:車輛每秒經過的燈具數量，即車速 (m/s)除以燈具間隔 (m，兩個相鄰燈具的光中心距離)，單位為Hz。規范［2］要求閃爍頻率應大于15Hz或小于2.5Hz，CIE［5］同時建議對于行駛時間超過20s的隧道，應避免閃爍頻率位于4～11Hz之間。

(6)2m墻面亮度Lw:從路面往上2m范圍內的墻面平均亮度。規范［2］要求2m墻面平均亮度不低于該路段路面亮度，CIE［5］建議不低于路面亮度的60%，同時2m墻面亮度均勻度不低于0.4。

成功的隧道照明項目應同時滿足上述所有照明指標達到規范要求。

3 LED隧道照明的現狀分析

LED由于其理論上高效、長壽、可靠等特性，非常吸引隧道業主，因而應用日趨廣泛。但我們同時也看到，由于行業水平參差不齊，也有大量并不科學規范的LED隧道照明出現。筆者調查考察了國內的幾條應用LED照明的隧道，發現普遍存在照明指標不達標的情況，其中有些是運營方為節能減少開燈的原因造成的，但本質上還是燈具光學設計或項目應用設計的不足。

圖1為一條在考察前8個月通車的高速公路隧道，該高速公路設計時速 100km/h，隧道時速80km/h，即使按低交通流量考慮，規范要求隧道內部基本照明平均亮度也應該不低于2cd/m2，但實測平均亮度約1.52cd/m2，平均照度約28 lux。可以想象如果到燈具壽命結束，光衰不可避免，整體亮度值還會有明顯的下降。路面亮度均勻度和車道縱向均勻度從照片看明顯不達標。之所以有這樣的問題，有燈具間隔開關的原因，但如果全部開啟，燈具間隔約6m，閃爍頻率為3.7Hz，也有不妥。

圖2 為一條國道公路隧道，燈具安裝間距9m，照片效果為間隔式開關燈，即亮燈間距18m，實測平均亮度0.65cd/m2，平均照度16 lux(新鋪瀝青路面，亮度系數低)。圖3是所有燈具全開的效果，即使如此，仍能看到非常明顯的斑馬效應，特別是墻壁照明。

這兩個隧道照明的配光都屬于使用反射器的短或中投射矩形配光。

圖2

圖3

許多LED的廠商在推薦產品的時候，總是用視覺理論來強調白光在道路照明應用相對傳統鈉燈黃光的高效節能，動輒宣稱同樣照度下白光的亮度是黃光的兩倍甚至4倍，降低LED照明應用的照度從而用低瓦數LED燈具與高瓦數鈉燈比較來講節能的故事。但如果仔細閱讀最新的《基于視覺功效的中間視覺光度測試推薦系統 CIE191:2010》［1］，無論是MOVE系統，還是MES1或MES2系統，在隧道照明亮度水平下 (高速公路隧道大于2cd/m2，城市隧道或普通公路隧道大于1.5cd/m2)，即使是S/P達到2.95的日光色白光，中間視覺效應對白光的貢獻最多也不超過20%(對應亮度水平:1.5cd/m2)。因此，人眼的中間視覺特性并不能成為LED節能爬高的桿，不是大幅度降低照度的理由。

改變LED隧道照明現狀的亂象必須嚴抓照明應用規范，從產品開發和應用設計著手，真正實現LED在隧道照明領域的有效節能，并降低在燈具壽命期內用戶的使用成本。

4 LED隧道照明的優化思路

LED隧道照明的思路主要指燈具配光形式設計和項目照明應用設計，這兩者其實密切相關，可一并討論。

由于亮度測試的困難，國內道路 (含隧道)項目大多仍簡單采用平均照度和照度均勻度來衡量照明質量優劣，這也直接導致一些LED隧道燈具廠商在開發產品時并不重視隧道照明規范中對亮度相關指標的要求，以達到平均照度和最好的照度均勻度為出發點來進行配光設計，其中也有實現照度均勻度比實現亮度均勻度簡單得多的原因，市場上因此大量充斥小投射角的矩形和蝙蝠翼配光的LED隧道燈和路燈。這些燈具應用于隧道和道路照明，測試能實現很高的照度均勻度 (有的甚至達到總體照度均勻度大于0.8，縱向照度均勻度超過0.9，參見［3］)，近看也有很高的亮度均勻度，但如果從駕駛員視角 (60～160米遠處)觀察則會在燈具下端地面有明顯的暗區，而這恰恰是駕駛員視覺功效所忌諱的，也是隧道照明規范所不允許的。

事實上，由于路面的點照度僅與燈具對該點投射的光強和投射角度、投射距離有關，亮度除此之外還與該點路面在觀察方向上的反射特性密切相關，而路面反射特性在各個方向上差別非常大，在實際安裝應用中，計算照度僅需考慮路面走向四倍安裝高度范圍內的燈具就已經有很好的準確性，但計算亮度則要考慮觀察點后方四倍安裝高度和觀察點前方12倍安裝高度范圍內的燈具貢獻，因此往往最好的照度均勻度反而不能實現理想的亮度均勻度。

正確的隧道照明燈具配光設計思路可參考文章［4］的思路，而且隧道燈的配光相對路燈來說更簡單，本文不做配光設計的詳細討論，只是在都能實現規范各照明指標的前提下談小投射角度和大投射角度 (短投射和長投射)的LED隧道燈應用的比較。

對稱的矩形配光不適合普通道路照明，但在隧道照明應用可以滿足照明需求，還能實現較好的路面利用效率。然而，在隧道走向上的投射角度大小，最終會影響整個隧道照明的初始投資和運營成本。

首先，短投射LED隧道燈具注定在應用時安裝間距較小，與長投射LED隧道燈具相比，達到同樣的平均亮度，單燈光通量和單燈功率都更小，但整個隧道安裝的燈具數量更多，在故障率一樣的情況下故障絕對數字會大幅上升，從而造成維護成本的增加;燈具數量的增加同時意味著初始投資的燈具總成本、安裝的人工和材料成本的增加。其次，一般而言功率小的LED隧道燈具的電源效率會比大功率的低 (除非使用合適功率的LED電源)，所以隧道照明的總功率會相對較高;第三，由于投射角小，缺少路面反射特性決定的大角度投射光線對亮度的的貢獻，要達到與長投射燈具照明同樣的路面亮度，短投射燈具需要更多的總光通量，這也意味著更高的總功率。如果用照明計算軟件模擬，會發現同一條隧道用不同配光燈具實現同樣平均亮度的照明總功率的顯著差別。短投射燈具照明隧道總功率的上升，意味著用電量和電費的增加。

所以使用短投射LED隧道燈會較大幅度的增加業主的初始投資成本和后期運營的維護成本及電費支出，即業主總使用成本 (TCOO)的每一構成部分都會有負面影響。而總功率的增加自然會加大隧道路面的照明功率密度 (LPD)，不利于發揮LED的節能潛力。

兩種投射類型的LED隧道燈都可以在外形上加工成線條型或矩形，前者具有相對好的視覺誘導性，某種程度上還可以避免不舒適的閃爍頻率，但如果嚴格按照規范［5］，只有近乎連續光帶的照明 (相鄰燈具頭尾之間的距離小于燈具長度)才不受閃爍頻率的限制，所以事實上線條型燈具也很難滿足規范在此方面的要求。所以最合理的辦法是加大燈具間距，使閃爍頻率小于2.5Hz，而這是短投射燈具做不到的。

飛利浦BWP350隧道燈一改最初的線條型反射短投射配光設計，通過每顆芯片一個專業透鏡實現隧道照明的長投射配光特性，系統光效達到90lm/w和100lm/w，模組化的結構設計允許現場更換芯片模組和電源，整燈IP66的防護等級結合良好的散熱設計實現較高的項目維護系數。以下例高速公路隧道，通過照明軟件模擬計算，來分析該燈具與其他兩款燈具的應用結果，可以驗證前述長短投射隧道燈具在照明功率密度和業主總使用成本上的差別。

隧道情況:12.5m寬三車道的單向隧道，C2瀝青路面，設計車速80公里，高交通流量，項目維護系數0.65，燈具安裝高度5.8m，兩側對稱安裝，仰角根據燈具配光特點優化。規范要求平均亮度＞4.5cd/m2，路面亮度均勻度＞0.4，車道縱向均勻度＞0.7，TI＜15%，閃爍頻率小于2.5Hz或大于15Hz。因為墻面材料反射率規范要求大于0.7，要達到與路面同樣4.5cd/m2的亮度，2m高墻面垂直照度只需達到路面照度的1/3即可。

計算結果參見表1。

表1 不同配光隧道燈用于同一隧道的計算對比

5 結論

本文以隧道照明規范為指導，分析了國內LED隧道照明的現狀，并對不同配光類型LED隧道燈應用于隧道的優劣進行了詳細分析，發現類似于飛利浦BWP350的長投射隧道燈具具有更低的業主總使用成本，更小的照明功率密度，能實現更大程度的節能和投資。

［1］Recommended System for Mesopic Photometry Based on Visual Performance CIE191:2010

［2］公路隧道通風照明設計規范JTJ026.1—1999

［3］朱旭，顧鑫等．上海長江隧道LED照明系統運營情況及故障分析

［4］鄒吉平，王建．基于駕駛員視覺功效角度的道路照明配光方式

［5］Guide For The Lighting of Road Tunnels and Underpasses CIE088:2004 2NDEdition