高速公路隧道照明系統節能的研究

馬俊

【摘 要】隧道照明系統是保證隧道安全運營的重要組成部分。目前隧道照明系統主要采用高壓鈉燈，需要大量的電力資源，造成后期運營過程中需要支付高昂的電費，消耗大量的電能資源。本文旨在根據隧道照明系統特性，比較高壓鈉燈和LED燈的優缺點，闡述無級調控系統的的優點，討論高速公路隧道照明系統的節能研究。

【關鍵詞】LED燈具 無級調控

由于公路隧道具有縮短公路里程、提高運輸效益、利用地下空間、節省用地和保持生態環境等優越性，公路隧道方案被廣泛采用，公路隧道項目日益增多。但是，隧道機電設施的規模增大、數量增多，隧道后期的運營電費日趨增高，消耗的電力資源日益多。為響應國家“節能減排”的號召，必須開辟一條新的道路，既能滿足越來越龐大的隧道照明設施的規模，同時又能做到減少資源的消耗。本文結合設計規范及設計項目，重點考慮隧道照明系統中燈具選擇、控制方式2個重要因素，討論高速公路隧道照明系統的節能研究，。

1 燈具選擇

（1）高壓鈉燈。目前，由于高壓鈉燈具有穿透性好、技術成熟、造價低等特點，隧道照明系統燈具主要采用高壓鈉燈，其功率規格主要是400W、250W、150W和100W等。但許多高速公路隧道照明燈具實際僅需40W～140W即可，當道路需要60W時，由于高壓鈉燈光源沒有這些規格型號，只能選取100W的規格，因此造成燈具選用功率較高，形成單側開燈亮度不滿足要求、雙側開燈照明過度，這是造成隧道照明后期運營費用昂貴的原因之一。其次，高壓鈉燈工作電路主要是燈泡+鎮流器，因此高壓鈉燈實際的功率損耗除了燈泡的功率損耗外，還應增加鎮流器的功率損耗，這一部分損耗增加了整個系統的功率損耗，也是造成隧道照明后期運營費用昂貴的原因。隧道大多遠離市區，供電一般采用穩定性較差的農電，夜晚供電電壓升高，當電源電壓高達250V左右時，功率為250W的高壓鈉燈（含鎮流器）功率為378W，較額定值增加了50%。在這種電壓下，高壓鈉燈的壽命（亮度衰減50%時的工作時間，一般為額定狀態下為20000小時）會大幅減少，這也是高壓鈉燈實際功耗遠遠超出額定功耗、夜晚越點越亮的原因。

（2）LED燈。LED燈具可根據實際需要選取合適的功率規格，當道路需要60W時，LED燈具就可以選取60W的規格，從而減少因燈具功率規格選取偏大造成的電能浪費，減少后期的運營費用。其次，LED燈具沒有鎮流器，因此LED燈具的實際功率就只有燈泡的功率，不會有額外的損耗，同樣降低后期運營的費用。此外，LED燈具對電源電壓的要求不高，一般在170V～250V之間，LED燈具大多采用恒流供電，即流過LED燈具的電流不受電源電壓變化的影響，只取決于出廠時的設定值，因此它的功率是幾乎不變的。由于不受電源電壓變化影響，LED燈具在夜晚工作時不受影響，不會出現越點越亮的現象，這樣既消除了因亮度增加駕駛人員帶來的眩光效應，保證了行車的安全，同時又不會損耗額外的電力資源，減低運營費用。

（3）對比。隧道右線全長2494米，左線全長2427米，根據計算，若隧道采用高壓鈉燈照明，需要各類高壓鈉燈1048套，燈具費用為74萬元；需要各類電纜41347m，電纜費用為351萬元，燈具電纜費用總計425萬元。若隧道采用LED燈照明，需要各類LED燈具1704套，燈具費用為324萬元；需要各類電纜43315m，電纜費用為210萬元，燈具電纜費用總計534萬元。綜上比較，LED燈具前期投入較高壓鈉燈多109萬元。目前，高壓鈉燈壽命為2萬小時，LED壽命為5萬小時。由于隧道照明基本段燈具常亮，現將所有燈具折算為每天平均工作18小時，則鈉燈壽命約為3年，LED壽命約為7.6年。現對今后5年和10年的運營費用做一個對比：高壓鈉燈：總功率為234千瓦，5年用電量約為769萬度，5年電費總價為461萬元，5年燈具更換燈具1次，5年維護費用為90萬元；10年用電量為1537萬度，10年電費總價為922萬元，10年更換燈具3次，10年維護費用269萬元。LED燈：總功率為106.3千瓦，5年用電量為349萬度，5年電費總價為209萬元，5年燈具更換燈具0次，5年維護費用為0元；10年用電量為698萬度，10年電費總價為419萬元，10年更換燈具1次，10年維護費用323萬元。由上可知，5年的運營費用（電費+燈具更換費用），LED燈具比高壓鈉燈節省約342萬元；10年的運營費用（電費+燈具更換費用），LED燈具比高壓鈉燈節省449萬元。通過以上的對比，LED燈具雖然在前期投入時費用較高，但在后期的運營過程中，大大降低運營費用，減少能源的消耗。

2 無極調控

無級調控方式就是通過亮度檢測儀對隧道外亮度進行實時采集，通過規范中規定的比例關系，結合隧道管理站給定的車流量信息，計算出隧道內亮度的需求，通過DC 0～5V的模擬電壓信號進行傳輸去同步控制加強照明，基本照明亮度根據隧道管理站提供的車流量信息和路面照度要求等信息通過控制器計算后去控制相應回路，使其滿足隧道內亮度要求且各照明段平滑過渡，不會造成過度照明，形成資源浪費。在設計隧道照明時，我們要求按照夏天中午時的最大洞外亮度進行計算加強照明的亮度，并考慮到足夠的冗余，以確保運營期間的每一天且燈具的亮度衰減到額定值的下限時，洞內照明強度依舊能夠滿足規范要求。然而在實際運營期間，洞外亮度會隨著天氣、季節和時辰的不同發生變化，即L20（S）時刻在變化，它會從幾十坎德拉變化到幾千坎德拉。L20（S）變化，公式中的Lth也應隨之變化，這種照明方式才是合理的。如果L20（S）變化而Lth不變或者僅簡單地分幾個等級進行變化，都會造成巨大地電能浪費。無級調控可以利用亮度儀實時采集隧道外亮度的信息，并通過控制器改變隧道內相應的亮度。根據規范要求，加強照明主要依靠隧道外亮度決定，基本照明可根據規范設定，因此采用無級調控方式只需將燈具劃分為2個回路，較目前控制方式，減少回路數，減少電纜數量，相關的供配電設備數量相應減少，變電所規模減小，從而降低了前期的投資和占地規模。

3 結語

雖然在現階段的設計是合理的，但由于現有調光方式無法適應隧道外亮度，傳統燈具亮度無法實現按需照明，傳統燈具的缺點從而浪費大量的電力資源，形成能源的浪費。通過LED燈具和無級調控方式的結合，可以大大減少隧道照明系統在運營過程中產生的運營費用，降低電力資源的浪費，從而相應國家“節能減排”的號召。

參考文獻：

[1]公路隧道通風照明設計規范（JTJ 026.1-1999）.人民交通出版社.

[2]周健，呂曉峰，楊洋.公路隧道LED燈照明系統無級調光控制方式研究.endprint