關于云南LED隧道照明節能應用初探

劉毅峰，李承金，金瑞雪

（1.云南省電子工業行業協會，云南 昆明 650031；2.云南聚誠科技有限公司，云南 昆明 650100；3.云南大學滇池學院，云南 昆明 650100）

關于云南LED隧道照明節能應用初探

劉毅峰1，李承金2，金瑞雪3

（1.云南省電子工業行業協會，云南 昆明 650031；2.云南聚誠科技有限公司，云南 昆明 650100；3.云南大學滇池學院，云南 昆明 650100）

文章針對近年來逐漸進入公路隧道照明的LED燈各種節能應用的調光范圍、調光方法、電源效率、信號傳輸性能等影響因素進行對比分析，提出了目前最適合云南LED隧道照明的最佳方式。

公路隧道照明；LED燈；自動照明裝置；按需照明

目前，隧道照明幾乎都是采用高壓鈉燈作為光源。但是高壓鈉燈在輻射形式、顯色性、視覺敏感特性、功率規格、亮度控制等方面都存在許多不足，而新興的LED公路（隧道）照明燈具以其優異的性能，克服了高壓鈉燈的諸多不足，正在成為當今世界公路（隧道）照明燈具的主流。公路（隧道）照明電費是運營成本的重要組成部分。特別是在西部云、貴高原地區，因海拔較高、氣候多變、地形復雜，導致公路隧道較多，給公路運營增加了更高的成本。為此，相關專家及云南聚誠科技有限公司相關工程技術人員研發了：“高原型LED公路（隧道）自動照明系統控制裝置”（現以申請國家專利），能在完全滿足公路（隧道）照明規范的前提下，克服亮度不可控光源過度照明造成的電能浪費現象，最大限度地降低公路（隧道）照明能耗，節約的運營費用，為實現西部經濟的可持續發展，保護環境，減少碳排放提供了較為可行的方法。

1 洞外亮度對隧道照明的能耗影響

洞外亮度L20（S）是指在接近段起點S處，距地面1.5m高正對洞口方向20°視場實測得到的平均亮度。它是隧道照明系統設計的基準之一，一般是在夏季（7、8月份）晴天中午測得。由于洞外亮度隨季節、氣象和每日早、晚等因素影響，通常洞外的實際亮度均遠低于夏季晴天中午的亮度，而隧道內加強照明的標準值又都是根據隧道洞外的亮度L20（S）乘以一個系數得來的，因此在一年的大多數時間里，加強照明強度遠高于洞內的實際需要，形成過渡照明，電能浪費相當巨大。以80KM/h的雙車道單向交通為例，若設計交通量大于等于2400輛/h時，其入口段的亮度折減系數為0.035。

光源在某一方向的亮度是光源在同一方向的光強與發光面在該方向上投影表面積之比。單位：坎德拉/平方米（cd/m2）。

表1 不同洞外亮度與洞內亮度的關系（cd/m2）

從表1可以看出，洞外亮度對隧道照明能耗影響相當大。洞外亮度超高，洞內照明強度越要高。洞外亮度超低，洞內照明強度也隨之降低。由于一年中絕大部分時間洞外亮度遠低于設計基準洞外亮度L20（S），因此若能夠采用“高原型LED公路（隧道）自動照明系統控制裝置”，根據隧道洞外實際亮度對洞內加強照明進行跟蹤控制，就能有效地避免過度照明，在完全滿足規范的前提下最大限度地節約電能。

2 洞外天氣對隧道照明能耗的影響

洞外亮度對加強照明能耗的影響很大，而天氣、季節和時辰的不同，其洞外亮度更是大不相同。以一個洞外亮度為3000cd/m2的隧道為例，其夏天洞外中午的亮度為 3000 cd/m2，秋分時洞外中午的亮度為1860cd/m2，冬至時洞外中午的亮度為842cd/m2，早、晚和陰天的洞外的亮度可低至200 cd/m2以下。目前我國隧道照明白天大多按照四級調光方式，即晴天、多云、陰天、和重陰天四個亮度等級。這四個亮度等級大多不分季節以及上午、上午和下午，因此能耗的浪費仍舊相當巨大。圖1為高壓鈉燈晴天洞內加強照明功率線和實際功率需求曲線。圖2為LED燈具洞內加強照明功率線。圖3為“高原型LED公路（隧道）自動照明系統控制裝置”跟蹤晴天洞外亮度人洞內加強照明功率曲線。每條線下面的面積即為該種燈具當日加強照明的總功耗。圖中最上面一條均是高壓鈉燈的晴天照明功率線，所標的能耗百分制均指與鈉燈晴天照明能耗進行的比較。

從圖1中看出，夏至白天鈉燈加強照明功率需求曲線下部的面積（即能耗，下同）只占設計照明功率線下部面積的37%，而年平均白天鈉燈功率需求線曲線下部的面積占設計照明功率線下部面積的22.7%。如果鈉燈的輸出功率在大范圍內是可控的，那么僅按每日的照明功率線進行跟蹤控制，對于加強照明而言，每年即可節能77.3%。實現公路（隧道）照明洞內亮度跟蹤洞外亮度實時變化的目標，人類已追求了一個多世紀。但由于傳統光源的局限性，人類一直未能如愿以償。白熾燈雖可進行無級調光，但由于其低下的光效使得其調光變得毫無意義。氣體放電燈（如高壓鈉燈）目前只能在很小范圍內實現調光。這種調光，白天對公路（隧道）照明能耗影響并不大。就高壓鈉燈而言，比較好的節能方法是采用多回路分級控制方式。根據檢測到的洞外亮度，對洞內回路進行調整。這種分級控制洞內亮度的方式可產生一定的節能效果。但隨著科學技術的發展，LED以其優異的性能正在成為照明領域的主流光源，其控制方式也越發先進。

圖2 LED燈具洞內加強照明功率線

圖2為LED洞內加強照明功率線。從圖中可以看出，LED晴天照明的功率線僅有高壓鈉燈的50%，這主要是因為LED公路（隧道）燈具有較高的燈具效率、維護系數、顯色指數、有效照度以及可任意設置的功率規格等特點，使得其在滿足規范要求的條件下能耗大幅下降。

LED光源與其他光源不同，它的工作電流在額定范圍內可大可小。這一特性為LED燈具實現亮度無級控制奠定了基礎。目前，“高原型LED公路（隧道）自動照明系統控制裝置”已經發完畢，（現以申請國家專利），如果該技術能得到推方應用，必將對公路（隧道）照明節能產生重大影響。

3 自動照明系統控制器節能分析

圖3 跟蹤晴天洞外亮度人洞內加強照明功率曲線

圖3繪出了采用“高原型LED公路（隧道）自動照明系統控制裝置”跟蹤的加強照明功率曲線。從圖中可以看出，年平均照明功率需求比夏至時要小，冬至功率最低。如采用“高原型LED公路（隧道）自動照明系統控制裝置”以后，不論是一年中的哪一天，它都會按照實際的功率需求去照明，而無須多付出照明能耗。通過計算可得，其年平均白天照明能耗比鈉燈光源的公路（隧道）和恒定亮度的LED公路（隧道）照明要低得多，約為鈉燈的16.5%，LED燈具的33%，實現了真正意義上的按需照明。該系統裝置用于公路（隧道）照明，無論何種天氣，其相對節能百分比并無太大差異。用它替代高壓鈉燈的加強照明，可以實現83.5%的節能目標，比亮度不可控的LED公路（隧道）照明燈具節能67%。因此，這一系統裝置的節能效果相當顯著，將是當今及至今后相當長一段時間內公路（隧道）照明燈具節能的理想方案。

4 電源電壓對照明能耗的影響

氣體放電燈對電源電壓的穩定度要求較高，一般變化在6%以內，否則能耗將大幅增加，光源壽命大幅減小。

在晚上，熒光燈、金鹵燈和高壓鈉燈通常會越點越亮。為什么會出現這種情況呢？這主要有如下兩方面原因：首先是因為上半夜的電源電壓通常在220V～230V左右；而在下半夜電源電壓會達到額定值的150%，高達250V以上，使得功率加大，亮度增加。其次是氣體放電燈光源具有負阻特性，當市電電壓升高時，光源兩端的電壓不僅不會升高，反而下降，而此時的光源的工作電流卻會急劇增加；這使得光源和鎮流器的功耗均大幅增加。如一盞150W的高壓鈉燈，在250V電壓下工作時包括鎮流器在內增至300W。在這種電壓下，鈉燈的壽命會大幅折減，幾乎不足額定壽命的30%。這就是鈉燈用于路燈時實際功耗遠遠超出額定功耗的主要原因，也是其越點越亮的原因。

LED燈具對電源電壓的要求并不高，一般在170～250V之間。好的LED燈具大多采用恒流供電，即流過LED的電流不受電源電壓變化的影響，而只取決于出廠時的設定值，因此它的輸出功率幾乎是不變的；帶有亮度控制功能的LED燈具的工作電流還取決于控制信號，它可根據實際應用場所的照明需求實時調整照明強度，以達到理想的節能效果。在基本照明方面，若采用LED光源，通過先進的調光技術，可以使下半夜照明能耗同步一半，這樣在原有節能的基礎上再減少25%的能耗，使得LED光源總節能率高達75%；由于功率同步減半，工作溫度降低，使得LED光源的壽命進一步延常，可謂一舉多得。

由于LED燈具的工作電壓很寬，因此在設計線路時允許采用線徑較細的電纜而不會出現熄燈或無法啟動之現象。因此采用LED光源可節省大量的電纜費用，在綜合投資與鈉燈相當的情況下每年綜合節能在80%以上。

5 自動照明系統控制裝置簡介

實現公路（隧道）自動照明系統控制是一個系統工程，它涉及到光源特性、電源功率的可控性、控制信號傳輸、數據采集、數據處理、與中控室通訊告等諸多技術，并涉及相應在控制程序的上位機軟件。

圖4 自動照明系統控制裝置”原理圖

圖4是“高原型LED公路（隧道）自動照明系統控制裝置”的原理圖。洞外亮度監測裝置對隧道洞外亮度進行實時監測，再將監測的結果實時傳送到“高原型LED公路（隧道）自動照明系統控制裝置”中。控制裝置根據洞外的亮度及中控室提供的車流量等參數，對輸入數控進行相應地折減后，轉換成0～5V的標準信號，去控制LED隧道燈的亮度。

解決LED公路（隧道）照明亮度可控的關鍵是研制一種高效地、電流可控的驅動電源。為了讓控制裝置能夠同時長距離控制數千盞LED公路（隧道）燈具，其輸入端采用了高阻形式，以確保控制信號的長距離傳輸。由于高阻抗的控制輸入端會產生干擾使得燈具閃爍而無法消除，因此我們采用了特殊的抵消式電路設計，從而確保了電源的高搞干擾性和燈具亮度的穩定性以及亮度變化的同步性。裝置在同時控制5000盞LED公路（隧道）燈具的情況下，用1.5m2導線為控制線，其傳輸距離可達15km。由于高速公路的特殊性，車流量沒有規律，中午和夜晚長時間沒有車輛通行，因此我們設計了車輛監測裝置。當沒有車輛時，裝置將使洞內維持最低亮度；當有車輛到來時，裝置瞬間將洞內亮度增至需要的亮度，從而避免了公路（隧道）長時間無車照明。

公路（隧道）照明電費是運營成本的重要組成部分。在公路（隧道）照明中，隧道出、入口處的照明更是公路（隧道）基本照明的幾十倍。特別是在西部云、貴高原地區，因海拔較高、氣候多變、地形復雜，導致公路隧道較多，給公路運營增加了更高的成本。由于存在高額的運營費用，使得許多運營商不堪重負，不得不采用關燈節電，犧牲安全的老辦法，以降低運營成本。因此，如何解決在滿足規范的前提下降低公路（隧道）的能耗，特別是入口的能耗，已是所有擁有公路（隧道）的運營商迫切需要解決的問題。

“高原型LED公路（隧道）自動照明系統控制裝置”能在完全滿足公路（隧道）照明規范的前提下，克服亮度不可控光源過度照明造成的電能浪費現象，最大限度地降低公路（隧道）照明能耗，節約的運營費用，為實現西部經濟的可持續發展，保護環境，減少碳排放提供了較為可行的方法。

About LED Tunnel Lighting Energy Application in Yunnan

LIU Yi-feng1，LI Chen-jin2，JIN Rui-xu3
（1Yunan Electronic Industry Association，Kunming，Yunnan 650031，China；2.Yunnan Jucheng Science and Technology Co. Ltd，Yunnan，Kunming 650100，China；3.Dianchi College of Yunnan University，Kunming，Yunnan 650100，China）

This paper in recent years gradually into the highway tunnel lighting dimming range of various energy-saving LED lighting applications，dimming method，power efficiency，such as signal transmission performance influence factors were analyzed,proposed themost suitable for the bestway to yunnan LED tunnel lighting.

highway tunnel lighting；LED lights；automatic lighting；lighting as needed

U453.7

A

2095-980X（2015）08-0055-03

2015-07-11

劉毅峰（1976-），男，云南昆明人，大學本科，工程師，主要研究方向：計算機及應用、電子工程、光伏照明。