LED 光源在公路隧道照明設計中的創新

劉 輝，翁 季，杜 峰，

(1.福建工程學院 建筑與城鄉規劃學院，福建 福州 351018;2.重慶大學 建筑城規學院，重慶 400044)

1 LED 光源的特點介紹

LED(Light Emitting Diode，發光二極管)是一種可以將電能轉化為光能的半導體發光器件，屬于固態光源。伴隨著LED 發光效率的提高，特別是20世紀90年v代末白光LED 的發明，為LED 在照明領域的應用打開了空間，使之成為繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈之后的新一代光源。LED 光源具有以下優勢和特點。

(1)光效提高迅速。如今LED 產品的實用光效可達70～90 lm/W，美國的實驗室曾經測得高達160 lm/W的數據，預期在未來更短時間內，實用光效甚至可以達到150～200 lm/W，那時LED 有可能成為最高效的光源。

(2)啟動性能好，可靠度高，只有毫秒級的響應時間，能達到全光通輸出。

(3)調光方便，可控性強。

(4)耐震動，耐候性良好，壽命長。

(5)不含汞，環保性能優。

(6)LED 在一定光束角內定向輻射，用于射燈、筒燈等燈具時，有利于提高下射光通比。

(7)用于景觀、裝飾、廣告、信號等場合，有多重彩色光LED，加上良好的啟動和調光性能，容易實現數字化控制，以達到多彩、動態變化，在商業性、娛樂性場所極具渲染性。

當然，目前LED 也存在著一些缺點，如芯片主要依賴進口，缺乏統一標準，燈具測試方法沒有統一，散熱不佳，色溫偏高，難于設計配光和控光系統，驅動電路待優化等。

2 公路隧道照明特點介紹

既不同于室內外照明，尤其是景觀照明著重體現藝術效果，也不同于道路照明大部分路段強調的是照明的數量和均勻度，公路隧道照明有自身獨特的特點，由于公路隧道中存在著白天由公路隧道洞外進入洞內的“黑洞效應”，人的眼睛要經歷一個較長時間的“暗適應”過程，而這個過程較長，人眼在這段時間里產生“視盲”，此時剛剛進入隧道，根據我國的相關規定，一般進入隧道車速都要變慢，所以此時發生事故，尤其是惡性事故的先例比比皆是。與之相似的是，隧道出口處要經歷一個“明適應”過程，所以也會存在一個視盲期。另外，單向行駛的公路隧道照明依次分為接近段、入口段、過渡段、中間段和出口段。每一個分段的亮度是不同的，其中中間段的亮度要求最低，其他段按照更好的適應考慮，依次從入口段到過渡段降低，降低的趨勢在我國的照明規范和國際照明規范中是不同的。

3 公路隧道照明設計的特點分析

3.1 國際上的照明設計

國際上的照明設計規定情況如下:雖然很多國家有自己的規范，但是歐美國家主要還是參照和借鑒國際照明委員會CIE 的《公路隧道和地下通道照明指南》88-1990 和88-2004。當然，各個國家和CIE 是互相借鑒的。日本比較特殊，其采用的是折線分布圖，執行比較簡單，但是國際上較少有采用。在這里，從典型性的角度，選取CIE 的規范作為論述的出發點。

圖1 公路隧道入口段和過渡段亮度級

從圖1 中可以看出，橫坐標0 點之前是接近段的停車視距，0 點之后是車輛行駛的時間，當然在不同的車速情況下也具體代表了行駛的距離。縱坐標是亮度百分比的值。根據該圖設計師就可以在公路隧道行駛的不同段落，如:接近段、入口段、過渡段(圖1)，設計相對應的長度和亮度，該圖是CIE 的研究成果，其可以很好地實現公路隧道照明安全、舒適、節能。尤其是安全性和舒適性的問題。通過這樣的曲線，可減少視盲現象，盡快完成視覺適應過程。其中要說明的是，所有亮度的起點是由洞外景物亮度L20乘以一定的系數k 來(根據不同的情況)完成的。其他具體各段的亮度是曲線變化的，乘以一定初始數值的比例來確定。

3.2 國內的照明設計

國內照明設計標準也參考了CIE 的照明規范，如《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ026.1-99)，《公路隧道照明設計細則》(2010)和最新版的《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01-2014)(見圖2)。下面以最新版的公路隧道照明設計細則來說明。

從隧道分段的角度來講，我國借鑒了CIE 的分段方法，而且L20的規定也是類似的，但是跟CIE 不同的是，由于平滑的曲線在實際應用于設計的時候選取燈具經常很麻煩，也就是說，需要在設計時選用很多不同功率的燈具，導致燈具在制造時不容易定型。國家最新的實施細則把各段又進行了更為詳細的折線處理，將入口段分成了亮度比為2 ∶1的兩段，把過渡段劃分為3 ∶1的三段，出口段劃分為中間段亮度3 倍和5 倍的兩段，并且對長度也進行了詳細的規定，這樣執行時更加方便，增加了可行性。一方面更好地滿足了安全性和舒適性的要求，另一方面也滿足了節能性的要求。

圖2 2014 版公路隧道照明設計細則對于亮度的規定

4 LED 在公路隧道照明設計中的應用創新

在公路隧道中常用的傳統光源包括高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等，現在隨著LED 光源的進步，在公路隧道設計和實踐中我們經常使用的光源進入了LED 的時代，之所以LED 的使用越來越廣泛，并非僅僅在于節能性，還在于更加重要的安全性和舒適性。

下面就從安全性、舒適性和節能性等角度論述LED 在隧道設計中的應用創新。

4.1 光效高

LED 的高光效可使光源的性能達到最大限度的釋放，能以更低的電能獲取最大限度的發光強度，從而滿足公路隧道照明所需要的路面亮度。

4.2 調光方便，可控性強，響應迅速

通過規范我們知道，公路隧道每一段的亮度是不同的，而傳統的高壓鈉燈、金鹵燈等燈具點燃都需要時間，調節也需要一定的穩定時間。根據我國的公路隧道照明規范，可以通過很多分段來生產和選用不同功率的燈具，但是按照CIE 規范的規定，如果需要平滑曲線形式的亮度變化則非常難以達到。另外，如果其他光源在生產不同功率的光源時(由于需要太多套不同功率的設備)則需要多套模具，生產效率低，成本高。

現在的公路隧道照明設計都是以公路隧道外部洞口20°視角范圍內的景物亮度L20來確定的，由于太陽高度角和方位角不停地變化，而且天氣狀況和云量等因素也隨時不同，導致公路隧道洞外景物亮度是不斷變化的。如果嚴格按照公路隧道洞口景物亮度來確定內部各段的亮度則需要實現洞口的亮度感應和內部的無極調光，這時LED 的調光方便，可控性強和響應迅速的優點就顯得不可或缺了。

4.3 光色容易調節

從駕駛安全舒適的角度考慮，光源的光色(包含光源的相關色溫和顯色指數)對駕駛的安全舒適性存在著非常重要的作用。劉英嬰采用視覺功效法的理論，通過公路隧道入口段和中間段的光源光色分析指出，綜合視覺功效和光生物效應的影響，色溫在5 000 K左右，光譜分布偏向藍綠光的LED 光源最適宜公路隧道的入口段照明，而色溫在3 600 K 左右，光譜分布偏向黃綠光的LED 光源最適宜公路隧道中間段照明。因此，公路隧道光源形式要求光源的光色易于調節。

4.4 視覺功效較好，光譜分布更加合理

公路隧道照明的安全性和舒適性跟視覺功效緊密相關，駕駛員的感受跟光色有關，除此之外還跟光譜分布有關，鑒于各種公路隧道照明光源發光機理的原因，LED 光源的光譜更容易調節一些，所以也更加適合公路隧道照明。

5 小 結

雖然，LED 仍然存在著一些缺點，而且并不一定適合大規模應用與室內照明環境設計，但是考慮其光效高，調光方便，可控性強，響應迅速，光色易調節，光譜分布更合理等特點，其非常適合公路隧道照明設計。通過與相關公路隧道照明設計規范的結合，可以從中找出更多的創新性設計思路，使公路隧道照明更加安全、舒適和節能。

［1］劉婷婷，屈渲婷.LED 在室內照明系統中的應用及發展前景［J］.機電技術，2013(4):172～174

［2］任元會.LED 在室內照明的應用和前景［J］.電氣工程應用，2011(2):2～4

［3］CIE 88—1990.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［R］.CIE Central Bureau

［4］CIE 88—2004.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［R］.CIE Central Bureau

［5］中華人民共和國交通部.公路隧道照明設計細則JTG/T D70/2-01-2014［S］

［6］劉英嬰，張青文，胡英奎，等.LED 光源色溫對隧道入口段和中間段的影響［J］.照明工程學報，2013(2):30～34