LED 燈隧道照明節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

鄧祥明 黃忠財(cái)

（1.廣西紅都高速公路有限公司，廣西 南寧 530028；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

1 工程概況

靖西至那坡高速公路(以下稱“靖那路”) 是廣西高速公路網(wǎng)布局中“橫6”合浦(山口) ～那坡(省界) 高速公路的重要組成部分。本項(xiàng)目位于廣西西南部，是云南通往廣西沿海和廣東、海南最便捷的公路通道，跨越桂南、桂西2 個(gè)經(jīng)濟(jì)區(qū)，連通三個(gè)沿海城市和4 個(gè)國(guó)家一類口岸。靖那路主線全長(zhǎng)90.371km，全線采用雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度100km/h，全線共20 座隧道，單洞全長(zhǎng)30.97km，隧道占線路總長(zhǎng)的17.27%，其中長(zhǎng)度L≤500m 的11 座，500m＜L≤1000m 的4 座，1000m＜L≤2000 的3 座，2000m＜L≤3000 的1 座，L＞3000m 的1 座，全線最長(zhǎng)的各固隧道左線長(zhǎng)3745m，右線長(zhǎng)3725m。靖那路隧道照明若采用傳統(tǒng)的鈉燈照明系統(tǒng)往往會(huì)造成巨大的電力消耗，特別是長(zhǎng)大隧道，運(yùn)營(yíng)成本壓力將非常大，若采用先進(jìn)的LED 半導(dǎo)體照明系統(tǒng)，可極大地降低電力消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，也有利于能源的可持續(xù)發(fā)展。

2 隧道照明初步設(shè)計(jì)方案

根據(jù)本項(xiàng)目隧道的具體情況和《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》 （JTJ026.1-99） 的相關(guān)要求，全線隧道均設(shè)置照明設(shè)施，照明設(shè)施的設(shè)置內(nèi)容為：主洞照明、緊急停車帶照明、橫通道照明、洞外引道照明、避災(zāi)引導(dǎo)照明、應(yīng)急照明。原設(shè)計(jì)隧道照明方式為“高壓鈉燈+LED 混合照明”式，即基本照明及應(yīng)急照明采用60 瓦LED 燈，加強(qiáng)照明和洞口引道路燈光源采用高壓鈉燈，人行橫洞照明采用無極燈，原設(shè)計(jì)燈具共16021 盞（其中LED 燈60 瓦6404 盞，高壓鈉燈400 瓦5180 盞、250 瓦2495 盞、150瓦1298 盞、100 瓦412 盞，無極燈120 瓦149 盞、60 瓦83 盞），燈具總瓦數(shù)3338750 瓦。照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是100km/h 和80km/h 來控制，主線照明入口段亮度設(shè)計(jì)參數(shù)分別為141.56cd/m2和134.5cd/m2， 計(jì)算行車速度亮度為134.5cd/m2，其他過渡段、中間段和出口段根據(jù)隧道長(zhǎng)度等相關(guān)因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 高壓鈉燈與LED 燈對(duì)比

3.1 LED 燈的優(yōu)缺點(diǎn)

1） 優(yōu)點(diǎn)：LED 燈無頻閃、無輻射，是典型的綠色照明，更是護(hù)眼新光源。LED 不靠鎢絲發(fā)光，而是以特殊半導(dǎo)體PN 材質(zhì)制成。通過電子運(yùn)動(dòng)而發(fā)光。其光譜中沒有紫外線和紅外線，因而不會(huì)有閃頻和輻射，對(duì)眼睛起到保護(hù)作用。其主要優(yōu)點(diǎn)集中在以下幾點(diǎn)：

①發(fā)光效率高。LED 燈有電壓低、電流小、亮度高的特性。一個(gè)10～12W 的LED 光源發(fā)出的光能與一個(gè)35～150W的白熾燈發(fā)出的光能相當(dāng)。同樣照明效果LED 比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%～90%，是白熾燈的4 到8 倍；②耗電量極小。在同樣亮度下，耗電量?jī)H為普通白熾燈的1/8 到1/10；③壽命長(zhǎng)。LED 利用固態(tài)半導(dǎo)體芯片將電能轉(zhuǎn)化為光能，外加環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊，LED 單管壽命10 萬h，光源壽命在2 萬h 以上，按每天工作12h 壽命；④可靠耐用，便于長(zhǎng)途運(yùn)輸。由于體內(nèi)無鎢絲以及玻璃殼等易損部件，基本不受運(yùn)輸影響，正常報(bào)廢率很小，維護(hù)費(fèi)用極低；⑤起動(dòng)響應(yīng)快、無黑頭、免除頻換燈管之煩。LED 起動(dòng)響應(yīng)極快，因而電流對(duì)其沖擊甚微。而普通白熾燈或節(jié)能管受起動(dòng)電流的作用，燈頭很易發(fā)黑而需更換；⑥由于LED 管是由十多只或幾十只組成，即使個(gè)別損壞了也不會(huì)對(duì)正常照明產(chǎn)生太大影響，不像高壓鈉燈損壞時(shí)全燈熄滅，因此LED 燈的可靠性比高壓鈉燈的可靠性提高了許多倍；⑦光源中不添加汞，有利于環(huán)境保護(hù)。

2） 缺點(diǎn)：LED 燈缺點(diǎn)在于發(fā)光效率隨光源功率的增加而迅速衰減；大功率光源難以制造；初始安裝成本投入比高壓鈉燈高很多；產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊；散熱性能不夠好，而散熱直接影響LED 的壽命，和光衰提前；維護(hù)成本較高。

3.2 高壓鈉燈

1） 優(yōu)點(diǎn)：目前發(fā)光效率最高的照明光源，平均發(fā)光效率一般可達(dá)98lm/W，且高功率光源的發(fā)光效率更高，壽命較長(zhǎng)，技術(shù)成熟，價(jià)格低，初始安裝成本投入低；

2） 缺點(diǎn)：顯色性較差，但其發(fā)出的黃色光對(duì)于煙霧的穿透力最強(qiáng)，對(duì)惡劣氣候的適應(yīng)性好。

3.3 LED 隧道燈與高壓鈉燈對(duì)比

1） LED 作為點(diǎn)光源，很大程度上可以直接解決傳統(tǒng)球狀光源必須靠光發(fā)射來解決的二次取光及光損耗問題；2） 對(duì)光照射面的均勻度可控，理論上可以做到在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)完全均勻，這也能避免傳統(tǒng)光源“燈下亮”現(xiàn)象中的光浪費(fèi)；3） 色溫可選，這樣在不同場(chǎng)合應(yīng)用中，也是提高效率、降低成本的一個(gè)重要途徑。LED 作為一種發(fā)光器件，既可以通過流過電流的變化控制亮度，也可通過不同波長(zhǎng)LED 的配置實(shí)現(xiàn)色彩的變化與調(diào)節(jié)。這使得隧道在不同的環(huán)境下進(jìn)行照明模式的轉(zhuǎn)化變得非常容易；4） 更節(jié)能。目前白光LED 的發(fā)光效率約為80Lm/W，較傳統(tǒng)高壓鈉燈可以節(jié)電50%～60%，隨著LED 效率的快速提升，LED 隧道燈在節(jié)能方面顯示出了巨大的潛力；5） 低維護(hù)成本。以目前的技術(shù)水平和測(cè)試結(jié)果推算，大功率LED 光源可以正常使用5 年—10 年不用更換，而傳統(tǒng)高壓鈉燈平均2 年左右就要更換一次，使用LED 光源可以大大降低維護(hù)成本；6）顯色性更佳。LED 的顯色指數(shù)高（顯色指數(shù)一般為75～80），路面看起來更明亮，感覺更舒適，駕駛?cè)藛T也感覺更安全。而高壓鈉燈光譜窄，顯色性差（顯色指數(shù)一般為20～40），感覺昏暗。

100W 的LED 燈輸出光通量大約只有6250Lm，到達(dá)路面時(shí)仍為6000Lm 左右，而路面的平均照度可以達(dá)到16Lx（12m 高桿）。200W 高壓鈉燈的輸出光通量為16000Lm，但到達(dá)路面的就只有6000Lm，路面的照度大約為30～40Lx，由于顯色系數(shù)的差別，LED 的照度修正系數(shù)為2.35 倍，高壓鈉燈的修正系數(shù)為0.94 倍。所以100W 的LED 經(jīng)過修正以后，地面的照度為37.6Lx，而200W 高壓鈉燈的修正后照度為28.2～37.6Lx，二者相當(dāng)。所以100W 的LED 可以取代約200W 的高壓鈉燈，從實(shí)際的發(fā)光效果來看，LED 燈比高壓鈉燈好得多。

4 項(xiàng)目?jī)?yōu)化后隧道照明方案

為了在確保行車安全的前提下，最大限度的降低運(yùn)營(yíng)期的隧道照明成本，達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的，靖那路全線隧道照明方式由原設(shè)計(jì)“高壓鈉燈+LED 燈混合照明方式”，變更為“1 公里以下隧道全部采用LED 燈照明方式”：即入口段加強(qiáng)照明采用200W 和130W 的LED 燈，基本照明和應(yīng)急照明采用60W 的LED 燈，人行明洞照明采用60W 無極燈，車行橫洞、緊急停車帶照明采用120W 無極燈，洞口引道路燈光200W 的LED 燈；1 公里以上隧道采用高壓鈉燈+LED 燈混合照明方式：即隧道進(jìn)口加強(qiáng)照明采用400W 和200W 的高壓鈉燈，過渡段加強(qiáng)照明采用200W 和130W 的LED 燈，基本段、出口段基本照明和應(yīng)急照明采用60W 的LED 燈；設(shè)計(jì)照明時(shí)速標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一調(diào)整為80km/h。

由于高壓鈉燈功率因數(shù)較低，所以設(shè)計(jì)要求選用帶補(bǔ)償電容器的燈具，經(jīng)補(bǔ)償后，其功率因數(shù)應(yīng)達(dá)0.9 以上。由于隧道環(huán)境污染嚴(yán)重，維護(hù)系數(shù)取0.7。

照明組合方式：本著節(jié)約電能的設(shè)計(jì)理念，1 公里以上隧道（隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)PLC） 照明調(diào)光按晴天、云天、陰天、重陰天、夜間、下半夜分為六檔，做到六級(jí)控制(應(yīng)急照明在此控制方式中歸屬為基本照明的一部分)：

晴天：基本燈全開，加強(qiáng)燈全開，緊急燈全開，洞外路燈關(guān)閉；

云天：基本燈全開，加強(qiáng)燈開1/2，緊急燈全開，洞外路燈關(guān)閉；

陰天：基本燈全開，加強(qiáng)燈開1/4，緊急燈全開，洞外路燈關(guān)閉；

重陰天：基本燈開1/2，加強(qiáng)燈開1/4，緊急燈全開，洞外路燈開啟；

夜間：基本燈全開，加強(qiáng)燈全關(guān)，洞外路燈開啟；

下半夜：基本燈只開一部分，加強(qiáng)燈全關(guān)，洞外路燈開啟。

1 公里以下隧道采用無極調(diào)光模式。

5 方案優(yōu)化前后效果對(duì)比

優(yōu)化后隧道照明燈具共14056 盞，其中高壓鈉燈400 瓦492 盞、250 瓦484 盞，LED 燈200 瓦1999 盞、130 瓦506盞、60 瓦10437 盞，無極燈60 瓦83 盞、120 瓦55 盞，燈具總瓦數(shù)1421180 瓦。燈具總數(shù)比原設(shè)計(jì)少1965 盞，減少12.27%，總瓦數(shù)比原設(shè)計(jì)少1917570 瓦，減少57.43%。原設(shè)計(jì)本項(xiàng)目隧道照明系統(tǒng)計(jì)入供配電設(shè)施的綜合建設(shè)費(fèi)總造價(jià)為7105 萬元，優(yōu)化后隧道照明系統(tǒng)綜合建設(shè)費(fèi)總造價(jià)為7609 萬元，總造價(jià)增加504 萬元。根據(jù)2012 年天氣統(tǒng)計(jì)情況雨天有108 天、陰天有105 天、晴天有152 天計(jì)算，原設(shè)計(jì)全線隧道照明一年用電量約為10245069 度，按商業(yè)用電0.95 元/度計(jì)算，一年用電費(fèi)用約973 萬元；優(yōu)化后全線隧道照明一年用電量約為6435030 度，按商業(yè)用電0.95 元/度計(jì)算，一年用電費(fèi)用約611 萬元，優(yōu)化后一年照明電費(fèi)比優(yōu)化前減少約362 萬元。另在維護(hù)成本方面LED 燈維護(hù)成本也比高壓鈉燈低很多，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)從第二年開始LED 燈每年維護(hù)費(fèi)僅約為燈具初裝費(fèi)用的1%，而高壓鈉燈每年維護(hù)費(fèi)用約為燈具初裝費(fèi)用的25%。因此，LED 燈在功耗和壽命上的優(yōu)勢(shì)，極大地降低運(yùn)營(yíng)期間的耗電費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，與優(yōu)化后系統(tǒng)每年直接節(jié)省用電費(fèi)用362 萬元相比，本項(xiàng)目建設(shè)期隧道照明綜合建設(shè)費(fèi)用一次性投入增加504 萬元是非常值得的。根據(jù)專家統(tǒng)計(jì)每節(jié)約1 度（千瓦時(shí)） 電，就相應(yīng)節(jié)約了0.4 千克標(biāo)準(zhǔn)煤,同時(shí)減少污染排放0.272 千克碳粉塵、0.997千克二氧化碳、0.03 千克二氧化硫、0.015 千克氮氧化物。據(jù)此，此靖那路隧道照明系統(tǒng)優(yōu)化后一年可減少用電量約381 萬kw/h，相當(dāng)于減少燃煤1524 噸，減少CO2 排放量3798 噸，減少SO2 排放量114 噸，帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)，獲得同樣巨大的社會(huì)效益。

6 結(jié)語

在實(shí)際使用過程中，隧道照明控制系統(tǒng)還應(yīng)與隧道通風(fēng)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)互聯(lián)，綜合考慮，以達(dá)到最佳的控制效果。目前LED 節(jié)能照明技術(shù)在廣西高速公路隧道照明的應(yīng)用還較少，而在建高速公路項(xiàng)目和往后修建的高速公路項(xiàng)目隧道所占比重會(huì)越來越大，LED 隧道照明控制系統(tǒng)以其良好的控制性能和有效節(jié)能降耗策略，并隨著LED 節(jié)能照明技術(shù)不斷地改善和提高，以及合理取值和精細(xì)設(shè)計(jì)，必將在廣西高速公路隧道照明系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，大大降低高速公路運(yùn)營(yíng)單位隧道照明運(yùn)營(yíng)成本，LED 節(jié)能照明技術(shù)在隧道照明方面的應(yīng)用前景將一片光明。