LED隧道燈照明光效分析及養護決策研究＊

田鑫新

(甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000)

近年來，LED燈具以其特有亮度的可控性高、顯色性好、電光轉換效率高、環保無污染的優點，開始大量進入公路隧道照明系統，作為公認的發展潛力巨大的新興照明技術[1]。同樣，由于LED燈是定向光源而高壓鈉燈是發散性光源，較之高壓鈉燈，LED燈的光效偏低，LED燈的散熱較差，長時間使用后，P-N結溫升過大，會大幅度降低燈具光效[2]，所以采用LED燈的照明均勻度較之使用高壓鈉燈要低，同時隨著使用時間的增長，這個現象會越發明顯。

國內公路建設規模持續擴大，隧道數量持續增多，新時期對各級政府節能減排的要求也日益迫切。為此，交通運輸部已制定了公路隧道LED照明燈具的行業標準，鼓勵各有實力的企業和科研機構在此加大研發力度，不斷提高調光控制水平，減少傳統調光過程中的諸多不利因素。

為了降低照明能耗并確保行車安全，現代公路隧道運營中迫切需要一種高效節能、無污染、無公害的綠色照明養護決策技術。文章即是為了解決公路隧道照明系統中電能浪費問題與照明光效的經濟平衡性而提出的，旨在為公路隧道LED照明燈具的養護決策提供科學依據和決策，基于此，通過長期的LED照明光效數據監測，科學分析LED隧道照明燈具能耗、功率因數及照度的變化規律，為公路隧道照明燈具的養護時間、養護頻率和方法提供科學依據，這對節能降耗，保護環境，節省經濟投資均具有非常重要的現實意義。

1 LED照明燈具及其發展

LED即發光二極管，是一種半導體固體發光器件，LED照明產品就是利用LED作為光源制造出來的照明器具。

傳統公路隧道照明技術存在發光效率低、耗電量大、使用壽命短，光線中含有大量的紫外線、紅外線輻射，且其電子鎮流器會產生電磁干擾，熒光燈含有大量的汞和鉛等重金屬，無法全部回收則造成環境污染等問題[3]。LED利用固體半導體芯片作為發光材料，在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射，直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。LED照明及智慧照明以其顯著的節能效果已受到各級政府及市場的持續高度重視，在現代高等級公路隧道行業得到了大量的推廣應用，LED照明市場前景依然十分看好[4]。

2 LED燈具在隧道照明中的應用現狀

隨著國內及省內山區高速公路的迅猛發展，公路隧道的規模和數量也隨之擴大，有關資料分析結果顯示至2013年末，國內公路隧道年照明耗能已達21億度，相當于甘肅省蘭州市量大熱電廠的全年發電量，折算為標準煤75.6萬t[5]。因此，公路隧道照明節能已經刻不容緩。

現代公路隧道照明燈具很大一部分都不具備自動調光功能，開燈后即是滿功率工作，因而壽命較短，尤其到運營后期燈具表現出功率因數下降，能耗增大的趨勢。從近兩年福建、貴州、四川等省份交通及市政領域的掛燈試驗表明，70W以下的LED燈壽命通常在10000～20000h，70W以上的通常在5000～15000h。可見，LED燈具實際壽命遠不如想象的那么長，對LED燈而言，照度不足意味著需要更換整盞燈具，或者以昂貴的能耗費用來維持基本照度也是不經濟的，這無形中給業主及管養單位帶來巨大的經濟負擔。因此，可以說LED隧道照明燈具有“省電不省錢”的普遍現象，隧道照明管養單位迫切需要一種科學的養護決策方法。

3 LED隧道燈照明光效測試方案

任何光源都是有壽命的，在國家的各類照明設計標準中，均要求燈具投入初期被照場所的亮度需達到或高出標準要求，以確保燈具使用過程中亮度雖然衰減了，但仍舊不低于標準值，公路隧道照明也不例外[6]。當低于一定標準值時，即應當更換光源了，由于傳統的燈具亮度不可控，因此僅此一項，隧道照明投入初期電能浪費可高達33%。

本方案在測試時，將LED照明燈按實際使用時的狀態放置在防風罩內，并使環境溫度控制在15℃～30℃范圍內，相對濕度控制在45%～75%范圍內。LED照明燈的供電采用公共電網一般工業用電，交流電220V(50Hz)，其電費表準為0.85元/kWh。

3.1 LED隧道燈照度及光衰計算方案

測量初始照度后，當后續時刻測量的照度呈現明顯下降趨勢后，開始計算光衰。即用初始照度值減去該時刻測量的照度值，其相減的結果除以初始照度值，然后在換算成百分數，就作為從點燈開始時到該時刻所跨的時段的實測光衰值，用數學公式表示為：

S——LED照明燈某時段的實測光袞

L0——LED照明燈的初始照度值

Lt——LED照明燈某時刻的照度值

3.2 LED隧道燈功率因數獎懲能耗計算方案

為了激勵用戶對功率因數下降造成能源浪費問題的重視，減少供電部門的無效經濟負擔，我國出臺了《功率因數調整電費辦法》，對相應功率因數用電設備的計算電費進行功率因數獎懲[7～8]。功率因數調整電費統計結果見表1。

表1 功率因數調整電費統計表

通過對長期運營LED隧道照明燈具的現場實際測試，結果發現隨著使用時間的增長，LED照明燈的功率因數隨著下降[9]。LED照明燈起初功率因數一般均可達到0.98左右，大概使用一年半左右，其降低至0.75左右，綜合能耗隨之升高。LED隧道照明燈不同時期不同功率因數條件下用電能耗率可用如下數學表達式進行表示。

W——LED照明燈某時段的實測能耗

P0——LED照明燈的初始能耗值

Pt——LED照明燈某時刻的能耗值

4 LED隧道燈照明光效分析及養護決策

通過對某LED隧道燈照明光效進行不間斷6000h照明光效的長期測試，監測照度、功率、能耗及功率因數的變化情況。表2為其測試照度和光衰的計算結果。

表2 6000h間LED照明燈照度和光衰測試結果

由表2可知，LED隧道燈照度隨用燈時間呈逐級下降趨勢，1000h其光衰為0.76%，3000h其光衰為3.13%，6000h的光衰為5.74%，雖然監測過程中部分時刻光衰結果保持不變或微小降低，但整體呈增加趨勢，其測試結果符合公路隧道LED照明燈的應用實際。某LED隧道照明燈光衰測試曲線圖如圖1所示。

圖1 6000h內某LED隧道燈光衰變化曲線圖

為實現對LED光衰曲線進行擬合回歸分析，通過對各冪次回歸曲線方程與實際測試光衰曲線誤差的逐一比對，最終結果顯示三次曲線擬合方程所得結果與實際光衰曲線的殘差值最小，如圖2所示，這一過程將LED光衰隨時間變化的關系量化，即形成如下三次曲線擬合表達計算式：y=0.0001447x3-0.009419x2+0.3626x-0.7023，有助于隧道照明燈具運營管理及維護者及時掌握照明燈具光照效能的變化情況。

圖2 三次曲線擬合值與實際測試光衰值絕對誤差條形圖

實際應用中為保持原有LED隧道燈的照明光效，LED燈視在功率及無功功率均持續增大，功率因數隨之下降，也即用一定的電耗來維持一定的光效，其競技平衡性需做進一步考量。對此，國家半導體照明工程研發及產業聯盟推薦性技術規范（LB/T003-2009）顯示，LED燈在額定電壓和頻率下工作實際功率因數不得低于0.90[10]。以100W的LED燈為例，按功率因數獎懲系數計算其獎懲電費，見表3。

表3 100WLED燈不同功率因數下獎懲電費計算表

工程實際表明，高速公路上一座長4km的隧道，除風機等其他用電設備外，光照明用電的總功率就達195.826kW，不同功率因數電費獎懲標準及長時間運營條件下，電費支出相距甚大。表4為該隧道在不同功率因數下年獎懲電費和綜合能耗率。

表4 4km隧道照明年獎懲電費及年能耗統計表

采用“有無”對比的分析方法，對不同功率因數下對應的年能耗率及其費用進行對比分析，從表4可以看出功率因數從0.95降至0.91，一座4km隧道照明年綜合能耗就增加0.6%，直接超支電費0.8749萬元/年，當功率因數降至0.75時，年綜合能耗就增加8.32%，直接超支電費12.03萬元/年。

圖3 不同功率因數對應年能耗率及其費用柱狀圖

從圖3可以看出，隨著功率因數不斷降低，隧道照明年電能耗資及耗資率將出現非比例性的大幅度增長。另外，功率因數的降低還會引起電力網電能損耗的增加，在本文的研究中暫未考慮，該問題非常容易被忽視。因此，項目業主或隧道管養單位可以根據具體運營隧道LED照明燈具的實際能耗變化情況，結合工程養護和更換新燈具的費用情況，對隧道LED照明燈具的養護時間、頻率和方法做出全面、準確科學的評價。

5 結論

本文針對LED照明燈具在現有高等級公路隧道長期運營管理中P-N結升溫過大，導致綜合光效降低的現實問題，以電能浪費和照明光效的經濟平衡性為出發點，通過長期的室內外試驗數據積累和監測，科學分析了LED隧道照明燈具隨著使用時間的增長，其能耗、照度、光衰及功率因數的變化規律，為運營隧道照明燈具的養護頻率、時間和方法提供了科學依據和決策，旨在節能減排的前提下最大限度地提高照明能效，本文研究成果對大幅降低公路隧道的運營及管理費用具有重大的現實意義。