本文論述了影響隧道能耗的主要因素，提出了LED隧道照明調(diào)光控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方式，分析了該控制的優(yōu)勢(shì)與經(jīng)濟(jì)性。

　　1引言

　　按需照明一直是照明科技領(lǐng)域追求的理想形式，由于傳統(tǒng)光源亮度難以控制，而設(shè)計(jì)時(shí)又必須考慮足夠的設(shè)計(jì)冗余，因此公路隧道普遍存在過(guò)度照明、電能浪費(fèi)巨大的現(xiàn)象，過(guò)度照明能耗高達(dá)50%～90%。隨著LED照明的發(fā)展，明亮度智能無(wú)級(jí)控制已成為現(xiàn)實(shí)。本文結(jié)合安徽一些隧道LED照明調(diào)光控制的實(shí)踐，就這一問(wèn)題進(jìn)行探討。

　　2 影響照明能耗的主要因素

　　影響隧道照明能耗的因素主要有洞外亮度、光源、電源、維護(hù)系數(shù)和路面類型，本文主要對(duì)前四個(gè)因素進(jìn)行討論。

　　2.1 洞外亮度

　　我們知道，隧道內(nèi)加強(qiáng)照明的標(biāo)準(zhǔn)值都是根據(jù)隧道洞外的亮度乘以一個(gè)系數(shù)得來(lái)的。以80km/h的雙車道單向交通為例，若設(shè)計(jì)交通量大于等于2400輛/h時(shí)，其入口段的亮度折減系數(shù)為0.035。圖(1-1)為不同的洞外亮度情況下加強(qiáng)照明能耗相對(duì)百分比，以4000 cd/㎡為100%。從圖中可以看出，洞外亮度對(duì)隧道能耗影響相當(dāng)大。這也給節(jié)能帶來(lái)了相當(dāng)大的空間。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》，入口段亮度可按下式計(jì)算： Lth=kL20(S) (式1-1)

　　式中，Lth為入口段亮度，k為入口段亮度折減系數(shù)，L20(S)為洞外亮度。雖然在設(shè)計(jì)隧道照明時(shí)，我們要求按照夏天中午時(shí)的最大洞外亮度進(jìn)行計(jì)算加強(qiáng)照明的亮度，并考慮到足夠的冗余，以確保運(yùn)營(yíng)期間的每一天且燈具的亮度衰減到額定值的下限時(shí)，洞內(nèi)照明強(qiáng)度依舊能夠滿足規(guī)范要求。但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)期間，洞外亮度會(huì)隨著天氣、季節(jié)和時(shí)辰的不同而每時(shí)每刻都在變化，即式(1-1)中的L20(S)時(shí)刻在變化，它會(huì)從幾十坎德拉變化到幾千坎德拉。L20(S)變化了，依據(jù)公式Lth也應(yīng)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(jiǎn)單地分幾個(gè)等級(jí)進(jìn)行變化，都會(huì)造成巨大地電能浪費(fèi)。下面的圖(1-2)示出了晴天隧道洞外亮度的變化情況。

　　圖(1-3)示出了晴天分級(jí)調(diào)光系統(tǒng)與LED無(wú)級(jí)調(diào)光系統(tǒng)的調(diào)光功率、能耗對(duì)比。其中LED燈設(shè)計(jì)功率線與夏至功率需求曲線中午時(shí)的最大值之差為維護(hù)系數(shù)和設(shè)計(jì)冗余。圖中曲能耗也是實(shí)際需求的2倍。因此，隧道加強(qiáng)照明若能采用智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)洞外亮度進(jìn)行跟蹤，實(shí)時(shí)調(diào)整洞內(nèi)亮度，即可實(shí)現(xiàn)按需照明的目標(biāo)。

　　對(duì)于東西走向的隧道而言，若入口位于隧道的東側(cè)，則上午陽(yáng)光照射到東面山體，使洞口亮度較高。午后東面山體轉(zhuǎn)為陰暗面，洞外亮度急劇下降，這使得入口段加強(qiáng)照明的強(qiáng)度較上午又大幅減小。采用亮度智能無(wú)級(jí)控制后，洞內(nèi)照明就會(huì)順應(yīng)這種變化，如圖(1-4)所示。其夏至晴天照明能耗僅為鈉燈的18%，而冬至?xí)r僅為12%，節(jié)能高達(dá)80%以上。

　　2.2 光源

　　隧道照明的標(biāo)準(zhǔn)值在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中是有具體規(guī)定的。 若照度大幅度地超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，則屬過(guò)度照明。由于高壓鈉燈光源的功率規(guī)格通用型只有100W、150W，250W和400W幾種，而許多高速公路隧道基本照明燈具僅需40～120W即可，但市場(chǎng)上技術(shù)成熟的高壓鈉燈光源并沒(méi)有這些規(guī)格，因此隧道的基本照明不得不選用100W或150W的高壓鈉燈。這使得隧道單側(cè)開(kāi)燈亮度不夠，雙側(cè)開(kāi)燈過(guò)渡照明現(xiàn)象嚴(yán)重。 而選用LED燈具，其設(shè)計(jì)功率一般在20～70W之間，過(guò)度照明較鈉燈要低得多，但依舊存在著過(guò)度照明。若采用隧道LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)，則可根據(jù)需要進(jìn)行照明。標(biāo)準(zhǔn)要求多亮，隧道內(nèi)就提供多亮。可有效地避免過(guò)度照明造成的電能浪費(fèi)現(xiàn)象。

　　2.3 電源

　　氣體放電燈對(duì)電源電壓的穩(wěn)定度要求較高，一般變化在6%以內(nèi)，否則能耗將大幅增加，光源壽命大幅減小。圖(1-5)為250W高壓鈉燈和200W的LED燈在不同電源電壓下的功率曲線圖。

　　從圖中可以看出，在夜晚電源電壓高達(dá)250V左右時(shí)，高壓鈉燈(含鎮(zhèn)流器)的功率為378W，較額定值增加了40%。在這種電壓下，鈉燈的壽命(亮度衰減50%時(shí)的工作時(shí)間，一般額定狀態(tài)下為2萬(wàn)小時(shí))會(huì)大幅折減，幾乎不足額定壽命的30%。這就是鈉燈用于路燈時(shí)實(shí)際功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出額定功耗的主要原因，也是夜晚越點(diǎn)越亮的主要原因。而LED燈的功耗幾乎不隨電源電壓變化。這又為節(jié)能提供了相當(dāng)大的空間。

　　2.4 維護(hù)系數(shù)

　　通常在設(shè)計(jì)燈具功率時(shí)，必須考慮一定的維護(hù)系數(shù)，以確保運(yùn)營(yíng)過(guò)程中當(dāng)光源亮度衰減和燈具受到污染而使亮度下降30%以上時(shí)，其照明強(qiáng)度依舊能夠滿足規(guī)范要求。在《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中，維護(hù)系數(shù)取0.7。如某一隧道基本照明選用100W的燈具亮度剛好滿足規(guī)范要求，則在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)必須選用功率大于143W的燈具。即使這樣，也還是會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樘热艄庠垂庑晕⒉钜稽c(diǎn)，就有可能造成運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后亮度低于規(guī)范要求。因此為了確保隧道照明始終能夠滿足規(guī)范要求，通常設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮一定的設(shè)計(jì)冗余。一般在1.2倍左右。上面100W剛好滿足的燈實(shí)際的設(shè)計(jì)功率應(yīng)在170W左右才符合要求。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)期間，如果單側(cè)開(kāi)燈，則亮度不夠，如果雙側(cè)開(kāi)燈，則過(guò)度照明現(xiàn)象嚴(yán)重，這是恒定亮度燈具的一大弊端。如果采用LED亮度無(wú)級(jí)控制，即可有效地防止由于設(shè)計(jì)維護(hù)系數(shù)和冗余所產(chǎn)生的電能浪費(fèi)現(xiàn)象。

　　3 合肥壽春路隧道LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制

　　目前隧道照明的能耗有70%左右是浪費(fèi)在過(guò)渡照明上。因此，隧道照明節(jié)能，首先必須從減少過(guò)度照明著手。若要減少過(guò)度照明，就要求照明燈具的功率能夠根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)控。那種用單純減小燈具設(shè)計(jì)功率以減少過(guò)度照明的方法是不可取的。因?yàn)檫@種方法會(huì)使照明系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后亮度就會(huì)低于規(guī)范要求。到那時(shí)，除非增加燈具數(shù)量，否則就只有采用降低行車速度或頻繁更換光源的方法來(lái)解決了。調(diào)整照明強(qiáng)度有兩種方式，一是采用多回路進(jìn)行分級(jí)調(diào)光。通常最多只分到6級(jí)，即白天4級(jí)，夜晚2級(jí)。這種簡(jiǎn)單分級(jí)方式依舊存在較為嚴(yán)重的過(guò)度照明。二是采用無(wú)級(jí)調(diào)光。這種方式只需要二個(gè)回路，即基本照明回路和加強(qiáng)照明回路。這種無(wú)級(jí)調(diào)光方式是基于LED光源基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。它可使燈具亮度根據(jù)需要任意調(diào)整，隧道內(nèi)需要多亮，照明燈具就提供多大的亮度，在滿足規(guī)范的前提下避免了過(guò)度照明，最大限度地節(jié)約了電能。2008年10月份通車的合肥市壽春路隧道就是采用這一方案的典型工程。

　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖(2-1)為壽春路隧道LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)施方案。洞外亮度監(jiān)測(cè)裝置將檢測(cè)到的隧道洞外亮度信號(hào)傳送至控制裝置上，再由其換算后輸出0～5V直流模擬信號(hào)去控制LED燈具的輸出功率，從而達(dá)到控制被照?qǐng)鏊炼鹊哪康摹?/P>

　　圖(2-2)為采用LED亮度智能無(wú)級(jí)控制的合肥市壽春路隧道，為雙向4車道。

　　圖(2-3)為安景高速公路前家山隧道LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制現(xiàn)場(chǎng)圖片。從圖中可以看出采用LED光源光線明快，色彩清晰。

　　3.2控制方式

　　3.2.1基本照明控制

　　隧道內(nèi)基本照明的特點(diǎn)是工作時(shí)間長(zhǎng)，需要24小時(shí)持續(xù)照明。根據(jù)這一特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)基本照明亮度時(shí)考慮了足夠的冗余量。但在使用時(shí)，我們并不需要將設(shè)計(jì)冗余全部用上，即滿功率工作;而是需要多少功率就提供多少功率。在未來(lái)若干年內(nèi)，當(dāng)燈具出現(xiàn)一定的光衰時(shí)，可通過(guò)控制系統(tǒng)相應(yīng)增加燈具的輸出功率，使隧道內(nèi)的基本照明強(qiáng)度始終都能滿足規(guī)范要求而又不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度照明。

　　3.2.2加強(qiáng)照明控制

　　隧道加強(qiáng)照明燈具早晨開(kāi)啟和晚上關(guān)斷的時(shí)間以及燈具開(kāi)啟后的亮度調(diào)節(jié)均由控制裝置進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的洞外亮度數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后去控制洞內(nèi)燈具的輸出功率。這種自動(dòng)跟蹤洞外亮度，調(diào)節(jié)洞內(nèi)亮度的照明方式，有效避免了過(guò)度照明，實(shí)現(xiàn)了按需照明的目標(biāo)，最大限度地節(jié)約了電能。

　　3.2.3應(yīng)急照明控制

　　隧道的應(yīng)急照明燈具又兼做基本照明燈具，均由EPS電源供電。當(dāng)市電斷電時(shí)，控制裝置瞬間將基本照明燈具的功率同步控制到額定功率的15%左右。這使得系統(tǒng)在市電斷電情況下應(yīng)急照明的配光特性與原先的基本照明相同，最大限度地避免了交通事故的發(fā)生。

　　4 LED調(diào)光控制的優(yōu)越性

　　隧道采用LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)后，節(jié)能只是其優(yōu)越性的一個(gè)方面。由于節(jié)能，它的工作溫度絕大部分時(shí)間都處在一個(gè)較低的水平。而工作溫度的降低，又會(huì)衍生出其他的效益：

　　(1)亮度無(wú)級(jí)控制，比分級(jí)控制的同類燈具更節(jié)能40%，比鈉燈照明節(jié)能70%～90%。

　　(2)由于一年中只有夏天的中午，加強(qiáng)照明燈具才接近滿功率工作，大多數(shù)時(shí)間均在10%～60%的功率下工作;而基本照明的設(shè)計(jì)冗余留到遠(yuǎn)期再用，近期的工作功率也低于燈具的額定功率。這使得燈具和電源的長(zhǎng)期工作溫度非常低，不僅可大幅減小LED的光衰，還延長(zhǎng)了LED和電源的壽命。

　　(3)下半夜功率可同步減半，燈具配光特性保持不變，避免了單側(cè)關(guān)燈所產(chǎn)生的危及行車安全的斑馬效應(yīng)。

　　(4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只須2個(gè)回路，即一個(gè)基本照明回路和一個(gè)加強(qiáng)照明回路。基本照明又兼應(yīng)急照明;當(dāng)市電斷電時(shí)，所有基本照明的功率均降至額定功率的10%，從而確保了照度的均勻性。

　　(5)當(dāng)隧道未達(dá)到設(shè)計(jì)車流量時(shí)，可依據(jù)規(guī)范對(duì)洞內(nèi)照明強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)折減，折減量可根據(jù)需要任意設(shè)定，以確保在滿足規(guī)范的前提下最大限度地節(jié)約電能，避免過(guò)度照明，使系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)師們追求的按需照明的設(shè)計(jì)理念。

　　(6)與分級(jí)調(diào)光系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可節(jié)約相當(dāng)數(shù)量的電纜、控制箱及相應(yīng)電氣的費(fèi)用。

　　5 LED調(diào)光控制的經(jīng)濟(jì)性

　　在計(jì)算鈉燈分級(jí)調(diào)光照明系統(tǒng)與LED智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)投資運(yùn)營(yíng)費(fèi)用對(duì)比時(shí)，我們選取了一條2km的隧道作為對(duì)比隧道。該隧道設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，單向2車道，設(shè)計(jì)車流量700輛/h。隧道路面寬度10.5m，采用水泥路面。

　　圖(3-1)為鈉燈分級(jí)調(diào)光照明系統(tǒng)與LED智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)各項(xiàng)費(fèi)用的投資運(yùn)營(yíng)對(duì)比直方圖。投資費(fèi)用包括燈具、電纜和電氣設(shè)備(包括變電站、應(yīng)急電源、配電箱(柜)以及燈具以外的電器等)。天氣情況按每年晴天165天，云天100天，陰天50天和重陰天50天進(jìn)行計(jì)算。電費(fèi)按商業(yè)用電價(jià)1元/kWh計(jì)算。

　　從圖(3-1)中可以看出，兩種方案一次性投資費(fèi)用相差并不大，但由于LED燈每年可節(jié)省近40萬(wàn)元電費(fèi)，若隧道在設(shè)計(jì)車流量條件下按規(guī)范要求開(kāi)燈，則不到3年即可收回增加的投資。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文的工作主要有5點(diǎn)，1)洞外亮度、光源、電源與設(shè)計(jì)的冗余系數(shù)大小是隧道照明能耗的主要影響因素;2)采用LED隧道照明可簡(jiǎn)化供電回路設(shè)計(jì)，節(jié)約電纜與變壓器的投資;3)LED調(diào)光控制可基于洞外亮度與交通量，實(shí)現(xiàn)按需照明，大大減少照明能耗;4)雖然目前LED隧道燈比高壓鈉燈貴，但實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制后這具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，投資回收期一般為3年左右。

　　參考文獻(xiàn)

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　　*交通部西部項(xiàng)目滬蓉西公路隧道(群)安全與節(jié)能技術(shù)研究