LED隧道照明的優(yōu)化

鄧云塘

(飛利浦 (中國(guó))投資有限公司，上海 201801)

1 前言

這幾年，隨著國(guó)家高速公路的飛速建設(shè)和城市范圍的擴(kuò)張，公路穿山隧道和城市水底隧道大量涌現(xiàn)，隧道照明的需求持續(xù)上升。同時(shí)，這幾年也是LED、Cosmo和無(wú)極燈等新型照明技術(shù)出現(xiàn)和在道路照明領(lǐng)域應(yīng)用蓬勃發(fā)展的時(shí)間，隧道因?yàn)槠涿刻?4小時(shí)持續(xù)照明的特點(diǎn)，對(duì)新型節(jié)能照明的渴求尤為強(qiáng)烈，出現(xiàn)了大量使用有別于傳統(tǒng)高壓鈉燈和熒光燈的隧道照明項(xiàng)目，其中LED最受青睞，僅2010年就有10萬(wàn)盞LED隧道燈應(yīng)用于中國(guó)隧道，并都宣稱取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。但照明行業(yè)內(nèi)部人士從專業(yè)角度去評(píng)價(jià)這些應(yīng)用時(shí)卻在許多項(xiàng)目上發(fā)現(xiàn)了一些照明質(zhì)量上的問(wèn)題，其中主要集中在亮度水平和亮度均勻度不能達(dá)標(biāo)，其次就是閃爍頻率位于不舒適區(qū)間。本文希望在堅(jiān)守隧道照明規(guī)范的前提下，分析幾種LED隧道照明配光的優(yōu)劣。

2 隧道照明規(guī)范

絕大部分隧道的使用者是機(jī)動(dòng)車(chē)輛駕駛員，因此隧道照明規(guī)范的根本出發(fā)點(diǎn)是駕駛員的視覺(jué)功效，視覺(jué)功效主要由對(duì)小目標(biāo)的探測(cè)能力和反應(yīng)時(shí)間來(lái)衡量，而這兩者與背景 (路面和墻面)亮度和亮度的均勻度直接相關(guān)，同時(shí)照明光源產(chǎn)生的眩光也會(huì)對(duì)此有影響。除此之外，如果車(chē)道縱向均勻度不佳，或車(chē)輛每秒行駛經(jīng)過(guò)的燈具數(shù)量造成的閃爍頻率不合理，會(huì)造成駕駛員的不舒適，也會(huì)影響駕駛行為。因此，隧道照明規(guī)范的核心指標(biāo)是如下幾個(gè):

(1)路面平均亮度Lav:路面各點(diǎn)在照明設(shè)備壽命期內(nèi)最小維持亮度的平均值，取決于燈具的配光分布和光源的光通量、安裝條件、路面反射特性。該值的高低主要取決于隧道交通量和設(shè)計(jì)車(chē)速 (內(nèi)部基本段)，也與隧道洞外亮度相關(guān) (入口和過(guò)渡段)。

(2)路面亮度均勻度Uo:路面最小亮度與平均亮度的比值，要根據(jù)CIE140—2000的方法計(jì)算。該指標(biāo)對(duì)控制路面最小可見(jiàn)度很重要。規(guī)范［2］要求大于0.4(高交通流量)或0.3(低交通流量);而CIE［5］建議大于 0.4。

(3)車(chē)道縱向均勻度Ul:是平行于道路走向的一條或幾條線上 (車(chē)道中心線)的最小亮度與最大亮度的比值，要根據(jù)CIE140—2000的方法計(jì)算。該指標(biāo)主要與舒適度有關(guān)，目的是防止路上明暗交錯(cuò)的斑馬紋過(guò)于明顯，僅適用于連續(xù)的長(zhǎng)隧道。規(guī)范［2］要求大于0.6～0.7(高交通流量)或0.5(低交通流量);CIE［5］建議大于 0.6。

(4)失能眩光TI:是衡量由于道路照明燈具眩光源引起的可見(jiàn)度降低的一個(gè)指標(biāo)，其含義是基于要達(dá)到?jīng)]有眩光的同樣的可見(jiàn)度 (也就是說(shuō)，觀察者不受燈具本身眩光的影響)，在有失能眩光的情況下需要增加的亮度百分比。規(guī)范［2］對(duì)此沒(méi)有定量要求，但CIE［5］有明確規(guī)定，在除出口外的隧道各區(qū)段，失能眩光不得大于15%。從視覺(jué)功效的照明本質(zhì)出發(fā)，應(yīng)該考慮該指標(biāo)。現(xiàn)在也有從業(yè)者把隧道當(dāng)成室內(nèi)照明應(yīng)用，用UGR指標(biāo)來(lái)考量LED隧道照明的眩光高低，筆者認(rèn)為在CIE有明確定義隧道照明眩光指標(biāo)是TI的情況下，遵循CIE的規(guī)定更為妥當(dāng)。

(5)閃爍頻率F:車(chē)輛每秒經(jīng)過(guò)的燈具數(shù)量，即車(chē)速 (m/s)除以燈具間隔 (m，兩個(gè)相鄰燈具的光中心距離)，單位為Hz。規(guī)范［2］要求閃爍頻率應(yīng)大于15Hz或小于2.5Hz，CIE［5］同時(shí)建議對(duì)于行駛時(shí)間超過(guò)20s的隧道，應(yīng)避免閃爍頻率位于4～11Hz之間。

(6)2m墻面亮度Lw:從路面往上2m范圍內(nèi)的墻面平均亮度。規(guī)范［2］要求2m墻面平均亮度不低于該路段路面亮度，CIE［5］建議不低于路面亮度的60%，同時(shí)2m墻面亮度均勻度不低于0.4。

成功的隧道照明項(xiàng)目應(yīng)同時(shí)滿足上述所有照明指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求。

3 LED隧道照明的現(xiàn)狀分析

LED由于其理論上高效、長(zhǎng)壽、可靠等特性，非常吸引隧道業(yè)主，因而應(yīng)用日趨廣泛。但我們同時(shí)也看到，由于行業(yè)水平參差不齊，也有大量并不科學(xué)規(guī)范的LED隧道照明出現(xiàn)。筆者調(diào)查考察了國(guó)內(nèi)的幾條應(yīng)用LED照明的隧道，發(fā)現(xiàn)普遍存在照明指標(biāo)不達(dá)標(biāo)的情況，其中有些是運(yùn)營(yíng)方為節(jié)能減少開(kāi)燈的原因造成的，但本質(zhì)上還是燈具光學(xué)設(shè)計(jì)或項(xiàng)目應(yīng)用設(shè)計(jì)的不足。

圖1為一條在考察前8個(gè)月通車(chē)的高速公路隧道，該高速公路設(shè)計(jì)時(shí)速 100km/h，隧道時(shí)速80km/h，即使按低交通流量考慮，規(guī)范要求隧道內(nèi)部基本照明平均亮度也應(yīng)該不低于2cd/m2，但實(shí)測(cè)平均亮度約1.52cd/m2，平均照度約28 lux。可以想象如果到燈具壽命結(jié)束，光衰不可避免，整體亮度值還會(huì)有明顯的下降。路面亮度均勻度和車(chē)道縱向均勻度從照片看明顯不達(dá)標(biāo)。之所以有這樣的問(wèn)題，有燈具間隔開(kāi)關(guān)的原因，但如果全部開(kāi)啟，燈具間隔約6m，閃爍頻率為3.7Hz，也有不妥。

圖2 為一條國(guó)道公路隧道，燈具安裝間距9m，照片效果為間隔式開(kāi)關(guān)燈，即亮燈間距18m，實(shí)測(cè)平均亮度0.65cd/m2，平均照度16 lux(新鋪瀝青路面，亮度系數(shù)低)。圖3是所有燈具全開(kāi)的效果，即使如此，仍能看到非常明顯的斑馬效應(yīng)，特別是墻壁照明。

這兩個(gè)隧道照明的配光都屬于使用反射器的短或中投射矩形配光。

圖2

圖3

許多LED的廠商在推薦產(chǎn)品的時(shí)候，總是用視覺(jué)理論來(lái)強(qiáng)調(diào)白光在道路照明應(yīng)用相對(duì)傳統(tǒng)鈉燈黃光的高效節(jié)能，動(dòng)輒宣稱同樣照度下白光的亮度是黃光的兩倍甚至4倍，降低LED照明應(yīng)用的照度從而用低瓦數(shù)LED燈具與高瓦數(shù)鈉燈比較來(lái)講節(jié)能的故事。但如果仔細(xì)閱讀最新的《基于視覺(jué)功效的中間視覺(jué)光度測(cè)試推薦系統(tǒng) CIE191:2010》［1］，無(wú)論是MOVE系統(tǒng)，還是MES1或MES2系統(tǒng)，在隧道照明亮度水平下 (高速公路隧道大于2cd/m2，城市隧道或普通公路隧道大于1.5cd/m2)，即使是S/P達(dá)到2.95的日光色白光，中間視覺(jué)效應(yīng)對(duì)白光的貢獻(xiàn)最多也不超過(guò)20%(對(duì)應(yīng)亮度水平:1.5cd/m2)。因此，人眼的中間視覺(jué)特性并不能成為L(zhǎng)ED節(jié)能爬高的桿，不是大幅度降低照度的理由。

改變LED隧道照明現(xiàn)狀的亂象必須嚴(yán)抓照明應(yīng)用規(guī)范，從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用設(shè)計(jì)著手，真正實(shí)現(xiàn)LED在隧道照明領(lǐng)域的有效節(jié)能，并降低在燈具壽命期內(nèi)用戶的使用成本。

4 LED隧道照明的優(yōu)化思路

LED隧道照明的思路主要指燈具配光形式設(shè)計(jì)和項(xiàng)目照明應(yīng)用設(shè)計(jì)，這兩者其實(shí)密切相關(guān)，可一并討論。

由于亮度測(cè)試的困難，國(guó)內(nèi)道路 (含隧道)項(xiàng)目大多仍簡(jiǎn)單采用平均照度和照度均勻度來(lái)衡量照明質(zhì)量?jī)?yōu)劣，這也直接導(dǎo)致一些LED隧道燈具廠商在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)并不重視隧道照明規(guī)范中對(duì)亮度相關(guān)指標(biāo)的要求，以達(dá)到平均照度和最好的照度均勻度為出發(fā)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行配光設(shè)計(jì)，其中也有實(shí)現(xiàn)照度均勻度比實(shí)現(xiàn)亮度均勻度簡(jiǎn)單得多的原因，市場(chǎng)上因此大量充斥小投射角的矩形和蝙蝠翼配光的LED隧道燈和路燈。這些燈具應(yīng)用于隧道和道路照明，測(cè)試能實(shí)現(xiàn)很高的照度均勻度 (有的甚至達(dá)到總體照度均勻度大于0.8，縱向照度均勻度超過(guò)0.9，參見(jiàn)［3］)，近看也有很高的亮度均勻度，但如果從駕駛員視角 (60～160米遠(yuǎn)處)觀察則會(huì)在燈具下端地面有明顯的暗區(qū)，而這恰恰是駕駛員視覺(jué)功效所忌諱的，也是隧道照明規(guī)范所不允許的。

事實(shí)上，由于路面的點(diǎn)照度僅與燈具對(duì)該點(diǎn)投射的光強(qiáng)和投射角度、投射距離有關(guān)，亮度除此之外還與該點(diǎn)路面在觀察方向上的反射特性密切相關(guān)，而路面反射特性在各個(gè)方向上差別非常大，在實(shí)際安裝應(yīng)用中，計(jì)算照度僅需考慮路面走向四倍安裝高度范圍內(nèi)的燈具就已經(jīng)有很好的準(zhǔn)確性，但計(jì)算亮度則要考慮觀察點(diǎn)后方四倍安裝高度和觀察點(diǎn)前方12倍安裝高度范圍內(nèi)的燈具貢獻(xiàn)，因此往往最好的照度均勻度反而不能實(shí)現(xiàn)理想的亮度均勻度。

正確的隧道照明燈具配光設(shè)計(jì)思路可參考文章［4］的思路，而且隧道燈的配光相對(duì)路燈來(lái)說(shuō)更簡(jiǎn)單，本文不做配光設(shè)計(jì)的詳細(xì)討論，只是在都能實(shí)現(xiàn)規(guī)范各照明指標(biāo)的前提下談小投射角度和大投射角度 (短投射和長(zhǎng)投射)的LED隧道燈應(yīng)用的比較。

對(duì)稱的矩形配光不適合普通道路照明，但在隧道照明應(yīng)用可以滿足照明需求，還能實(shí)現(xiàn)較好的路面利用效率。然而，在隧道走向上的投射角度大小，最終會(huì)影響整個(gè)隧道照明的初始投資和運(yùn)營(yíng)成本。

首先，短投射LED隧道燈具注定在應(yīng)用時(shí)安裝間距較小，與長(zhǎng)投射LED隧道燈具相比，達(dá)到同樣的平均亮度，單燈光通量和單燈功率都更小，但整個(gè)隧道安裝的燈具數(shù)量更多，在故障率一樣的情況下故障絕對(duì)數(shù)字會(huì)大幅上升，從而造成維護(hù)成本的增加;燈具數(shù)量的增加同時(shí)意味著初始投資的燈具總成本、安裝的人工和材料成本的增加。其次，一般而言功率小的LED隧道燈具的電源效率會(huì)比大功率的低 (除非使用合適功率的LED電源)，所以隧道照明的總功率會(huì)相對(duì)較高;第三，由于投射角小，缺少路面反射特性決定的大角度投射光線對(duì)亮度的的貢獻(xiàn)，要達(dá)到與長(zhǎng)投射燈具照明同樣的路面亮度，短投射燈具需要更多的總光通量，這也意味著更高的總功率。如果用照明計(jì)算軟件模擬，會(huì)發(fā)現(xiàn)同一條隧道用不同配光燈具實(shí)現(xiàn)同樣平均亮度的照明總功率的顯著差別。短投射燈具照明隧道總功率的上升，意味著用電量和電費(fèi)的增加。

所以使用短投射LED隧道燈會(huì)較大幅度的增加業(yè)主的初始投資成本和后期運(yùn)營(yíng)的維護(hù)成本及電費(fèi)支出，即業(yè)主總使用成本 (TCOO)的每一構(gòu)成部分都會(huì)有負(fù)面影響。而總功率的增加自然會(huì)加大隧道路面的照明功率密度 (LPD)，不利于發(fā)揮LED的節(jié)能潛力。

兩種投射類型的LED隧道燈都可以在外形上加工成線條型或矩形，前者具有相對(duì)好的視覺(jué)誘導(dǎo)性，某種程度上還可以避免不舒適的閃爍頻率，但如果嚴(yán)格按照規(guī)范［5］，只有近乎連續(xù)光帶的照明 (相鄰燈具頭尾之間的距離小于燈具長(zhǎng)度)才不受閃爍頻率的限制，所以事實(shí)上線條型燈具也很難滿足規(guī)范在此方面的要求。所以最合理的辦法是加大燈具間距，使閃爍頻率小于2.5Hz，而這是短投射燈具做不到的。

飛利浦BWP350隧道燈一改最初的線條型反射短投射配光設(shè)計(jì)，通過(guò)每顆芯片一個(gè)專業(yè)透鏡實(shí)現(xiàn)隧道照明的長(zhǎng)投射配光特性，系統(tǒng)光效達(dá)到90lm/w和100lm/w，模組化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許現(xiàn)場(chǎng)更換芯片模組和電源，整燈IP66的防護(hù)等級(jí)結(jié)合良好的散熱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)較高的項(xiàng)目維護(hù)系數(shù)。以下例高速公路隧道，通過(guò)照明軟件模擬計(jì)算，來(lái)分析該燈具與其他兩款燈具的應(yīng)用結(jié)果，可以驗(yàn)證前述長(zhǎng)短投射隧道燈具在照明功率密度和業(yè)主總使用成本上的差別。

隧道情況:12.5m寬三車(chē)道的單向隧道，C2瀝青路面，設(shè)計(jì)車(chē)速80公里，高交通流量，項(xiàng)目維護(hù)系數(shù)0.65，燈具安裝高度5.8m，兩側(cè)對(duì)稱安裝，仰角根據(jù)燈具配光特點(diǎn)優(yōu)化。規(guī)范要求平均亮度＞4.5cd/m2，路面亮度均勻度＞0.4，車(chē)道縱向均勻度＞0.7，TI＜15%，閃爍頻率小于2.5Hz或大于15Hz。因?yàn)閴γ娌牧戏瓷渎室?guī)范要求大于0.7，要達(dá)到與路面同樣4.5cd/m2的亮度，2m高墻面垂直照度只需達(dá)到路面照度的1/3即可。

計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)表1。

表1 不同配光隧道燈用于同一隧道的計(jì)算對(duì)比

5 結(jié)論

本文以隧道照明規(guī)范為指導(dǎo)，分析了國(guó)內(nèi)LED隧道照明的現(xiàn)狀，并對(duì)不同配光類型LED隧道燈應(yīng)用于隧道的優(yōu)劣進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)類似于飛利浦BWP350的長(zhǎng)投射隧道燈具具有更低的業(yè)主總使用成本，更小的照明功率密度，能實(shí)現(xiàn)更大程度的節(jié)能和投資。

［1］Recommended System for Mesopic Photometry Based on Visual Performance CIE191:2010

［2］公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ026.1—1999

［3］朱旭，顧鑫等．上海長(zhǎng)江隧道LED照明系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)情況及故障分析

［4］鄒吉平，王建．基于駕駛員視覺(jué)功效角度的道路照明配光方式

［5］Guide For The Lighting of Road Tunnels and Underpasses CIE088:2004 2NDEdition