城市道路隧道工程光源的應用

鄒儀

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海200092）

0 前言

隨著城市交通的發展，隧道已經顯現出越來越重要的作用，以上海市為例，目前已建成延安東路隧道、打浦路隧道、翔殷路隧道、上中路隧道、軍工路隧道、人民路隧道、新建路隧道及龍耀路隧道等九條隧道，到2020年黃浦江上越江設施的總規模將達到99個車道。按以上數據保守估計，這些隧道的年照明總量約8 500萬kW左右，如果按1 kW·h平均0.7元計算，則一年的照明費用約6 000萬元。

隧道照明照度、舒適度及安全性要求均高于室外道路，與之相伴的是用電能耗的增加，是城市道路中投資運營較大的一種道路形式。因此使用最有效的照明光源是照明節能的重要途徑之一，對隧道照明光源的分析是非常必要的。作為一個成熟的設計師，應根據項目的規模、資金及運營對方案進行論證，是保證隧道長期有效運行的關鍵。

1 隧道照明的特點

隧道照明不同于普通室外道路照明,有其獨特性，除了要確保隧道中的行車安全、最大程度地降低事故發生率，還需同時滿足人體視覺的舒適性。其主要特點有以下幾點。

1.1 隧道照明要求安全性高

隧道結構封閉，車流量大，由于機動車排出的尾氣集聚在隧道里而形成煙霧，隧道照明燈光被煙霧吸收和散射形成光幕，降低了隧道內部的能見度，一旦出現火災和交通事故，救援和疏通有難度。色溫、顯色性、啟動時間及頻閃等技術指標是光源的安全性及舒適性的重要體現。

1.2 日常維護成本高

封閉空間要求照明燈具24 h亮燈，洞口照明用電量大，選用長壽命高效的照明光源，是保證隧道長期有效運行的關鍵。

1.3 光源布置的特殊性。

由于室外明亮的環境與較隧道內的暗環境的巨大反差會使人體視覺產生“適應的滯后現象”，造成在駕駛員隧道進口的”黑洞效應”及出口的”白洞效應”，在隧道洞口和中間段科學布置光源是消除駕駛安全隱患的關鍵。

2 城市隧道電光源的選用

選用電光源首先要滿足照明設施的使用要求（照度、顯色性、色溫、啟動、再啟動時間等），其次按環境條件選用，最后綜合考慮初始投資與年運行費用。目前城市隧道傳統光源以熒光燈、高壓鈉燈及金鹵燈為主，熒光燈舒適性誘導性高，高壓鈉燈及金鹵燈光效高。近年來，LED光源的研究發展迅猛，其超長壽命和節能環保的優勢顯著，是光源發展的方向。城市隧道照明電光源性能比較見表1所列。

3 城市隧道照明設計的案例分析

本文結合廣東“佛山海八路隧道工程設計方案”，以目前在城市隧道較常用的傳統光源—金屬鹵化物燈和熒光燈，以及新型光源—LED大功率白光燈在隧道加強照明、中間段不同組合，探討隧道光源合理的設計方案。

該隧道道路為城市主干道，設計時速80 km/h，洞口亮度取值為3 750 cd/m2，雙向8車道，中間段由8車道漸變為10車道，全長1 155 m，加強照明段路寬16.85 m，中間段路寬20.35 m，路面為瀝青，燈具安裝高度為6.0 m。隧道內設變電所一座，二路10 kV（一用一備）供電，雙線隧道共設照明配電柜4臺，除應急照明燈具外，所有照明燈具的電源均引自照明配電柜。燈具維護系數為0.7。單線隧道采用雙側對稱布置燈具的方式，隧道照明配電電纜采用電纜橋架沿隧道頂部吊裝敷設。依據《公路隧道通風照明設計規范》（JTJ026.1-1999），長度大于1 000 m的隧道應設置應急照明系統，并保證照明中斷時間不超過0.3 s，維持時間不短于3 min。該隧道應急照明燈具由常用照明燈具兼用，在隧道變電所內設EPS作為應急電源。

表1 隧道常用照明電光源性能比較表

4 隧道照明設計方案

通過照度計算,隧道布燈參數見表2所列。

光源設計采用三種方案進行對比,方案1加強照明燈具光源選用金鹵燈，中間段照明燈具光源選用熒光燈；方案2加強照明燈具及中間段照明燈具光源均選用LED；方案3加強照明燈具光源選用金鹵燈，中間段照明燈具光源選用LED（見表3～5）。

表2 隧道隧道布燈參數表

表3 方案1：金鹵燈及熒光燈方案一覽表

表4 方案2：全LED燈方案一覽表

表5 方案3：金鹵燈及LED燈方案一覽表

5 方案比較的結果

方案排序結果見表6所列。

表6 方案比較表

從比較結果可以看出，傳統光源方案(方案1)已不具備優勢，方案2及方案3各有千秋。此外方案2、3較方案1在供配電設備投資減少，供電變壓器的容量減少，照明配電開關電流規格降低，EPS的容量也相應減少。

方案3性價比最高，兼顧投資及維護成本，是目前較常選用的方案。方案2在社會效應上最具優勢，符合節能減排的國策，受到政府的大力扶持。

通過上述方案比較可知，設計師在項目建設前期應與業主多溝通，通過設計方案比選，協助業主確定最適合的方案,避免后期施工圖設計的返工。此項目最終選擇方案2。

6 城市隧道工程采用LED光源的優勢

LED作為新型光源，具有超長壽命，低功耗、發光效率高、啟動時間短、顯色指數高、綠色環保等諸多優點。

6.1 長壽命

LED（發光二極管）是一種固態的半導體器件，其發光原理有別于傳統光源，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子,它們之間就形成一個P-N結。在P-N結的P型的一端加上正向電壓，空穴就會流向N型一端,同時電子就會流向P型一端，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量。因此它內部無燈絲，無玻璃泡、不怕震動、不易破碎，從而避免了常規光源由于燈絲玻璃泡損壞而造成光源報廢的難題，大大延長了光源的使用壽命。

傳統照明光源需要頻繁更換光源，LED光源則能做到長期的免維護。以光源壽命50 000 h計算，一盞LED燈在隧道可以使用5a以上。大大降低運營成本。

6.2 綜合效率高

傳統光源燈具由于反射器對光線的吸收作用，以及光線反射時受到自身光源的遮擋或反射器對光源的再吸收，致使燈具效率一般在70%左右。而LED光源是半空間定向發光，大功率LED的后工藝可根據需要封裝成60°～180°的出光角，而光通量幾乎不變。燈具效率可以達到90%。

6.3 白光LED顯色性高,色溫適中

發光二極管的顏色與半導體材料及其加工工藝有密切關系。在P型和N型材料中摻入不同的雜質，就可以得到不同顏色的發光二極管。顯色指數、色溫均可變，完全可以根據照明需要選擇。GB/T24907-2010中道路照明用LED燈性能要求規定，道路照明用LED燈顯色指數初始額定值為70，實測不得低于此值。而GB/T24823-2009中普通照明用LED模塊性能要求則規定,一般顯色指數為80。

6.4 LED燈可瞬時啟動

眾所周知，高強度氣體放電燈（HID燈）從啟動到達到正常的亮度需10 min以上，再啟動的時間更長。LED因半導體特性可瞬時啟動，響應快、頻繁啟動或關斷。

6.5 LED燈可調光

高強度氣體放電燈是以犧牲使用壽命來實現調光功能，而LED燈無此顧慮，LED作為數字化可調光源，可快速控制響應，實現0～100%光輸出無級電子調光。

6.6 LED燈綠色環保

LED為半導體芯片發光，因此無燈絲、無玻璃泡、不怕震動、不易破碎、不含鉛、汞等污染元素，利于回收，對環境沒有任何污染。

光線無紫外線（UV）和紅外線（IR），對人體無傷害、無輻射。

7 LED燈目前存在的主要問題

LED節能燈光效仍然不高，CREE公司實驗室最高光效已達260 lm/W，而市面上的單顆大功率LED也已經突破100 lm/W，制成的LED燈，由于電源效率損耗，燈罩的光通損耗，實際光效在60～70 lm/W。作為新一代的光源，LED節能燈光效如果能達到120 lm/W，到那時才是LED燈具的春天。

一個好的LED節能燈，應該由四部分組成：優質的LED芯片，恒流隔離電源，相對燈具功率的合適的散熱器，光擴散效果柔和不見點光源的燈罩。這需要在燈具二次配光設計、散熱器的結構設計和電源設計等方面進一步的發展。

LED燈價格過高，LED單體價格，散熱器，高效恒流電源，高透光率柔和燈罩，四者成本集體推高LED成本。

8 結語

通過實際案例及對LED光源分析，可以得出這樣的結論：LED作為一種新型的節能、環保的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢。根據近日公布的一份“上海市‘十二五’半導體照明產業發展規劃（審定稿）”，按照我國六部委聯合發文“十二五”期間，LED功能性照明市場占有率須達到20%。按此推算上海目前40萬盞路燈中的20%，約8萬盞改造成LED路燈。而隧道內LED的使用環境更優于室外道路，在降低能耗與運行成本上更具優勢，值得優先推廣。

[1]JTJ026.1-1999，公路隧道通風照明設計規范 [S].

[2]GB/T24907-2010，道路照明用LED燈性能要求 [S].

[3]GB/T24823-2009，普通照明用LED模塊性能要求 [S].

[4]俞麗華.電氣照明[M].