城市道路隧道工程光源的應(yīng)用

鄒儀

（上海市政工程設(shè)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(fā)展，隧道已經(jīng)顯現(xiàn)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(shè)施的總規(guī)模將達(dá)到99個車道。按以上數(shù)據(jù)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(jié)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(shè)計師，應(yīng)根據(jù)項目的規(guī)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(guān)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(fā)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(jié)構(gòu)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(nèi)部的能見度，一旦出現(xiàn)火災(zāi)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(shù)指標(biāo)是光源的安全性及舒適性的重要體現(xiàn)。

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(guān)鍵。

1.3 光源布置的特殊性。

由于室外明亮的環(huán)境與較隧道內(nèi)的暗環(huán)境的巨大反差會使人體視覺產(chǎn)生“適應(yīng)的滯后現(xiàn)象”，造成在駕駛員隧道進口的”黑洞效應(yīng)”及出口的”白洞效應(yīng)”，在隧道洞口和中間段科學(xué)布置光源是消除駕駛安全隱患的關(guān)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(shè)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(huán)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(tǒng)光源以熒光燈、高壓鈉燈及金鹵燈為主，熒光燈舒適性誘導(dǎo)性高，高壓鈉燈及金鹵燈光效高。近年來，LED光源的研究發(fā)展迅猛，其超長壽命和節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢顯著，是光源發(fā)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(shè)計的案例分析

本文結(jié)合廣東“佛山海八路隧道工程設(shè)計方案”，以目前在城市隧道較常用的傳統(tǒng)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(shè)計方案。

該隧道道路為城市主干道，設(shè)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?yōu)?0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(nèi)設(shè)變電所一座，二路10 kV（一用一備）供電，雙線隧道共設(shè)照明配電柜4臺，除應(yīng)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(shù)為0.7。單線隧道采用雙側(cè)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(shè)。依據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》（JTJ026.1-1999），長度大于1 000 m的隧道應(yīng)設(shè)置應(yīng)急照明系統(tǒng)，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(yīng)急照明燈具由常用照明燈具兼用，在隧道變電所內(nèi)設(shè)EPS作為應(yīng)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(shè)計方案

通過照度計算,隧道布燈參數(shù)見表2所列。

光源設(shè)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(shù)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(jié)果

方案排序結(jié)果見表6所列。

表6 方案比較表

從比較結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)光源方案(方案1)已不具備優(yōu)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(shè)備投資減少，供電變壓器的容量減少，照明配電開關(guān)電流規(guī)格降低，EPS的容量也相應(yīng)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(yīng)上最具優(yōu)勢，符合節(jié)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(shè)計師在項目建設(shè)前期應(yīng)與業(yè)主多溝通，通過設(shè)計方案比選，協(xié)助業(yè)主確定最適合的方案,避免后期施工圖設(shè)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(yōu)勢

LED作為新型光源，具有超長壽命，低功耗、發(fā)光效率高、啟動時間短、顯色指數(shù)高、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點。

6.1 長壽命

LED（發(fā)光二極管）是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，其發(fā)光原理有別于傳統(tǒng)光源，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子,它們之間就形成一個P-N結(jié)。在P-N結(jié)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(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量。因此它內(nèi)部無燈絲，無玻璃泡、不怕震動、不易破碎，從而避免了常規(guī)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)光，大功率LED的后工藝可根據(jù)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(dá)到90%。

6.3 白光LED顯色性高,色溫適中

發(fā)光二極管的顏色與半導(dǎo)體材料及其加工工藝有密切關(guān)系。在P型和N型材料中摻入不同的雜質(zhì)，就可以得到不同顏色的發(fā)光二極管。顯色指數(shù)、色溫均可變，完全可以根據(jù)照明需要選擇。GB/T24907-2010中道路照明用LED燈性能要求規(guī)定，道路照明用LED燈顯色指數(shù)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(guī)定,一般顯色指數(shù)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(dá)到正常的亮度需10 min以上，再啟動的時間更長。LED因半導(dǎo)體特性可瞬時啟動，響應(yīng)快、頻繁啟動或關(guān)斷。

6.5 LED燈可調(diào)光

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

6.6 LED燈綠色環(huán)保

LED為半導(dǎo)體芯片發(fā)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(huán)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(jié)能燈光效仍然不高，CREE公司實驗室最高光效已達(dá)260 lm/W，而市面上的單顆大功率LED也已經(jīng)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(jié)能燈光效如果能達(dá)到120 lm/W，到那時才是LED燈具的春天。

一個好的LED節(jié)能燈，應(yīng)該由四部分組成：優(yōu)質(zhì)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(shè)計、散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電源設(shè)計等方面進一步的發(fā)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(jié)語

通過實際案例及對LED光源分析，可以得出這樣的結(jié)論：LED作為一種新型的節(jié)能、環(huán)保的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢。根據(jù)近日公布的一份“上海市‘十二五’半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（審定稿）”，按照我國六部委聯(lián)合發(fā)文“十二五”期間，LED功能性照明市場占有率須達(dá)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(nèi)LED的使用環(huán)境更優(yōu)于室外道路，在降低能耗與運行成本上更具優(yōu)勢，值得優(yōu)先推廣。

[1]JTJ026.1-1999，公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)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].