錢塘江隧道中間段LED照明系統(tǒng)評估研究

劉 穎 張興軍 蘇衛(wèi)平 汪 濤 李 青龍?zhí)旃?周小麗 劉木清

(1.復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系，上海 200433;2.復(fù)旦大學(xué)先進照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433;3.上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900;4.上海隧道工程股份有限公司，上海 200082;5.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

隨著公路交通的發(fā)展，隧道取得了長足的進步。隧道照明是隧道在使用過程中非常重要的一部分。隧道照明從最開始使用的白熾燈、熒光燈、到高壓汞燈、低壓鈉燈、高壓鈉燈、無極燈等［1］到現(xiàn)在的LED燈，無不圍繞著燈具的發(fā)展而發(fā)展。燈具直接決定著隧道照明的好壞。由于隧道在白天也需要照明的特殊性，使用節(jié)能的長壽命的燈具成為隧道照明的首選。因此具有高光效、長壽命特性的LED燈具現(xiàn)在已經(jīng)成為新建隧道照明中考慮采用的主要對象。上海長江隧道、青島膠州灣隧道等已經(jīng)通過實驗驗證了LED作為隧道照明的可行性［2，3］。但是現(xiàn)有的LED隧道燈的性能也有差異，因此要通過對不同的LED燈具進行現(xiàn)場試掛并比較才能找到適用于實際工程的LED燈具。

1 錢江隧道工程概況

錢江通道及接線工程，全長43.981km，其中錢江隧道工程范圍長度4800米，隧道全長4450米(樁號K11+400～K15+850)，江中盾構(gòu)段長3251米，位于著名的觀潮勝地——海寧鹽官鎮(zhèn)上游約2.5km，北岸位于嘉興市轄區(qū)，南岸位于杭州市轄區(qū)。隧道外徑15.0m，隧道內(nèi)徑13.7m，管片厚度65cm，環(huán)寬2.0m，環(huán)向分塊采用9+1，采用通用楔形環(huán)方式，錯縫拼裝，斜螺栓連接。隧道公路等級為高速公路，雙向六車道。車道寬度為2×(3.75+3.75+3.5)米，隧道設(shè)計車速為80km/h，公路路面為瀝青混凝土路面。隧道的斷面圖如圖1所示。由于過江隧道直徑大、里程長、技術(shù)難度大，且地質(zhì)條件復(fù)雜，因此錢江隧道是錢江通道及接線工程項目的控制性工程、關(guān)鍵工程。錢江隧道的建成將溝通錢塘江南北兩岸，對加強錢塘江南北兩岸各重要城市的相互聯(lián)系和經(jīng)濟往來具有十分重要的意義。

圖1 錢江隧道斷面圖Fig.1 Cross-sectional view of Qiantang river tunnel

本項目擬在錢江隧道中采用高效節(jié)能的LED隧道燈作為主要照明設(shè)施，最終實現(xiàn)比原熒光燈照明方案節(jié)能30%～40%，降低照明系統(tǒng)維護成本，減少環(huán)境及光污染，建立一個優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟舒適和安全可靠的隧道光環(huán)境。

2 照明評估方式

國內(nèi)外對道路照明已經(jīng)有一些詳細的標(biāo)準(zhǔn)文件［4－8］。在試掛階段，錢江隧道還在建設(shè)中，瀝青混凝土路面還沒有建設(shè)完成。由于亮度測試對環(huán)境的依耐性比較強，所以在實際評估過程中采用照度來衡量各個型號的燈具的實際照明情況。

在進行現(xiàn)場試掛前，各個廠家將相應(yīng)的燈具送到國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心和復(fù)旦大學(xué)電光源研究所進行檢測。檢測項目包括功率、光通量、色溫等光電參數(shù)。通過對相應(yīng)參數(shù)進行比較后，選取較好的四款燈具對LED進行現(xiàn)場試掛。為了能夠公平客觀的評價各個廠商的燈具。預(yù)設(shè)燈具實際應(yīng)用情況下的安裝的間距和安裝高度。試掛階段主要考察燈具的光衰，平均照度、均勻度、耗能情況等，旨在從節(jié)能和照明效果兩個方面客觀的評價四款產(chǎn)品。

我們將四款燈具的進行光學(xué)參數(shù)測量，得到四款燈具的配光曲線如圖2所示。在現(xiàn)場裝燈測量之前，我們先在DIALux中對四款燈具進行仿真計算。當(dāng)設(shè)定其維護系數(shù)為0.65時，四款燈具安裝高度5.2m，燈具間距5.6m時均能達到較高的照度和均勻度。仿真結(jié)果中各項參數(shù)均能夠滿足隧道照明最初的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。將四款燈具均按照同一方式安裝在錢江隧道試掛段，可以保證在實際的評估過程中四款燈具均能在同一環(huán)境變量下進行評估。即相同的實驗環(huán)境下比較四款燈具的各項參數(shù)，來獲得最好的燈具。因此，我們按照上述方式將四種燈具沿車行方向按照ABCD的順序依次排列，每種型號的燈具分別分配約50m的距離作為各自的試掛段。在試掛段內(nèi)的燈具安裝高度5.2m，燈具間距5.6m。采用雙側(cè)對稱布燈方式，因此每種燈具各有18盞。圖3為試驗段內(nèi)布燈示意圖。

根據(jù)實際的路面和墻面情況，選擇靠近試驗段中部且墻面和路面條件優(yōu)良的區(qū)域作為測試段，如圖3所示。將車道兩側(cè)相鄰燈具之間的區(qū)域選取為測試段。在測試段中，分別選在三個車道的中線和邊線上以0.7米為間距布置測試點。燈具安裝完成并點亮，待燈具光輸出穩(wěn)定后將第一次測量的照度值作為初始照度值。以后每隔一周在相同的時間段內(nèi)對相應(yīng)測試點處的照度進行測量并記錄。

圖2 四款燈具的配光曲線Fig.2 Light distribution curve of the four lamps

圖3 燈具排列示意圖Fig.3 Lamps arranged schematic diagram

3 實驗結(jié)果和討論

3.1 照明水平及能耗

圖4為四款燈具的標(biāo)稱功率、實測功率以及按照實測耗電量推斷的但是燈具年耗電量。標(biāo)稱功率從小到大的分別為B、D、C、A。而實測的單燈功率從小到大依次為D、B、C、A。因此，D款燈具最省電，與A相比單只燈具D年省電量可達284.8度。從表1中也可看出，燈具D的單位照度功率密度是最小的。說明在四款燈具中，燈具D在滿足平均照度的同時，其能量利用率是最高的。

表1 各廠家燈具的照明效果Table 1 Lighting effect of various lamp manufactures

圖4 四款燈具功率分布及單燈年耗電量Fig.4 Power distribution of the four lamps and annual power consumption each lamp

3.2 光衰

在測量過程中，燈具受到撞擊而產(chǎn)生歪斜，燈具A在2100小時左右的數(shù)據(jù)明顯異常。在最終結(jié)果中，將異常值去掉再將曲線擬合后，可得到如圖5所示的光衰曲線。從該曲線可以看出，在4308小時評估周期中，定時測量并記錄路面測試網(wǎng)格的照度值。分析發(fā)現(xiàn)B燈具的照度衰減量最大，為4.6%;C燈具的照度衰減量最小，為1.9%。在測試的開始階段，路面的照度為一個上升期，大概到3000小時左右路面照度開始出現(xiàn)明顯下降的趨勢。照度在初始階段出現(xiàn)的上升是由燈具中所使用的LED光源的特性所決定的。在LED芯片中，兩種競爭機制決定了LED光衰的進程。一種促使LED光輸出升高，而另一種則促使其光輸出下降［9～10］。不同的LED其這兩競爭機制對LED光輸出造成的影響不一樣，而且受到電流、溫度封裝材料等因素的影響。在本實驗周期中，現(xiàn)場的溫度在2000小時左右開始從12℃上升。到3000小時的時候，環(huán)境溫度大概在19℃左右;當(dāng)測試結(jié)束時，環(huán)境溫度約為22℃左右。因此可以看出在同樣的環(huán)境中，四款燈具的兩種競爭機制的溫度分界點約為19℃，在此種溫度環(huán)境下，兩種競爭機制的時間分界點約為3000小時。

圖5 四款燈具的光衰情況Fig.5 Light degradation of four lamps

3.3 方差分析 (ANOVA)

同一點的測量，有很多因素會影響測量結(jié)果，如系統(tǒng)誤差、隨機誤差和過失誤差。在測量照度的過程中，影響測量結(jié)果的因素包括:測試人員是否具有一致性、測試環(huán)境是否具有一致性、測試人員過失、測量儀器靈敏度、照度計探頭放置位置等。因此，為了知道作為常規(guī)測試的照度計的測試值是否會隨著時間變化。我們使用了兩臺照度計 (Ⅰ、Ⅱ)同時進行測試，其中照度計Ⅰ作為常規(guī)測試所用照度計，照度計Ⅱ作為對比照度計進行存放，只有在進行對比測試的時候才進行使用。在對比測試中，我們將四個測試段各個測試點分別用照度計Ⅰ和Ⅱ進行測量。再將對應(yīng)點的數(shù)據(jù)用照度計Ⅱ的值減去照度計I的值后，得到的差值設(shè)為照度計Ⅰ與照度計Ⅱ的偏差。為了驗證這種偏差是否會隨著環(huán)境和光照的光譜的變化而變化。我們使用了方差分析 (ANOVA)方法來評價不同試驗段的數(shù)據(jù)，得到結(jié)果如表2所示。

最后我們可以得到數(shù)據(jù)總體樣本兩次對比測試的F值分別為19.89和57.16，兩值均遠大于1說明，四個樣本的測試結(jié)果是具有差異性的。實際照明環(huán)境、光源的光譜性質(zhì)以及測試人員對光電探頭測試值是有影響且不同測試段的影響應(yīng)該分別考慮。從圖6可以看到，對A、D燈具測試段的重復(fù)性要比B、C段的數(shù)據(jù)重復(fù)性要好。因為兩次測試中兩照度計的差值變化不大、穩(wěn)定性好。

表2 ANOVA分析結(jié)果Table 2 ANOVA analysis results

圖6 兩次對比測試樣本均值變化Fig.6 Test samples average variety of the two comparisons

4 實驗結(jié)論

四個廠家的LED隧道燈具在平均照度、照度均勻度、耗能等方面均表現(xiàn)出不同的特性。從上文可以看到，在每單位照度的耗能最低的是燈具D，而現(xiàn)場的平均照度、總照度均勻度和縱向照度均勻度最好的燈具依次為A、B、D。圖7是各項指標(biāo)下各個燈具的性能排名。從表中可以看出，燈具D表現(xiàn)出了最好的節(jié)能特性，但其在路面平均照度和照度均勻度方面卻表現(xiàn)較差。而燈具A具有最高的路面平均照度值，但其照度均勻度和節(jié)能情況卻只是一般。所以在實際的應(yīng)用中，要根據(jù)實際情況來根據(jù)各個指標(biāo)進行取舍的同時，還要考慮各個燈具在各個燈具下的指標(biāo)值的實際差異性。

圖7 各項性能排名情況Fig.7 Ranking of the performance

［1］陳彥華.公路隧道照明燈具的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.照明工程學(xué)報，2002，13(3):55～61.

［2］劉木清，李文宜，張萬路，江磊，沈海平.LED在上海長江隧道工程中的應(yīng)用.海峽兩岸第十五屆照明科技與營銷研討會，2008.

［3］朱旭，張震，劉木清.青島膠州灣隧道照明應(yīng)用的研究與實踐.照明工程學(xué)報，2010，21(z1):57～60.

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［6］CIE 140 －2000.Road Lighting Calculations，AUSTRIA:COMMISSION INTERNATIONALE DE L'ECLAIRAGE，2000.

［7］CIE 31 －1976.Glare and uniformity in road lighting installations.AUSTRIA:COMMISSION INTERNATIONALE DE L'ECLAIRAGE，2000.

［8］ CIE 88－2004.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses.AUSTRIA:COMMISSION INTERNATIONALE DE L'ECLAIRAGE，2004.

［9］ Patric N.Grillot，Michael R.Krames，Hanmin Zhao，and Seng Hup Teoh.Sixty thousand hour light output reliability of AlGaInP light emitting diodes，Device and Materials Reliability.IEEE Transactions on，Dec.2006，vol.6，no.4，pp.564～574.

［10］ Norbert Linder，Arndt Jaeger，Raimund Oberschmid，Klaus Streubel.Identification of aging mechanisms in the optical and electrical characteristics of light-emitting diodes.Applied Physics Letters，2001，vol.79，no.18，pp.2895 ～2897.