關(guān)于云南LED隧道照明節(jié)能應(yīng)用初探

劉毅峰，李承金，金瑞雪

（1.云南省電子工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)，云南 昆明 650031；2.云南聚誠(chéng)科技有限公司，云南 昆明 650100；3.云南大學(xué)滇池學(xué)院，云南 昆明 650100）

關(guān)于云南LED隧道照明節(jié)能應(yīng)用初探

劉毅峰1，李承金2，金瑞雪3

（1.云南省電子工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)，云南 昆明 650031；2.云南聚誠(chéng)科技有限公司，云南 昆明 650100；3.云南大學(xué)滇池學(xué)院，云南 昆明 650100）

文章針對(duì)近年來逐漸進(jìn)入公路隧道照明的LED燈各種節(jié)能應(yīng)用的調(diào)光范圍、調(diào)光方法、電源效率、信號(hào)傳輸性能等影響因素進(jìn)行對(duì)比分析，提出了目前最適合云南LED隧道照明的最佳方式。

公路隧道照明；LED燈；自動(dòng)照明裝置；按需照明

目前，隧道照明幾乎都是采用高壓鈉燈作為光源。但是高壓鈉燈在輻射形式、顯色性、視覺敏感特性、功率規(guī)格、亮度控制等方面都存在許多不足，而新興的LED公路（隧道）照明燈具以其優(yōu)異的性能，克服了高壓鈉燈的諸多不足，正在成為當(dāng)今世界公路（隧道）照明燈具的主流。公路（隧道）照明電費(fèi)是運(yùn)營(yíng)成本的重要組成部分。特別是在西部云、貴高原地區(qū)，因海拔較高、氣候多變、地形復(fù)雜，導(dǎo)致公路隧道較多，給公路運(yùn)營(yíng)增加了更高的成本。為此，相關(guān)專家及云南聚誠(chéng)科技有限公司相關(guān)工程技術(shù)人員研發(fā)了：“高原型LED公路（隧道）自動(dòng)照明系統(tǒng)控制裝置”（現(xiàn)以申請(qǐng)國(guó)家專利），能在完全滿足公路（隧道）照明規(guī)范的前提下，克服亮度不可控光源過度照明造成的電能浪費(fèi)現(xiàn)象，最大限度地降低公路（隧道）照明能耗，節(jié)約的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，為實(shí)現(xiàn)西部經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)環(huán)境，減少碳排放提供了較為可行的方法。

1 洞外亮度對(duì)隧道照明的能耗影響

洞外亮度L20（S）是指在接近段起點(diǎn)S處，距地面1.5m高正對(duì)洞口方向20°視場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的平均亮度。它是隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)之一，一般是在夏季（7、8月份）晴天中午測(cè)得。由于洞外亮度隨季節(jié)、氣象和每日早、晚等因素影響，通常洞外的實(shí)際亮度均遠(yuǎn)低于夏季晴天中午的亮度，而隧道內(nèi)加強(qiáng)照明的標(biāo)準(zhǔn)值又都是根據(jù)隧道洞外的亮度L20（S）乘以一個(gè)系數(shù)得來的，因此在一年的大多數(shù)時(shí)間里，加強(qiáng)照明強(qiáng)度遠(yuǎn)高于洞內(nèi)的實(shí)際需要，形成過渡照明，電能浪費(fèi)相當(dāng)巨大。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。

光源在某一方向的亮度是光源在同一方向的光強(qiáng)與發(fā)光面在該方向上投影表面積之比。單位：坎德拉/平方米（cd/m2）。

表1 不同洞外亮度與洞內(nèi)亮度的關(guān)系（cd/m2）

從表1可以看出，洞外亮度對(duì)隧道照明能耗影響相當(dāng)大。洞外亮度超高，洞內(nèi)照明強(qiáng)度越要高。洞外亮度超低，洞內(nèi)照明強(qiáng)度也隨之降低。由于一年中絕大部分時(shí)間洞外亮度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洞外亮度L20（S），因此若能夠采用“高原型LED公路（隧道）自動(dòng)照明系統(tǒng)控制裝置”，根據(jù)隧道洞外實(shí)際亮度對(duì)洞內(nèi)加強(qiáng)照明進(jìn)行跟蹤控制，就能有效地避免過度照明，在完全滿足規(guī)范的前提下最大限度地節(jié)約電能。

2 洞外天氣對(duì)隧道照明能耗的影響

洞外亮度對(duì)加強(qiáng)照明能耗的影響很大，而天氣、季節(jié)和時(shí)辰的不同，其洞外亮度更是大不相同。以一個(gè)洞外亮度為3000cd/m2的隧道為例，其夏天洞外中午的亮度為 3000 cd/m2，秋分時(shí)洞外中午的亮度為1860cd/m2，冬至?xí)r洞外中午的亮度為842cd/m2，早、晚和陰天的洞外的亮度可低至200 cd/m2以下。目前我國(guó)隧道照明白天大多按照四級(jí)調(diào)光方式，即晴天、多云、陰天、和重陰天四個(gè)亮度等級(jí)。這四個(gè)亮度等級(jí)大多不分季節(jié)以及上午、上午和下午，因此能耗的浪費(fèi)仍舊相當(dāng)巨大。圖1為高壓鈉燈晴天洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率線和實(shí)際功率需求曲線。圖2為L(zhǎng)ED燈具洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率線。圖3為“高原型LED公路（隧道）自動(dòng)照明系統(tǒng)控制裝置”跟蹤晴天洞外亮度人洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率曲線。每條線下面的面積即為該種燈具當(dāng)日加強(qiáng)照明的總功耗。圖中最上面一條均是高壓鈉燈的晴天照明功率線，所標(biāo)的能耗百分制均指與鈉燈晴天照明能耗進(jìn)行的比較。

從圖1中看出，夏至白天鈉燈加強(qiáng)照明功率需求曲線下部的面積（即能耗，下同）只占設(shè)計(jì)照明功率線下部面積的37%，而年平均白天鈉燈功率需求線曲線下部的面積占設(shè)計(jì)照明功率線下部面積的22.7%。如果鈉燈的輸出功率在大范圍內(nèi)是可控的，那么僅按每日的照明功率線進(jìn)行跟蹤控制，對(duì)于加強(qiáng)照明而言，每年即可節(jié)能77.3%。實(shí)現(xiàn)公路（隧道）照明洞內(nèi)亮度跟蹤洞外亮度實(shí)時(shí)變化的目標(biāo)，人類已追求了一個(gè)多世紀(jì)。但由于傳統(tǒng)光源的局限性，人類一直未能如愿以償。白熾燈雖可進(jìn)行無級(jí)調(diào)光，但由于其低下的光效使得其調(diào)光變得毫無意義。氣體放電燈（如高壓鈉燈）目前只能在很小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。這種調(diào)光，白天對(duì)公路（隧道）照明能耗影響并不大。就高壓鈉燈而言，比較好的節(jié)能方法是采用多回路分級(jí)控制方式。根據(jù)檢測(cè)到的洞外亮度，對(duì)洞內(nèi)回路進(jìn)行調(diào)整。這種分級(jí)控制洞內(nèi)亮度的方式可產(chǎn)生一定的節(jié)能效果。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED以其優(yōu)異的性能正在成為照明領(lǐng)域的主流光源，其控制方式也越發(fā)先進(jìn)。

圖2 LED燈具洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率線

圖2為L(zhǎng)ED洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率線。從圖中可以看出，LED晴天照明的功率線僅有高壓鈉燈的50%，這主要是因?yàn)長(zhǎng)ED公路（隧道）燈具有較高的燈具效率、維護(hù)系數(shù)、顯色指數(shù)、有效照度以及可任意設(shè)置的功率規(guī)格等特點(diǎn)，使得其在滿足規(guī)范要求的條件下能耗大幅下降。

LED光源與其他光源不同，它的工作電流在額定范圍內(nèi)可大可小。這一特性為L(zhǎng)ED燈具實(shí)現(xiàn)亮度無級(jí)控制奠定了基礎(chǔ)。目前，“高原型LED公路（隧道）自動(dòng)照明系統(tǒng)控制裝置”已經(jīng)發(fā)完畢，（現(xiàn)以申請(qǐng)國(guó)家專利），如果該技術(shù)能得到推方應(yīng)用，必將對(duì)公路（隧道）照明節(jié)能產(chǎn)生重大影響。

3 自動(dòng)照明系統(tǒng)控制器節(jié)能分析

圖3 跟蹤晴天洞外亮度人洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率曲線

圖3繪出了采用“高原型LED公路（隧道）自動(dòng)照明系統(tǒng)控制裝置”跟蹤的加強(qiáng)照明功率曲線。從圖中可以看出，年平均照明功率需求比夏至?xí)r要小，冬至功率最低。如采用“高原型LED公路（隧道）自動(dòng)照明系統(tǒng)控制裝置”以后，不論是一年中的哪一天，它都會(huì)按照實(shí)際的功率需求去照明，而無須多付出照明能耗。通過計(jì)算可得，其年平均白天照明能耗比鈉燈光源的公路（隧道）和恒定亮度的LED公路（隧道）照明要低得多，約為鈉燈的16.5%，LED燈具的33%，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的按需照明。該系統(tǒng)裝置用于公路（隧道）照明，無論何種天氣，其相對(duì)節(jié)能百分比并無太大差異。用它替代高壓鈉燈的加強(qiáng)照明，可以實(shí)現(xiàn)83.5%的節(jié)能目標(biāo)，比亮度不可控的LED公路（隧道）照明燈具節(jié)能67%。因此，這一系統(tǒng)裝置的節(jié)能效果相當(dāng)顯著，將是當(dāng)今及至今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)公路（隧道）照明燈具節(jié)能的理想方案。

4 電源電壓對(duì)照明能耗的影響

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。

在晚上，熒光燈、金鹵燈和高壓鈉燈通常會(huì)越點(diǎn)越亮。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？這主要有如下兩方面原因：首先是因?yàn)樯习胍沟碾娫措妷和ǔＴ?20V～230V左右；而在下半夜電源電壓會(huì)達(dá)到額定值的150%，高達(dá)250V以上，使得功率加大，亮度增加。其次是氣體放電燈光源具有負(fù)阻特性，當(dāng)市電電壓升高時(shí)，光源兩端的電壓不僅不會(huì)升高，反而下降，而此時(shí)的光源的工作電流卻會(huì)急劇增加；這使得光源和鎮(zhèn)流器的功耗均大幅增加。如一盞150W的高壓鈉燈，在250V電壓下工作時(shí)包括鎮(zhèn)流器在內(nèi)增至300W。在這種電壓下，鈉燈的壽命會(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，也是其越點(diǎn)越亮的原因。

LED燈具對(duì)電源電壓的要求并不高，一般在170～250V之間。好的LED燈具大多采用恒流供電，即流過LED的電流不受電源電壓變化的影響，而只取決于出廠時(shí)的設(shè)定值，因此它的輸出功率幾乎是不變的；帶有亮度控制功能的LED燈具的工作電流還取決于控制信號(hào)，它可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)所的照明需求實(shí)時(shí)調(diào)整照明強(qiáng)度，以達(dá)到理想的節(jié)能效果。在基本照明方面，若采用LED光源，通過先進(jìn)的調(diào)光技術(shù)，可以使下半夜照明能耗同步一半，這樣在原有節(jié)能的基礎(chǔ)上再減少25%的能耗，使得LED光源總節(jié)能率高達(dá)75%；由于功率同步減半，工作溫度降低，使得LED光源的壽命進(jìn)一步延常，可謂一舉多得。

由于LED燈具的工作電壓很寬，因此在設(shè)計(jì)線路時(shí)允許采用線徑較細(xì)的電纜而不會(huì)出現(xiàn)熄燈或無法啟動(dòng)之現(xiàn)象。因此采用LED光源可節(jié)省大量的電纜費(fèi)用，在綜合投資與鈉燈相當(dāng)?shù)那闆r下每年綜合節(jié)能在80%以上。

5 自動(dòng)照明系統(tǒng)控制裝置簡(jiǎn)介

實(shí)現(xiàn)公路（隧道）自動(dòng)照明系統(tǒng)控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及到光源特性、電源功率的可控性、控制信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、與中控室通訊告等諸多技術(shù)，并涉及相應(yīng)在控制程序的上位機(jī)軟件。

圖4 自動(dòng)照明系統(tǒng)控制裝置”原理圖

圖4是“高原型LED公路（隧道）自動(dòng)照明系統(tǒng)控制裝置”的原理圖。洞外亮度監(jiān)測(cè)裝置對(duì)隧道洞外亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，再將監(jiān)測(cè)的結(jié)果實(shí)時(shí)傳送到“高原型LED公路（隧道）自動(dòng)照明系統(tǒng)控制裝置”中。控制裝置根據(jù)洞外的亮度及中控室提供的車流量等參數(shù)，對(duì)輸入數(shù)控進(jìn)行相應(yīng)地折減后，轉(zhuǎn)換成0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，去控制LED隧道燈的亮度。

解決LED公路（隧道）照明亮度可控的關(guān)鍵是研制一種高效地、電流可控的驅(qū)動(dòng)電源。為了讓控制裝置能夠同時(shí)長(zhǎng)距離控制數(shù)千盞LED公路（隧道）燈具，其輸入端采用了高阻形式，以確保控制信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸。由于高阻抗的控制輸入端會(huì)產(chǎn)生干擾使得燈具閃爍而無法消除，因此我們采用了特殊的抵消式電路設(shè)計(jì)，從而確保了電源的高搞干擾性和燈具亮度的穩(wěn)定性以及亮度變化的同步性。裝置在同時(shí)控制5000盞LED公路（隧道）燈具的情況下，用1.5m2導(dǎo)線為控制線，其傳輸距離可達(dá)15km。由于高速公路的特殊性，車流量沒有規(guī)律，中午和夜晚長(zhǎng)時(shí)間沒有車輛通行，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了車輛監(jiān)測(cè)裝置。當(dāng)沒有車輛時(shí)，裝置將使洞內(nèi)維持最低亮度；當(dāng)有車輛到來時(shí)，裝置瞬間將洞內(nèi)亮度增至需要的亮度，從而避免了公路（隧道）長(zhǎng)時(shí)間無車照明。

公路（隧道）照明電費(fèi)是運(yùn)營(yíng)成本的重要組成部分。在公路（隧道）照明中，隧道出、入口處的照明更是公路（隧道）基本照明的幾十倍。特別是在西部云、貴高原地區(qū)，因海拔較高、氣候多變、地形復(fù)雜，導(dǎo)致公路隧道較多，給公路運(yùn)營(yíng)增加了更高的成本。由于存在高額的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，使得許多運(yùn)營(yíng)商不堪重負(fù)，不得不采用關(guān)燈節(jié)電，犧牲安全的老辦法，以降低運(yùn)營(yíng)成本。因此，如何解決在滿足規(guī)范的前提下降低公路（隧道）的能耗，特別是入口的能耗，已是所有擁有公路（隧道）的運(yùn)營(yíng)商迫切需要解決的問題。

“高原型LED公路（隧道）自動(dòng)照明系統(tǒng)控制裝置”能在完全滿足公路（隧道）照明規(guī)范的前提下，克服亮度不可控光源過度照明造成的電能浪費(fèi)現(xiàn)象，最大限度地降低公路（隧道）照明能耗，節(jié)約的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，為實(shí)現(xiàn)西部經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)環(huán)境，減少碳排放提供了較為可行的方法。

About LED Tunnel Lighting Energy Application in Yunnan

LIU Yi-feng1，LI Chen-jin2，JIN Rui-xu3
（1Yunan Electronic Industry Association，Kunming，Yunnan 650031，China；2.Yunnan Jucheng Science and Technology Co. Ltd，Yunnan，Kunming 650100，China；3.Dianchi College of Yunnan University，Kunming，Yunnan 650100，China）

This paper in recent years gradually into the highway tunnel lighting dimming range of various energy-saving LED lighting applications，dimming method，power efficiency，such as signal transmission performance influence factors were analyzed,proposed themost suitable for the bestway to yunnan LED tunnel lighting.

highway tunnel lighting；LED lights；automatic lighting；lighting as needed

U453.7

A

2095-980X（2015）08-0055-03

2015-07-11

劉毅峰（1976-），男，云南昆明人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)及應(yīng)用、電子工程、光伏照明。