LED護欄燈在隧道照明的應用研究

邵新鵬，高　尚，蓋國暉，楊志強，王　瑩，上官同喜

(1.山東高速科技發展集團有限公司，山東 濟南　250061; 2.山東交通學院，山東 濟南　250357;

3.山東高速青島發展有限公司，山東 青島　266061; 4.青島鼎騰設計工程技術有限公司，山東 青島　266103;

5. 山東大學，山東 濟南　250100)

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LED護欄燈在隧道照明的應用研究

邵新鵬1，高尚2，蓋國暉3，楊志強4，王瑩5，上官同喜4

(1.山東高速科技發展集團有限公司，山東 濟南250061; 2.山東交通學院，山東 濟南250357;

3.山東高速青島發展有限公司，山東 青島266061; 4.青島鼎騰設計工程技術有限公司，山東 青島266103;

5. 山東大學，山東 濟南250100)

摘要：本文介紹的LED護欄燈是一種基于LED低位照明技術的新型燈具，具有能耗低、壽命長、易維護等特點，而且用于道路照明時可以很好地解決眩光問題。本文介紹了LED護欄燈的配光方式，并以四川樂自高速長山隧道為例，對比隧道照明使用高壓鈉燈、LED吸頂燈、LED護欄燈三種設計方案的綜合效果和經濟效益，結果顯示，LED護欄燈無論是在照明效果、能耗、維護成本方面都明顯優于目前隧道采用的高壓鈉燈和LED吸頂燈。

關鍵詞：LED護欄燈；LED低位照明；隧道照明

引言

隨著我國交通事業的發展，公路隧道建設變得舉足輕重。由于隧道較為特殊的交通環境，隧道內部的安全顯得尤為重要。根據國家公路隧道照明設計細則，長度大于200 m的高速公路隧道、一級公路隧道都應設置照明。燈具的選擇和布局對于節能、亮度、均勻度等方面都有很大的影響。我國的隧道照明目前主要使用熒光燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈、金屬鹵化物燈等傳統燈具，其在能耗、壽命、維護等方面存在諸多問題，因此尋找一種節能、光衰小、壽命長、效率高的燈具變得愈發重要。

LED是一種固態半導體器件，現有LED產品主要應用于裝飾、交通燈、信號燈等，同時其在道路照明方面具有諸多優勢[1-3]。LED光源為固態冷光源，壽命可達50000h，與道路照明常用光源高壓鈉燈相比優勢明顯。在節能方面，具有超低功耗，高的光能利用率。且不含汞，無污染，綠色環保[4]。在2008—2009年，LED路燈開始試用時期，其芯片光源的色溫較高，達到6000～6500 K以上。2010年開始出現5000 K左右的LED路燈，其光效也不停在增加。而且LED光源具有點光源的特點，因此特別適合用于定向照明，通過合理布局可以達到很高的燈具效率以及光利用率。隨著LED技術的不斷發展，價格的不斷下降，LED光源已經完全具備了遠超其他路燈的條件。目前，LED燈具在國內很多隧道工程中都有使用，比如上海長江隧道、貴州五龍山隧道、青島膠州灣隧道、廣州龍頭山隧道等。但是目前使用LED進行照明的隧道，普遍采用LED吸頂燈的傳統照明方式，光能利用率低，而且維修維護非常不便。

LED護欄燈則是一種基于LED低位照明技術的新型燈具，其最大的特點是將LED燈具裝于隧道兩側約1.2m的高度。這樣燈具與路面的距離大大縮短，提高了光能利用率，尤其是霧天等不利天氣條件下的照明效果。而且由于安裝高度低，大大降低了維修維護成本。同時，通過燈具的低位安裝和合理配光，可以極大得降低燈具的眩光，保障道路通車安全。目前，LED護欄燈已經在青島膠州灣跨海大橋得到成功應用，如圖1所示。

圖1　青島膠州灣跨海大橋上的LED護欄燈Fig.1　LED guardrail lamps of the Jiaozhouwancross-sea bridge in Qingdao

本文將首先介紹LED護欄燈特殊配光系統的研究。繼而以四川樂山至自貢段高速公路長山隧道照明為例，介紹LED護欄燈在隧道照明方面的應用價值，對高壓鈉燈、LED吸頂燈、LED護欄燈三種燈具在隧道中的應用效果進行仿真計算和分析，綜合比較三者的照明效果，耗能和經濟效益。

1LED護欄燈配光系統研究

LED護欄燈與傳統燈具的最大區別是采取低位照明技術。由于燈具安裝位置低，為了達到符合規范的照明效果，特別是符合規范的路面亮度和亮度的均勻度，需要對燈具的配光提出很高的要求。為了滿足燈具配光的要求，我們對LED護欄燈做了非常獨特的配光。常見的配光方法有透鏡式和反光杯式兩種，透鏡配光方式將會降低光的利用率。因為二次配光透鏡常用的PMMA材料(聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱：亞克力)的光透過率在93%左右，相對較低；而如果采用透過率更高(97%左右)的玻璃作為透鏡材料，則會大大增加透鏡的加工和材料成本。另一方面，選擇反光杯式配光可以實現整體式反射配光，即將多個LED燈珠發出的光作為一個整體進行配光。這種方式的好處是可以在后期任意調整LED燈珠數目，而不會破壞二次配光效果。因此，我們最終選擇了利用反光杯進行配光。

在反光杯的設計之初，反射面由11個深度一致、開口寬度逐漸增加的拋物線組成。初始反光杯模型如圖2所示。

圖2　初始反光杯結構Fig.2　Structure of the initial reflection cup

經過光線的追跡模擬，其配光效果如圖3所示。

從配光結果來看，配光效果并沒有達到預期效果。首先在燈下區域集中了過多的能量，而不是把更多的光能分布到道路中間。其次，燈下區域的光通量均勻度不佳，并未形成帶狀配光。從初始反光杯的配光效果來看，要達到理想的配光效果確實比較困難。

經過對反光杯的不斷改進和精密加工，最終版的反光杯采取了5個自由曲面組成的結構，其達到的配光效果如圖4所示。

圖3　初始反光杯配光效果Fig.3　light distribution of the initial reflection cup

圖4　最終版反光杯的配光效果Fig.4　light distribution of the final reflection cup

從配光效果上來看，第五版反光杯實現了真正的帶狀配光，使光線鋪展成一條條約兩米寬的帶狀光斑，實現了光能的高效利用。最終形成的燈具配光曲線如圖5所示。

圖5　LED護欄燈配光曲線Fig.5　Light distribution curve of the LED guardrail lamps

從圖5的配光曲線可以看出，經過二次配光，LED護欄燈的最大光強方向大約為70°角方向。燈具發出的大多數光線都射向了路面中部，只有一小部分光強射向了燈具下方的路面。圖6為LED護欄燈對路面進行照明的照明效果偽色圖。

圖6　LED護欄燈對隧道路面的照明效果偽色圖Fig.6　Pseudo-color diagram of the road illumination of LED guardrail lamps

為了展示單排和雙排LED護欄燈對路面進行照明效果的對比，在圖6中比較了單排和雙排的照明效果的區別。其中區域1為單側LED護欄燈照明效果，區域2為雙側LED護欄燈照明效果。從區域1可以看出，LED護欄燈的配光效果實現了“帶狀”配光，光能被均勻的平鋪在路面的中間部分。從區域2的照明效果來看，當LED護欄燈采用雙側對稱布燈時，兩側的燈具各自均勻照亮了一半寬度的路面，兩測燈具完美的配合在一起，產生一個非常均勻的路面照明效果。

2LED護欄燈在隧道照明中的應用研究

我們選取四川樂自高速長山隧道作為照明設計平臺，分別使用高壓鈉燈、LED吸頂燈、LED護欄燈對其進行照明，并比較在相同照明效果下三種照明燈具的能耗、維護費等指標。

長山隧道位于樂山自貢高速公路長山段，隧道全長5.1km，雙向4車道，設計時速80km/h，隧道截面寬9m，高7.5m。每個照明段的長度如表1所示。表中給出的數據為雙向車道總長。

表1　隧道各照明段長度

長山隧道照明工程的初始設計采用高壓鈉燈，后經重新設計，改為使用LED吸頂燈進行照明。隧道照明設計分段和各段的照明亮度標準如表2所示。

表2　長山隧道高壓鈉燈和LED吸頂燈的設計標準與LED護欄燈的仿真數據

表2給出了長山隧道使用高壓鈉燈和LED吸頂燈時各段亮度及均勻度的設計標準，同時給出了使用LED護欄燈進行照明時各段的仿真計算亮度和均勻度。可以看出，LED護欄燈通過合理的照明方案設計完全能夠達到符合國家規范的路面照明效果。

在我們的照明方案中，使用了20W和14W兩種功率的LED護欄燈，通過調整燈具的高度、間隔和光通量，得到符合照明設計標準的能耗最低的照明方案。圖7、圖8給出了中間段使用LED護欄燈進行照明的路面照明效果和照度的模擬計算結果。

圖7　中間段水泥路面LED護欄燈仿真圖Fig.7　Simulation diagram of LED guardrail lamps’ illumination onconcrete pavement of the middle section

圖8　中間段水泥路面LED護欄燈照度模擬偽色圖Fig.8　Pseudo-color diagram of LED guardrail lamps’ illumination onconcrete pavement of the middle section

在此基礎上，通過計算，可以算出使用高壓鈉燈、LED吸頂燈、LED護欄燈達到相同的照明亮度所需要的功率密度。我們發現要達到相同的照明亮度，LED吸頂燈所需要的功率密度比高壓鈉燈小10%左右，而LED護欄燈所需要的功率密度，遠遠小于高壓鈉燈和LED吸頂燈，分別僅為二者的53%和62%。因此，要實現相同的照度，LED護欄燈將比高壓鈉燈和LED吸頂燈分別節能47%和38%，節能效果十分明顯。之所以能達到如此高的節能效果，主要有以下幾方面原因：

1)燈具LED芯片發光效率提高：隨著LED技術的不斷進步，LED芯片的發光效率逐漸提高，從最初的70～80 lm/W，發展到現在的100～120 lm/W，使得LED芯片要達到相同光通量所需要的功率越來越低。因此，要達到相同的照明亮度，所需要的功率密度也逐漸降低。

2)燈具配光方式的進步：高壓鈉燈由于其發光機理的限制，導致其無法進行復雜的配光，勢必會導致光通量的浪費。而LED由于其發光特點，適合進行精密而復雜的配光。我們為LED護欄燈設計的反光杯的結構經過精心設計和不斷改進，充分利用了LED芯片的光通量，實現了節能的效果。而且反光杯的表面和玻璃面罩都經過高標準的處理，提高了反射率和透過率，從而進一步提高了光線的利用率。

3)燈具安裝高度低：由于LED護欄燈安裝高度低，使得光線直接照射到路面上，減少了光線傳播過程中的散射、衍射，提高了光線的利用率。

通過計算，可以得到三種燈具的年耗電量分別為135萬kW·h、91萬kW·h和58萬kW·h。可見，同等照明亮度下，LED護欄燈的年耗電量僅為高壓鈉燈和LED吸頂燈的43%和64%。表3為使用三種燈具的經濟效益分析。

表3　高壓鈉燈、LED吸頂燈、LED護欄燈

從表3中可以清楚地看到，相對于高壓鈉燈，采用LED護欄燈每年可節省電費70余萬元。如果考慮電費、維護費、燈具成本合并而成的綜合經濟效益，使用LED護欄燈在燈具質保期內(約5年)相比于高壓鈉燈就可以實現約300萬元的經濟效益，20年之后，經濟效益將達到約2000萬元。即便是與較為先進的LED吸頂燈相比，運營20年也將產生約500萬元的經濟效益。

3結論

通過對LED護欄燈配光系統的研究，我們開發設計了特殊的自由曲面反光杯結構，使之在1.2m的高度上對路面的照明效果能夠滿足國家規范要求。同時解決了照明中的眩光問題。比較LED護欄燈、LED吸頂燈和高壓鈉燈三者在隧道照明中的綜合經濟效果，我們發現LED護欄燈降低了隧道照明能耗，延長了燈具壽命，并且降低了隧道照明燈具的維修維護成本。

因此，以LED護欄燈為代表的LED低位照明技術具有節能、耐用、易維護、防眩光等諸多傳統道路照明燈具所無法比擬的優勢。LED護欄燈燈具的開發和LED低位照明技術在隧道照明工程中的推廣，不但提升了隧道照明效果，保障了隧道道路通車安全，而且解決了長期困擾隧道運營單位的運營成本過高的問題。這一技術的推廣將顯著提高我國隧道照明技術的科技含量，推動我國隧道照明技術的發展。

參考文獻

[1] 許景峰. LED光源在隧道照明中的機遇與挑戰 [J]. 燈與照明，2010，34(3)：31-35.

[2] 金鵬，俞春雨，周奇峰,等. LED在道路照明中的光效優勢 [J]. 光學精密工程，2010，19(1)：51-55.

[3] 楊超，王志偉. LED在隧道照明工程中的應用研究 [J]. 照明工程學報，2011.22(2)：60-66.

[4] 吳金輝. LED光源在功能照明中的優勢與應用 [J]. 資源節約與環保，2013，6：38.

海峽兩岸第二十二屆照明科技與營銷研討會在廣東中山舉辦

2015年11月19—20日，由中國照明學會與臺灣區照明燈具輸出業同業公會共同主辦，中山市小欖鎮人民政府支持，中山市半導體照明行業協會承辦的 “海峽兩岸第二十二屆照明科技與營銷研討會”在中山小欖鎮大信皇冠假日酒店隆重召開，來自大陸和臺灣地區高校、建筑設計院所、照明企業代表、專家學者150多人出席會議。

會議開幕式由中國照明學會竇林平、臺灣區照明燈飾輸出業同業公會李輝陽秘書長共同主持。中國照明學會理事長邴樹奎，臺灣區照明燈具輸出業同業公會理事長林慶源、廣東省科技廳高新技術與產業化處調研員云丹平，中山市委常委梁麗嫻女士，小欖鎮鎮長林偉強先后致辭。

本次“海峽兩岸照明科技與營銷研討會“的主題為“照明科技與營銷“，會議形式和內容包括大會專題報告、分會場專題研討和精品展示。

大會上有12位代表作了主題報告;上海市照明學會理事長、復旦大學電光源研究所教授俞安琪首先發表“LED藍光的視覺危害和司辰視覺影響”演講，他以圖標分析、數據分析等形式從物理成像、生物科學等角度闡明藍光對視覺的實質影響，他認為LED照明藍光的視覺危害是由直接照射到眼睛的過強輻亮度造成，與光成像面積有關。

臺灣偉圣國際公司董事長陳金錫作了以“運用營銷策略做為國內外市場的戰略布局”為主題的報告，他從傳統的行銷模式和互聯網的行銷模式展開演講。他表示在互聯網大數據時代下，傳統營銷模式已受到強烈沖擊，由B2B轉變為B2C模式;而且大環境使得跨境電商更方便、低成本地提供國外消費者商品，加上電商平臺的付款和物流低成本運輸費用配合，整個經營模式、多元的購買渠道、產銷模式正在大洗牌，行業觀念、態度和作法務必跟著改變。

三星電子中國區總經理唐國慶發表“CSP開啟LED芯片與封裝一體化之旅”的演講。臺灣科技大學電機系教授蕭弘清作了“風光互補 LED系統整合于智能電網之經濟效益評估研究”報告，評估及探討不同地區使用風光互補LED路燈系統之優缺點及可行性;上海時代之光照明電器檢測有限公司代表施曉紅發表“智能燈具及其標準的現狀和研究”報告，她分析了智能照明系統標準要求，認為智能燈具標準體系應包括基礎(術語標準等)、組件(網關、傳感器等)、通訊接口和電磁兼容;臺灣工業技術研究院綠能所博士陳世溥演講“不同電子注入材料對有機發光二極管之影響”，介紹了OLED照明市場的發展機會、OLED照明技術瓶頸和ITRI表面電漿耦合技術發展近況。

20日上午的大會報告有：中國藝術研究院穆懷恂教授的“LED影視燈具的研發要點及發展現狀”;臺灣科技大學胡能忠教授的“以微芯片數學運算為基礎之最佳視覺智能照明”;東南大學電光源中心呂家東的“從氣體放電光源到固態光源的演變”;樂雷光電有限公司的“ LED聲光電智能控制系統及產品系統可靠性”;復旦大學張善端教授的“面陣LED：半導體照明的第三條應用路線”;廣東聚優縱聯照明產業管理有限公司吳正喆的“臺灣燈飾企業進軍大陸市場的路徑選擇”等。

分會場的專題研討，主要內容為照明新技術與照明健康;新產品應用與市場營銷，來自大陸和臺灣的照明企業代表、專家學者在分會場研討會上強強對話，針對當前行業熱點話題展開激烈研討，共同關注最新技術和產品市場動態。會議共收集論文66篇,已編輯出版論文集。分會場專題研討會結束后，與會代表前往參觀中山市鴻菊自動化設備制造有限公司，親臨國內首臺自主研發SMT極速貼片機的生產車間及產品展示區，零距離交流體驗先進的產品創新研發技術。

最后會議進行了熱點問題對話及提問環節，中國照明學會邴樹奎理事長、臺灣區照明燈具輸出業同業公會林慶源理事長對會議進行了總結。

海峽兩岸照明科技與營銷研討會已舉辦20余年，論壇的舉辦，為兩岸照明間的科技交流及加強相互了解、加深友誼，發揮了巨大的作用。今后，將會就照明科技及產業的發展，走向更加深入的交流。

Research on Applications of LED Guardrail Lamps

in Tunnels Illumination

Shao Xinpeng1，Gao Shang2，Gai Guohui3，Yang Zhiqiang4，

Wang Ying5，Shangguan Tongxi4

(1.ShandongHi-speedGroupCo.Ltd.,Jinan250061,China; 2.ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China;

3.ShandongHi-speedQingdaoDevelopmentCo.,Ltd,Qingdao266061,China;4.QingdaoDingteng

DesignCo.,Ltd,Qingdao266061,China; 5.ShandongUniversity,Jinan250100,China)

Abstract：LED guardrail lamps are developed based on the LED low-location illumination technique, which have low energy consumption, long service life and easy maintenance. They can solve the glare problem well in road illumination. This paper illustrates the light distribution of the LED guardrail lamps and compares the effect and economic benefit of the applications of HPS, LED ceiling lamps and LED guardrail lamps in the lighting of Changshan tunnel of Sichuan Highway. The results show that LED guardrail lamps are obviously better than HPS and LED ceiling lamps on illumination effect, energy cost and maintenance cost.

Key words:LED guardrail lamps; LED low-location illumination; tunnels illumination

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.021