LED 燈隧道照明節(jié)能技術研究與應用

鄧祥明 黃忠財

（1.廣西紅都高速公路有限公司，廣西 南寧 530028；2.長沙理工大學，湖南 長沙 410114）

1 工程概況

靖西至那坡高速公路(以下稱“靖那路”) 是廣西高速公路網布局中“橫6”合浦(山口) ～那坡(省界) 高速公路的重要組成部分。本項目位于廣西西南部，是云南通往廣西沿海和廣東、海南最便捷的公路通道，跨越桂南、桂西2 個經濟區(qū)，連通三個沿海城市和4 個國家一類口岸。靖那路主線全長90.371km，全線采用雙向四車道標準建設，設計速度100km/h，全線共20 座隧道，單洞全長30.97km，隧道占線路總長的17.27%，其中長度L≤500m 的11 座，500m＜L≤1000m 的4 座，1000m＜L≤2000 的3 座，2000m＜L≤3000 的1 座，L＞3000m 的1 座，全線最長的各固隧道左線長3745m，右線長3725m。靖那路隧道照明若采用傳統(tǒng)的鈉燈照明系統(tǒng)往往會造成巨大的電力消耗，特別是長大隧道，運營成本壓力將非常大，若采用先進的LED 半導體照明系統(tǒng)，可極大地降低電力消耗，達到節(jié)能減排的目標，也有利于能源的可持續(xù)發(fā)展。

2 隧道照明初步設計方案

根據本項目隧道的具體情況和《公路隧道通風照明設計規(guī)范》 （JTJ026.1-99） 的相關要求，全線隧道均設置照明設施，照明設施的設置內容為：主洞照明、緊急停車帶照明、橫通道照明、洞外引道照明、避災引導照明、應急照明。原設計隧道照明方式為“高壓鈉燈+LED 混合照明”式，即基本照明及應急照明采用60 瓦LED 燈，加強照明和洞口引道路燈光源采用高壓鈉燈，人行橫洞照明采用無極燈，原設計燈具共16021 盞（其中LED 燈60 瓦6404 盞，高壓鈉燈400 瓦5180 盞、250 瓦2495 盞、150瓦1298 盞、100 瓦412 盞，無極燈120 瓦149 盞、60 瓦83 盞），燈具總瓦數3338750 瓦。照明設計標準是100km/h 和80km/h 來控制，主線照明入口段亮度設計參數分別為141.56cd/m2和134.5cd/m2， 計算行車速度亮度為134.5cd/m2，其他過渡段、中間段和出口段根據隧道長度等相關因素進行設計。

3 高壓鈉燈與LED 燈對比

3.1 LED 燈的優(yōu)缺點

1） 優(yōu)點：LED 燈無頻閃、無輻射，是典型的綠色照明，更是護眼新光源。LED 不靠鎢絲發(fā)光，而是以特殊半導體PN 材質制成。通過電子運動而發(fā)光。其光譜中沒有紫外線和紅外線，因而不會有閃頻和輻射，對眼睛起到保護作用。其主要優(yōu)點集中在以下幾點：

①發(fā)光效率高。LED 燈有電壓低、電流小、亮度高的特性。一個10～12W 的LED 光源發(fā)出的光能與一個35～150W的白熾燈發(fā)出的光能相當。同樣照明效果LED 比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%～90%，是白熾燈的4 到8 倍；②耗電量極小。在同樣亮度下，耗電量僅為普通白熾燈的1/8 到1/10；③壽命長。LED 利用固態(tài)半導體芯片將電能轉化為光能，外加環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊，LED 單管壽命10 萬h，光源壽命在2 萬h 以上，按每天工作12h 壽命；④可靠耐用，便于長途運輸。由于體內無鎢絲以及玻璃殼等易損部件，基本不受運輸影響，正常報廢率很小，維護費用極低；⑤起動響應快、無黑頭、免除頻換燈管之煩。LED 起動響應極快，因而電流對其沖擊甚微。而普通白熾燈或節(jié)能管受起動電流的作用，燈頭很易發(fā)黑而需更換；⑥由于LED 管是由十多只或幾十只組成，即使個別損壞了也不會對正常照明產生太大影響，不像高壓鈉燈損壞時全燈熄滅，因此LED 燈的可靠性比高壓鈉燈的可靠性提高了許多倍；⑦光源中不添加汞，有利于環(huán)境保護。

2） 缺點：LED 燈缺點在于發(fā)光效率隨光源功率的增加而迅速衰減；大功率光源難以制造；初始安裝成本投入比高壓鈉燈高很多；產品質量參差不齊；散熱性能不夠好，而散熱直接影響LED 的壽命，和光衰提前；維護成本較高。

3.2 高壓鈉燈

1） 優(yōu)點：目前發(fā)光效率最高的照明光源，平均發(fā)光效率一般可達98lm/W，且高功率光源的發(fā)光效率更高，壽命較長，技術成熟，價格低，初始安裝成本投入低；

2） 缺點：顯色性較差，但其發(fā)出的黃色光對于煙霧的穿透力最強，對惡劣氣候的適應性好。

3.3 LED 隧道燈與高壓鈉燈對比

1） LED 作為點光源，很大程度上可以直接解決傳統(tǒng)球狀光源必須靠光發(fā)射來解決的二次取光及光損耗問題；2） 對光照射面的均勻度可控，理論上可以做到在目標區(qū)域內完全均勻，這也能避免傳統(tǒng)光源“燈下亮”現象中的光浪費；3） 色溫可選，這樣在不同場合應用中，也是提高效率、降低成本的一個重要途徑。LED 作為一種發(fā)光器件，既可以通過流過電流的變化控制亮度，也可通過不同波長LED 的配置實現色彩的變化與調節(jié)。這使得隧道在不同的環(huán)境下進行照明模式的轉化變得非常容易；4） 更節(jié)能。目前白光LED 的發(fā)光效率約為80Lm/W，較傳統(tǒng)高壓鈉燈可以節(jié)電50%～60%，隨著LED 效率的快速提升，LED 隧道燈在節(jié)能方面顯示出了巨大的潛力；5） 低維護成本。以目前的技術水平和測試結果推算，大功率LED 光源可以正常使用5 年—10 年不用更換，而傳統(tǒng)高壓鈉燈平均2 年左右就要更換一次，使用LED 光源可以大大降低維護成本；6）顯色性更佳。LED 的顯色指數高（顯色指數一般為75～80），路面看起來更明亮，感覺更舒適，駕駛人員也感覺更安全。而高壓鈉燈光譜窄，顯色性差（顯色指數一般為20～40），感覺昏暗。

100W 的LED 燈輸出光通量大約只有6250Lm，到達路面時仍為6000Lm 左右，而路面的平均照度可以達到16Lx（12m 高桿）。200W 高壓鈉燈的輸出光通量為16000Lm，但到達路面的就只有6000Lm，路面的照度大約為30～40Lx，由于顯色系數的差別，LED 的照度修正系數為2.35 倍，高壓鈉燈的修正系數為0.94 倍。所以100W 的LED 經過修正以后，地面的照度為37.6Lx，而200W 高壓鈉燈的修正后照度為28.2～37.6Lx，二者相當。所以100W 的LED 可以取代約200W 的高壓鈉燈，從實際的發(fā)光效果來看，LED 燈比高壓鈉燈好得多。

4 項目優(yōu)化后隧道照明方案

為了在確保行車安全的前提下，最大限度的降低運營期的隧道照明成本，達到節(jié)能環(huán)保目的，靖那路全線隧道照明方式由原設計“高壓鈉燈+LED 燈混合照明方式”，變更為“1 公里以下隧道全部采用LED 燈照明方式”：即入口段加強照明采用200W 和130W 的LED 燈，基本照明和應急照明采用60W 的LED 燈，人行明洞照明采用60W 無極燈，車行橫洞、緊急停車帶照明采用120W 無極燈，洞口引道路燈光200W 的LED 燈；1 公里以上隧道采用高壓鈉燈+LED 燈混合照明方式：即隧道進口加強照明采用400W 和200W 的高壓鈉燈，過渡段加強照明采用200W 和130W 的LED 燈，基本段、出口段基本照明和應急照明采用60W 的LED 燈；設計照明時速標準統(tǒng)一調整為80km/h。

由于高壓鈉燈功率因數較低，所以設計要求選用帶補償電容器的燈具，經補償后，其功率因數應達0.9 以上。由于隧道環(huán)境污染嚴重，維護系數取0.7。

照明組合方式：本著節(jié)約電能的設計理念，1 公里以上隧道（隧道監(jiān)控系統(tǒng)設有現場PLC） 照明調光按晴天、云天、陰天、重陰天、夜間、下半夜分為六檔，做到六級控制(應急照明在此控制方式中歸屬為基本照明的一部分)：

晴天：基本燈全開，加強燈全開，緊急燈全開，洞外路燈關閉；

云天：基本燈全開，加強燈開1/2，緊急燈全開，洞外路燈關閉；

陰天：基本燈全開，加強燈開1/4，緊急燈全開，洞外路燈關閉；

重陰天：基本燈開1/2，加強燈開1/4，緊急燈全開，洞外路燈開啟；

夜間：基本燈全開，加強燈全關，洞外路燈開啟；

下半夜：基本燈只開一部分，加強燈全關，洞外路燈開啟。

1 公里以下隧道采用無極調光模式。

5 方案優(yōu)化前后效果對比

優(yōu)化后隧道照明燈具共14056 盞，其中高壓鈉燈400 瓦492 盞、250 瓦484 盞，LED 燈200 瓦1999 盞、130 瓦506盞、60 瓦10437 盞，無極燈60 瓦83 盞、120 瓦55 盞，燈具總瓦數1421180 瓦。燈具總數比原設計少1965 盞，減少12.27%，總瓦數比原設計少1917570 瓦，減少57.43%。原設計本項目隧道照明系統(tǒng)計入供配電設施的綜合建設費總造價為7105 萬元，優(yōu)化后隧道照明系統(tǒng)綜合建設費總造價為7609 萬元，總造價增加504 萬元。根據2012 年天氣統(tǒng)計情況雨天有108 天、陰天有105 天、晴天有152 天計算，原設計全線隧道照明一年用電量約為10245069 度，按商業(yè)用電0.95 元/度計算，一年用電費用約973 萬元；優(yōu)化后全線隧道照明一年用電量約為6435030 度，按商業(yè)用電0.95 元/度計算，一年用電費用約611 萬元，優(yōu)化后一年照明電費比優(yōu)化前減少約362 萬元。另在維護成本方面LED 燈維護成本也比高壓鈉燈低很多，據資料統(tǒng)計從第二年開始LED 燈每年維護費僅約為燈具初裝費用的1%，而高壓鈉燈每年維護費用約為燈具初裝費用的25%。因此，LED 燈在功耗和壽命上的優(yōu)勢，極大地降低運營期間的耗電費用和維護費用，與優(yōu)化后系統(tǒng)每年直接節(jié)省用電費用362 萬元相比，本項目建設期隧道照明綜合建設費用一次性投入增加504 萬元是非常值得的。根據專家統(tǒng)計每節(jié)約1 度（千瓦時） 電，就相應節(jié)約了0.4 千克標準煤,同時減少污染排放0.272 千克碳粉塵、0.997千克二氧化碳、0.03 千克二氧化硫、0.015 千克氮氧化物。據此，此靖那路隧道照明系統(tǒng)優(yōu)化后一年可減少用電量約381 萬kw/h，相當于減少燃煤1524 噸，減少CO2 排放量3798 噸，減少SO2 排放量114 噸，帶來較大的經濟效益同時，獲得同樣巨大的社會效益。

6 結語

在實際使用過程中，隧道照明控制系統(tǒng)還應與隧道通風系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)以及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)互聯(lián)，綜合考慮，以達到最佳的控制效果。目前LED 節(jié)能照明技術在廣西高速公路隧道照明的應用還較少，而在建高速公路項目和往后修建的高速公路項目隧道所占比重會越來越大，LED 隧道照明控制系統(tǒng)以其良好的控制性能和有效節(jié)能降耗策略，并隨著LED 節(jié)能照明技術不斷地改善和提高，以及合理取值和精細設計，必將在廣西高速公路隧道照明系統(tǒng)得到廣泛應用，大大降低高速公路運營單位隧道照明運營成本，LED 節(jié)能照明技術在隧道照明方面的應用前景將一片光明。