LED燈具應(yīng)用于隧道照明
一、洞外亮度對(duì)隧道照明能耗的影響與節(jié)能對(duì)策
隧道內(nèi)加強(qiáng)照明的標(biāo)準(zhǔn)值都是根據(jù)隧道洞外的亮度乘以一個(gè)系數(shù)得來的。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。
從上表可以看出,洞外亮度對(duì)隧道能耗影響相當(dāng)大。洞外亮度高,洞內(nèi)照明強(qiáng)度也要相應(yīng)提高,洞內(nèi)的電氣設(shè)備投資也會(huì)相應(yīng)地增大。因此,在設(shè)計(jì)隧道洞內(nèi)照明時(shí),設(shè)計(jì)人員應(yīng)先對(duì)隧道洞外亮度進(jìn)行實(shí)測(cè),再根依據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)洞內(nèi)照明,這樣不僅可避免照明設(shè)計(jì)冗余量過高造成電氣設(shè)備投資上的浪費(fèi),還可在運(yùn)營(yíng)過程中節(jié)省大量的電能。在建設(shè)安徽省黃塔桃高速公路時(shí),初步設(shè)計(jì)是按4000cd/m2的洞外亮度設(shè)計(jì)洞內(nèi)照明。在正式設(shè)計(jì)階段,設(shè)計(jì)人員奔赴現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各隧道的洞外亮度進(jìn)行了實(shí)測(cè),并測(cè)得隧道洞外亮度大多在3000cd/m2左右。因此設(shè)計(jì)人員按照實(shí)測(cè)的洞外亮度對(duì)洞內(nèi)照明系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)果照明燈具的總功率比原先減少了23%,設(shè)備投資約減少了19%。由此可以看出,精確測(cè)量隧道洞外亮度,對(duì)于合理設(shè)計(jì)洞內(nèi)照明,減少照明能耗和電氣設(shè)備投資,是非常必要的。
這個(gè)事例表明,洞外亮度對(duì)洞內(nèi)照明及設(shè)備投資的影響極大。因此,如何降低洞外亮度,也是隧道設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考慮的問題。通常可采取下列措施在隧道洞口接近段進(jìn)行減光:其一是在路基兩側(cè)種植常青樹;其二是將洞口采用暗色調(diào)裝修;其三是在洞外的山體坡面上進(jìn)行大面積栽種常青植被等等。這些措施均可起到較好的降低洞外亮度的作用。
二、洞外天氣對(duì)隧道照明能耗的影響與節(jié)能對(duì)策
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,其洞外亮度更是也大不相同。以一個(gè)洞外亮度為3000cd/m2的隧道為例,其夏至?xí)r洞外中午的最大亮度為3000cd/m2,秋分時(shí)洞外的最大亮度約為1860cd/m2,冬至?xí)r洞外的最大亮度約為842cd/m2,早、晚和陰天的洞外亮度可低至200cd/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、中午和下午,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LED燈洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率線。圖3為隧道LED亮度智能無級(jí)控制系統(tǒng)跟蹤晴天洞外亮度的洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率曲線,它也是實(shí)際LED燈具功率需求曲線。每條線下部的面積即為該種燈具當(dāng)日加強(qiáng)照明的總能耗。圖中最上面一條均是高壓鈉燈的晴天照明功率線,所標(biāo)的能耗百分比均是指與鈉燈晴天照明能耗進(jìn)行的比較。
圖1
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曲線下部的面積只占設(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,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)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)目前只能在很小的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。這種調(diào)光,白天對(duì)隧道照明能耗影響并不大。就對(duì)于高壓鈉燈而言,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)生較好地節(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?,F(xiàn)階段可大批量供貨的LED光效已達(dá)90lm/W,且亮度還在不斷地提高,其控制方式也越發(fā)先進(jìn)。
圖2為L(zhǎng)ED燈洞內(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。因此,用LED隧道燈簡(jiǎn)單替代高壓鈉燈,可實(shí)現(xiàn)50%的節(jié)能目標(biāo)。
圖2
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LED燈具實(shí)現(xiàn)亮度無級(jí)控制奠定了基礎(chǔ)。目前,隧道LED亮度智能無級(jí)控制系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)成功,它的推廣應(yīng)用,必將對(duì)公路隧道照明節(jié)能產(chǎn)生重大影響。
圖3
三、隧道LED照明亮度智能無級(jí)控制系統(tǒng)節(jié)能分析
圖3繪出了采用隧道LE D照明亮度智能無級(jí)控制系統(tǒng)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。采用隧道LE D照明亮度智能無級(jí)控制系統(tǒng)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隧道照明和恒定亮度的LED隧道照明要低得多,約為鈉燈的16.5%,LED燈的33%,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的按需照明。該系統(tǒng)用于隧道照明,不論是何種天氣,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,可實(shí)現(xiàn)83.5%的節(jié)能目標(biāo),比亮度不可控的LED隧道燈節(jié)能67%。因此,這一系統(tǒng)的節(jié)能效果相當(dāng)顯著。將是當(dāng)今乃至今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)隧道照明節(jié)能的理想方案。
四、路面及墻壁材料對(duì)隧道照明能耗的影響。
瀝青路面的反射率比水泥路面低,在照明設(shè)計(jì)時(shí)瀝青路面的光照度必須高出水泥混凝土路面30%方能使兩者的路面亮度基本相同。因此,從降低能耗以及電氣設(shè)備投資角度考慮,設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能采用水泥混凝土路面。在《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中,要求路面左、右兩側(cè)墻面2m高范圍內(nèi)的平均亮度不應(yīng)低于路面平均亮度。因此,在墻面上涂反射率較高的白色涂料,也可節(jié)能1~3個(gè)百分點(diǎn)。
五、燈具功率規(guī)格對(duì)隧道照明能耗的影響。
隧道照明的標(biāo)準(zhǔn)值在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中是有具體規(guī)定的。若照度大幅度超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),則能耗也將過高。由于高壓鈉燈光源的功率規(guī)格通常只有75W、100W、 150W,250W和400W幾種,因此當(dāng)?shù)缆沸枰?10W或180W照明時(shí),由于沒有相應(yīng)功率的光源,故只有采用150W和250W的規(guī)格。這種選擇不可避免地增加了照明能耗。
對(duì)于LED光源而言,它的功率可根據(jù)隧道實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)際需要多少功率就配備多大功率,從而消除了由于過度照明(照明強(qiáng)度大幅超出規(guī)范要求的照明)所造成的電能浪費(fèi)現(xiàn)象。例如基本段每盞LED燈用60W就夠了,因此設(shè)計(jì)LED燈具時(shí)就按60W設(shè)計(jì)而不必按75W設(shè)計(jì),避免了過度照明所帶來的電能浪費(fèi)。
六、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15%,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)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)流器功率在內(nèi)會(huì)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,既流過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下降一半,這樣可在原有節(jié)能的基礎(chǔ)上再在減少25%的能耗,使得LED光源總節(jié)能率高達(dá)75%。
由于LED燈具的工作電壓范圍很寬,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)能率在80%以上。
七、諧波及功率因素對(duì)電源能耗的影響
LED光源的供電方式為直流恒流供電方式。因此LED燈具均要配有恒流驅(qū)動(dòng)電源。目前LED照明燈具上使用的恒流源均為開關(guān)電源即開關(guān)式LED恒流驅(qū)動(dòng)電源。由于開關(guān)電源為整流性負(fù)載,大量使用時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重諧波污染。
在隧道照明系統(tǒng)中,諧波危害主要有以下幾個(gè)方面:1.造成電網(wǎng)電壓的波形畸變;2.電纜線過熱,絕緣老化加速,易損壞并導(dǎo)致線間短路和接地故障引起電氣火災(zāi)和人身觸電事故,特別是中性線過負(fù)荷、發(fā)熱,甚至于著火燃燒;3.變壓器過熱、損壞甚至于燒毀;4.補(bǔ)償功率因數(shù)的電容器過熱,易損壞,壽命大幅縮短;5.系統(tǒng)的功率因數(shù)降低使得供電系統(tǒng)損耗增加;6.斷路器及漏電保護(hù)裝置、接觸器、熱繼電器等電氣保護(hù)元件過熱,失靈,誤動(dòng)作,接地保護(hù)裝置功能失常;7.浪費(fèi)系統(tǒng)容量,降低保護(hù)裝置作用。
解決隧道照明諧波危害可采用以下兩種方式:1.提高變壓器容量和質(zhì)量,增大電纜截面積,特別是加大中性線電纜截面,增大其他電氣設(shè)備的容量。但這種方式不能從根本上消除諧波,反而會(huì)使電氣設(shè)備投資增加,保護(hù)特性與功能下降。2.提高LED隧道燈驅(qū)動(dòng)電源的功率因數(shù)。在選用LED隧道照明燈具時(shí)應(yīng)對(duì)功率因數(shù)提出要求。一般要求功率因數(shù)要達(dá)到0.8以上,這就要求LED恒流驅(qū)動(dòng)電源必須帶有功率因數(shù)校正電路。性能良好的LED驅(qū)動(dòng)電源,其功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。若選用這樣的電源,將是目前消除諧波危害的最佳方案。
結(jié)束語
隧道照明電費(fèi)是高速公路運(yùn)營(yíng)成本的重要組成部分。一條長(zhǎng)度為400m的單向交通隧道,若使用高壓鈉燈按標(biāo)準(zhǔn)要求點(diǎn)燈,其每年隧道內(nèi)的照明用電量約為60多萬元。在隧道照明中,隧道出、入口處的照明更是隧道基本照明的幾十倍。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),不得不降低照明標(biāo)準(zhǔn),以降低運(yùn)營(yíng)成本。而這一做法又會(huì)給隧道運(yùn)營(yíng)埋下頻發(fā)性事故隱患。因此,如何降低隧道照明的能耗,特別是入口的能耗,已是所有擁有隧道的高速公路運(yùn)營(yíng)商迫切需要解決的問題。目前我國(guó)公路隧道總里程已接近2千公里,總的照明能耗相當(dāng)巨大。本文旨在介紹一些隧道照明的節(jié)能方法,以幫助同行最大限度地降低隧道照明能耗,節(jié)約巨額的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用,為實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,保護(hù)環(huán)境,減少CO2排放提供較為可行的方法。
評(píng)論