LED燈具應用于隧道照明

　　從上表可以看出，洞外亮度對隧道能耗影響相當大。洞外亮度高，洞內照明強度也要相應提高，洞內的電氣設備投資也會相應地增大。因此，在設計隧道洞內照明時，設計人員應先對隧道洞外亮度進行實測，再根依據(jù)實測結果設計洞內照明，這樣不僅可避免照明設計冗余量過高造成電氣設備投資上的浪費，還可在運營過程中節(jié)省大量的電能。在建設安徽省黃塔桃高速公路時，初步設計是按4000cd/m2的洞外亮度設計洞內照明。在正式設計階段，設計人員奔赴現(xiàn)場對各隧道的洞外亮度進行了實測，并測得隧道洞外亮度大多在3000cd/m2左右。因此設計人員按照實測的洞外亮度對洞內照明系統(tǒng)進行設計，結果照明燈具的總功率比原先減少了23%，設備投資約減少了19%。由此可以看出，精確測量隧道洞外亮度，對于合理設計洞內照明，減少照明能耗和電氣設備投資，是非常必要的。
　　這個事例表明，洞外亮度對洞內照明及設備投資的影響極大。因此，如何降低洞外亮度，也是隧道設計人員應當考慮的問題。通?？刹扇∠铝写胧┰谒淼蓝纯诮咏芜M行減光：其一是在路基兩側種植常青樹;其二是將洞口采用暗色調裝修;其三是在洞外的山體坡面上進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、洞外天氣對隧道照明能耗的影響與節(jié)能對策

　　洞外亮度對加強照明能耗的影響很大，而天氣、季節(jié)和時辰的不同，其洞外亮度更是也大不相同。以一個洞外亮度為3000cd/m2的隧道為例，其夏至時洞外中午的最大亮度為3000cd/m2，秋分時洞外的最大亮度約為1860cd/m2，冬至時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。目前我國隧道照明白天大多按照四級調光方式，即晴天、多云、陰天和重陰天四個亮度等級。這四個亮度等級大多不分季節(jié)以及上午、中午和下午，因此能耗的浪費仍舊相當巨大。圖1為高壓鈉燈晴天洞內加強照明功率線和實際功率需求曲線。圖2為LED燈洞內加強照明功率線。圖3為隧道LED亮度智能無級控制系統(tǒng)跟蹤晴天洞外亮度的洞內加強照明功率曲線，它也是實際LED燈具功率需求曲線。每條線下部的面積即為該種燈具當日加強照明的總能耗。圖中最上面一條均是高壓鈉燈的晴天照明功率線，所標的能耗百分比均是指與鈉燈晴天照明能耗進行的比較。

圖1

　　從圖1中看出，夏至白天鈉燈加強照明功率需求曲線下部的面積(即能耗，下同)只占設計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計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是可控，那么僅按每日的照明功率線進行跟蹤控制，對于加強照明而言，每年即可節(jié)能77.3%。實現(xiàn)隧道照明洞內亮度跟蹤洞外亮度實時變化的目標，人類已追求了一個多世紀。但由于傳統(tǒng)光源的局限性，人類一直未能如愿以償。白熾燈雖可進行無級調光，但由于其低下的光效使得其調光變得毫無意義。氣體放電燈(如高壓鈉燈)目前只能在很小的范圍內實現(xiàn)調光。這種調光，白天對隧道照明能耗影響并不大。就對于高壓鈉燈而言，比較好的節(jié)能方法是采用多回路分級控制方式，根據(jù)檢測到的洞外亮度，對洞內回路進行調整。這種分級控制洞內亮度的方式可產生較好地節(jié)能效果。但隨著科學技術的發(fā)展，LED以其優(yōu)異的性能正在成為照明領域的主流光源?，F(xiàn)階段可大批量供貨的LED光效已達90lm/W，且亮度還在不斷地提高，其控制方式也越發(fā)先進。

　　圖2為LED燈洞內加強照明功率線。從圖中可以看出，LED晴天照明的功率線僅有高壓鈉燈的50%，這主要是因為LED隧道燈具有較高的燈具效率、維護系數(shù)、顯色指數(shù)、有效照度以及可任意設置的功率規(guī)格等特點，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隧道燈簡單替代高壓鈉燈，可實現(xiàn)50%的節(jié)能目標。

圖2

　　LED光源與其他光源不同，它的工作電流在額定范圍內可大可小。這一特性為LED燈具實現(xiàn)亮度無級控制奠定了基礎。目前，隧道LED亮度智能無級控制系統(tǒng)已經研發(fā)成功，它的推廣應用，必將對公路隧道照明節(jié)能產生重大影響。

圖3

　　三、隧道LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)節(jié)能分析

　　圖3繪出了采用隧道LE D照明亮度智能無級控制系統(tǒng)跟蹤的加強照明功率曲線。從圖中可以看出，年平均照明功率需求比夏至時要小，冬至功率最低。采用隧道LE D照明亮度智能無級控制系統(tǒng)后，不論是一年中的哪一天，它都會按照實際的功率需求去照明，而無須多付出照明能耗。通過計算可得，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，其相對節(jié)能百分比并無太大差異。用它替代高壓鈉燈的加強照明，可實現(xiàn)83.5%的節(jié)能目標，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)能效果相當顯著。將是當今乃至今后相當長一段時間內隧道照明節(jié)能的理想方案。

四、路面及墻壁材料對隧道照明能耗的影響。

　　瀝青路面的反射率比水泥路面低，在照明設計時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備投資角度考慮，設計階段應盡可能采用水泥混凝土路面。在《公路隧道通風照明設計規(guī)范》中，要求路面左、右兩側墻面2m高范圍內的平均亮度不應低于路面平均亮度。因此，在墻面上涂反射率較高的白色涂料，也可節(jié)能1～3個百分點。
　　五、燈具功率規(guī)格對隧道照明能耗的影響。

　　隧道照明的標準值在行業(yè)標準中是有具體規(guī)定的。若照度大幅度超出行業(yè)標準，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?shù)缆沸枰?10W或180W照明時，由于沒有相應功率的光源，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。

　　對于LED光源而言，它的功率可根據(jù)隧道實際需要進行設計，實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(照明強度大幅超出規(guī)范要求的照明)所造成的電能浪費現(xiàn)象。例如基本段每盞LED燈用60W就夠了，因此設計LED燈具時就按60W設計而不必按75W設計，避免了過度照明所帶來的電能浪費。

　　六、電源電壓對照明能耗的影響。

　　氣體放電燈對電源電壓的穩(wěn)定度要求較高，一般變化在6%以內，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越點越亮。為什么會出現(xiàn)這種情況呢?這主要有如下兩方面原因：首先是因為上半夜的電源電壓通常在220V～230V左右;而在下半夜電源電壓會達到額定值的15%，高達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阻特性，當市電電壓升高時，光源兩端的電壓不僅不會升高，反而下降，而此時光源的工作電流卻會急劇增加;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電壓下工作時包括鎮(zhèn)流器功率在內會增至300W。在這種電壓下，鈉燈的壽命會大幅折減，幾乎不足額定壽命的30%。這就是鈉燈用于路燈時實際功耗遠遠超出額定功耗的主要原因，也是其越點越亮的原因。

　　LED燈具對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，而只取決于出廠時的設定值，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，它可根據(jù)實際應用場所的照明需求實時調整照明強度，以達到理想的節(jié)能效果。在基本照明方面，若采用LED光源，通過先進的調光技術，可以使下半夜照明能耗下降一半，這樣可在原有節(jié)能的基礎上再在減少25%的能耗，使得LED光源總節(jié)能率高達75%。

　　由于LED燈具的工作電壓范圍很寬，因此在設計線路時允許采用線徑較細的電纜而不會出現(xiàn)熄燈或無法啟動之現(xiàn)象。因此采用LED光源可節(jié)省大量的電纜費用，在綜合投資與鈉燈相當?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動電源。目前LED照明燈具上使用的恒流源均為開關電源即開關式LED恒流驅動電源。由于開關電源為整流性負載，大量使用時會對電網(wǎng)造成嚴重諧波污染。

　　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，易損壞并導致線間短路和接地故障引起電氣火災和人身觸電事故，特別是中性線過負荷、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.斷路器及漏電保護裝置、接觸器、熱繼電器等電氣保護元件過熱，失靈，誤動作，接地保護裝置功能失常;7.浪費系統(tǒng)容量，降低保護裝置作用。

　　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，增大其他電氣設備的容量。但這種方式不能從根本上消除諧波，反而會使電氣設備投資增加，保護特性與功能下降。2.提高LED隧道燈驅動電源的功率因數(shù)。在選用LED隧道照明燈具時應對功率因數(shù)提出要求。一般要求功率因數(shù)要達到0.8以上，這就要求LED恒流驅動電源必須帶有功率因數(shù)校正電路。性能良好的LED驅動電源，其功率因數(shù)可達到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。

　　結束語

　　隧道照明電費是高速公路運營成本的重要組成部分。一條長度為400m的單向交通隧道，若使用高壓鈉燈按標準要求點燈，其每年隧道內的照明用電量約為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。由于存在高額的運營費用，使得許多運營商不堪重負，不得不降低照明標準，以降低運營成本。而這一做法又會給隧道運營埋下頻發(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營商迫切需要解決的問題。目前我國公路隧道總里程已接近2千公里，總的照明能耗相當巨大。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)約巨額的運營費用，為實現(xiàn)國民經濟的可持續(xù)發(fā)展，保護環(huán)境，減少CO2排放提供較為可行的方法。