无级调光控制技术在公路隧道中的节能应用

文｜合肥源辉光电子有限公司

1 背景介绍

按需照明一直是照明的理想形式，然而传统光源亮度难以控制，而照明系统在设计时又必须考虑足够的设计冗余，因此使用传统光源的照明系统普遍存在过度照明、电能浪费巨大的现象。对于隧道照明系统而言，有70%左右的能耗是被过度照明消耗掉的。因此，隧道照明节能，必须从减少过度照明着手。

要减少过度照明，单纯减小灯具设计功率的方法是不可取的。因为，如果采用这种方法，照明系统的亮度会在系统运营一段时间后低于规范要求。到那时，除非增加灯具数量，否则就只能采用降低隧道的行车速度或频繁更换光源的方法来解决。

因此，合理的减少过度照明的手段，应当是根据需要调整照明强度，即按照需要调整灯具的功率。调整照明强度有两种方式，一是采用多回路分级调光，二是采用无级调光。分级调光通常最多只分到6级，即白天4级，夜晚2级。这种简单分级的方式依旧存在较为严重的过度照明。无级调光是基于LED光源实现的，只需要两个回路，即基本照明回路和加强照明回路。采用这种方式可以根据需要任意调整灯具亮度，在满足规范要求的前提下避免过度照明，最大限度地节约电能。

2 无级调光控制技术的节能原理

过度照明存在的根本原因，可以简单概括为照度需求和传统照明系统能耗的不可控性。对于公路隧道来说，影响照度需求和照明系统能耗的因素主要有光源规格、光源维护系数、洞外亮度、电源和路面类型。本文主要从前四个因素的角度分析无级调光系统的节能原理。

2.1 光源规格与维护系数

光源的规格与维护系数对使用传统光源的照明系统能耗的影响有相似之处，都表现为因传统光源的亮度难以控制，造成隧道单侧开灯亮度不够，双侧开灯过度照明严重的现象。

相关的行业标准中对隧道照明有着具体的规定，许多高速公路隧道的基本照明灯具仅需40W～120W即可，若大幅超出行业标准，则属过度照明。然而目前市场上技术成熟的通用型高压钠灯光源的功率规格只有100W、150W、250W和400W几种，不能紧密贴合公路隧道照明的需要，再加上亮度控制不便，应用于隧道时单侧开灯亮度不够，双侧开灯过度照明严重的现象便难以避免。LED灯具的设计功率一般在20W～70W之间，过度照明较钠灯要低得多，若采用隧道LED照明亮度智能无级控制系统，更可根据标准要求进行照明，紧密贴合实际需要，能够有效地减少过度照明造成的电能浪费。

维护系数是在设计灯具功率时，为确保运营过程中，因衰减和灯具受到污染而使光源亮度下降30%以上后，其照明强度依旧能够满足规范要求而设定的指标。在《公路隧道通风照明设计规范》中，维护系数取0.7，即100W的灯具亮度刚好满足规范要求时，必须选用功率大于143W的灯具。在实际设计中，为了防止因光源光效的细微差异造成运营一段时间后亮度低于规范要求，确保隧道照明始终能够满足规范要求，通常还需要在规范要求的基础上再考虑一定的设计冗余，一般取规范要求值的20%。也就是说，100W的灯具亮度刚好满足规范要求时，灯具的实际功率应在170W左右。这同样会造成单侧开灯亮度不够，双侧开灯过度照明严重的情况。这是恒定亮度灯具的一大缺陷，而如果采用LED亮度无级控制系统，则可有效地防止出现为保证设计维护系数和冗余造成的电能浪费现象。

2.2 洞外亮度

我们知道，隧道内加强照明的标准值都是根据隧道洞外的亮度乘以一个系数得来的。以80km/h的双车道单向交通为例，若设计交通量不低于每小时2400辆，其入口段的亮度折减系数为0.035。图1展示出了不同的洞外亮度情况下加强照明能耗相对百分比，从图中可以看出，洞外亮度对隧道照明能耗的影响相当大，这也给节能带来了相当大的空间。

根据《公路隧道通风照明设计规范》的规定，入口段亮度可按下式计算：

图1 洞外亮度与照明能耗百分比的关系图

式中，Lth为入口段亮度，k为入口段亮度折减系数，L20（S）为洞外亮度。隧道照明设计要求取夏天中午时的最大洞外亮度来计算加强照明的亮度，并考虑到足够的冗余，以确保在任何天气条件，以及灯具的亮度衰减到额定值下限的情况下，洞内照明强度始终能够满足规范要求。但是，在实际运营期间，洞外亮度会随着天气、季节和时辰的变化而变化。也就是说， L20（S）时刻在变化，它会从几十坎德拉变化到几千坎德拉。对于一个合理的照明方式而言，当L20（S）发生变化时，Lth也应随之变化。而如果L20（S）变化而Lth不变或者仅简单地按几个等级进行变化，便会造成巨大的电能浪费。

图2所展示的即是这种巨大的电能浪费。其中LED灯设计功率线与夏至功率需求曲线中午时最大值之间的差额为维护系数和设计冗余。图中曲线以上的面积即为高压钠灯照明系统浪费的电能，它达到了实际需求能耗的三倍以上。而即使是四级调光的LED灯照明系统，其晴天的能耗也是实际需求的2倍。因此，隧道加强照明只有采用智能无级控制系统对洞外亮度进行跟踪，实时调整洞内亮度，才能实现按需照明的目标。

图2 不同季节晴天洞内加强照明功率变化图

对于东西走向的隧道而言，若入口位于隧道的东侧，则上午阳光照射到东面山体时，洞口亮度较高，午后东面山体转为阴暗面时，洞外亮度急剧下降，这使得入口段加强照明的强度需求在上下午存在巨大的变化。采用亮度智能无级控制后，洞内照明就会顺应这种变化。如图3所示，智能无级控制系统夏至晴天照明能耗仅为高压钠灯系统的18%，而冬至时仅为12%，节能量高达80%以上。

图3 东向入口隧道晴天洞内加强照明功率变化图

2.3 电源

电源对使用传统光源的照明系统能耗的影响，主要表现为电源电压昼夜波动造成传统光源能耗波动。包括高压钠灯在内的气体放电灯对电源电压的稳定度要求较高，如果电源电压的波动超过6%，光源的能耗将大幅增加，寿命也将大幅缩短。图4所示为250W高压钠灯与200W的LED灯的电源功率与输入电压的关系。从图中可见，当夜晚电源电压升高至250V左右时，钠灯（含镇流器）的功率为378W，较额定值增加了40%。这就是钠灯用作路灯时，实际功耗远远超出额定功耗的主要原因。此外，在这种电压下，钠灯的寿命（亮度衰减50%时的工作时间，额定状态下一般为2万小时）会大幅折减，几乎不足额定寿命的30%。而LED灯的功耗几乎不随电源电压变化，这也成了LED照明无级调光控制系统在节能方面的又一大优势。

图4 光源的电源功率与输入电压的关系图

3 无级调光控制系统的系统结构

图5所示为合肥市寿春路隧道LED照明亮度智能无级控制系统实施方案。洞外亮度监测装置将检测到的隧道洞外亮度信号传送至控制装置上，控制装置对信号加以换算后输出0V～5V直流模拟信号控制LED灯具的输出功率，从而达到控制被照场所的亮度的目的。

4 无级调光控制系统的控制方式

下面以合肥市寿春路隧道照明项目为例，介绍LED照明亮度智能无级控制系统的控制方式。

4.1 基本照明控制

图5 寿春路下穿隧道LED照明亮度智能无级控制系统结构图

隧道内基本照明的特点是工作时间长，需要24小时持续照明。针对这一特点，我们在为寿春路隧道照明项目设计基本照明亮度时预留了足够的冗余量。但这并不意味着要在使用时将设计冗余全部用上，即满功率工作；而是需要多少功率就提供多少功率。在未来若干年内，当灯具出现一定的光衰时，可通过控制系统相应增加灯具的输出功率，使隧道内的基本照明强度始终都能满足规范要求而又不会产生过度照明。

4.2 加强照明控制

隧道加强照明灯具早晨开启和晚上关断的时间以及灯具开启后的亮度调节均由控制装置进行控制。控制系统根据检测到的洞外亮度数据进行运算，按照运算的结果控制洞内灯具的输出功率。这种自动跟踪洞外亮度，调节洞内亮度的照明方式，有效避免了过度照明，实现了按需照明的目标，最大限度地节约了电能。

4.3 应急照明控制

隧道的应急照明灯具又兼做基本照明灯具，均由EPS电源供电。当市电断电时，控制装置瞬间将基本照明灯具的功率同步控制到额定功率的15%左右。这使得在市电断电情况下，系统能够保证应急照明的配光特性与原先的基本照明相同，最大限度地避免了交通事故的发生。

5 无级调光控制系统的优越性

5.1 节约能源

如前文所述，LED照明亮度智能无级控制系统可以很好地适应洞外亮度等因素引起的照明需求变化，有效地避免过度照明，在确保照明满足规范要求的前提下最大限度地节约电能。应用了亮度无级控制技术的LED灯具可以比应用分级控制的同类灯具节能40%，比钠灯节能70%～90%。

除此之外，LED照明亮度智能无级控制系统还可以在隧道车流量未达到设计标准时，依据规范对洞内照明强度进行相应的折减（折减量可根据需要任意设定），真正实现设计师们追求的按需照明的设计理念。

5.2 其他优越性

节能只是LED照明亮度智能无级控制系统诸多优越性中的一个，除此以外，它还有很多其他的优越性：

（1）LED照明亮度智能无级控制系统的加强照明灯具只有在夏季的中午才接近满功率工作，在一年中的大多数时间里，则均在10%～60%的功率下工作；而基本照明灯具的近期工作功率也是低于额定功率的（设计冗余留到远期再用）。这使得灯具和电源的长期工作温度非常低，不仅可大幅减小LED的光衰，还可延长LED和电源的寿命。

（2）LED照明亮度智能无级控制系统可在下半夜时令灯具的功率同步减半，配光特性保持不变，从而避免了单侧关灯造成的危及行车安全的斑马效应的出现。

（3）LED照明亮度智能无级控制系统设计简单，只需2个回路，即一个基本照明回路和一个加强照明回路。基本照明又兼作应急照明；当市电断电时，所有基本照明的功率均降至额定功率的10%，从而确保照度的均匀性。

（4）与分级调光系统相比，LED照明亮度智能无级控制系统可节约相当数量的电缆、控制箱及相应的电气费用。

6 经济性分析

下面，我们以一条长2km，水泥路面，单向2车道，设计时速80km/h，设计车流量每小时700辆，隧道路面宽度10.5m的隧道为模型，计算并对比钠灯分级调光照明系统与LED智能无级控制系统的投资运营费用。（天气情况按每年晴天165天，云天100天，阴天50天和重阴天50天进行计算；电费按商业用电价，即每千瓦时1元计算）

如图6所示，钠灯分级调光照明系统与LED智能无级控制系统的投资费用包括灯具、电缆和电气设备（包括变电站、应急电源、配电箱/柜以及灯具以外的电器等）的费用。

从图中可以看出，两种方案一次性投资费用相差并不大，但LED智能无级控制系统每年可节省近40万元电费，若隧道在设计车流量条件下按规范要求开灯，则不到3年即可收回增加的投资。

7 结束语

综上所述，在公路隧道项目中应用LED无级调光控制有以下优势：

（1）LED调光控制可实现基于洞外亮度与交通量的按需照明，大大减少照明能耗。

（2）采用LED隧道照明可简化供电回路设计，节约电缆与变压器的投资。

（3）虽然目前LED隧道灯的价格高于高压钠灯，但LED隧道灯在实现调光控制后具有显著的经济效益，投资回收期一般为3年左右。

图6 LED与钠灯照明系统投资营运费用对比图