LED在隧道照明工程中的应用研究*

杨 超 王志伟

(华东交通大学载运工具与装备省部共建教育部重点实验室，南昌330013)

1 引言

“十一五”期间，我国致力于把中国从目前的低效能源使用者变成高效能源使用者——单位国内生产总值能耗降低20%左右，各级政府和部门也把建设资源节约型、环境友好型社会作为“十一五”发展的重要内容。在我国的电力能源消耗中，照明用电占能耗总用电的13%左右，国家发改委在“十一五节能规划”中明确规定照明节电是我国节能的重要环节，提高照明的质量和水平，减少光污染，建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统，是保障我国能源可持续发展的一项重要战略措施，而寻找高效、节能、优质环保的新型光源又是问题的关键［1～2］。

LED(Light Emitting Diodes)作为新型光源，被认为是21世纪最具有节能潜力的产品，引起了世界各国对其在节能领域应用方面的关注。现有的LED产品主要应用于装饰、景观、讯号、红绿交通灯、庭院灯、汽车部份灯以及某些特殊用途照明领域。美国GE公司、德国SIEMENS、OSRAM公司、日本SONY等公司也都致力于LED照明产品和照明系统新一代的应用开发。2006年我国也正式启动了“国家半导体照明工程”，已经初步形成了珠江三角洲、长江三角洲、江西及福建、北京及大连等北方地区四大LED照明研发区域［3－4］。随着LED技术的不断突破，LED将会有更广阔的应用前景。本文从LED光源特性出发，主要介绍了LED应用于隧道照明的需求优势及其现存的一些问题，希望给隧道建设工程人员带来一些启发性的思想。

2 LED应用于隧道照明的需求

随着我国经济和交通事业的迅速发展，公路隧道的建设数量日趋增多。由于隧道内部的特殊环境，为了保障驾驶人员的行车安全，根据国家隧道照明设计标准，长度超过100米的隧道就应该配置照明设施。但不是任何的照明光源都适合于隧道照明，其光源及灯具的合理选择是保证隧道照明质量的关键。隧道照明的光源除应满足在隧道特定环境下的光效、寿命、显色、色温及配光、散热、维护等方面的主要要求外，还应该能满足在汽车排放尾气形成的烟雾中具有良好能见度的要求，隧道照明的效果必须依靠可靠的光源来实现。现阶段我国大部分隧道照明多采用白炽灯、荧光灯、高压钠灯、低压钠灯等，大多存在光带窄、配光质量不够、能耗高、质量稳定性差、寿命短、档次不高等问题［5］，且照明控制方法落后，导致隧道照明效果不佳，不能满足行车要求，严重影响行车安全，同时使隧道照明的运行和维护费用居高不下，造成能源的极大浪费。明视觉与中间视觉理论、显色性与照度关系等科研成果表明［6］，LED应用于隧道照明具有先天优势，与传统照明光源相比，具有寿命长、易于控制、灯具效率高、显色性高、色温范围可控制等优点。如果再结合相关光学、电学和热学方面的优化设计，可以大大的改进我国目前隧道照明的水平，节约电能，维持隧道建设的可持续发展。

3 LED隧道灯分类及光源特性

3.1 LED隧道灯分类

目前，市场中的LED隧道灯可根据形状、光源、结构及发光强度和工作电流进行分类。

1)按形状分类:有圆形产品和矩形产品两类(如图1、图2)，矩形产品中又可按芯片排列分为平面形与梯形两种。由于隧道是长方形，要求对路面和隧道墙壁2m高度进行照明，在光源配光设计达到同样水平的情况下，圆形产品要达到规范规定的亮度标准，必然需要的灯要多，均匀度要差，而矩形产品则更容易满足规范的要求。

图1 圆形LED隧道灯

图2 矩形LED隧道灯

2)按光源分类:按芯片功率可分为大功率LED隧道灯与小功率LED隧道灯。日、美著名品牌芯片在稳定性、光衰方面的优势得到行业的认可，至于大功率LED隧道灯与小功率LED隧道灯的比选，和产品的散热性能、实际用电功率等相关。

3)按结构分类:有一体化结构、模块化结构与半模块化结构三种形式。一体化结构隧道照明灯将光源、灯具、电源三者结合为一体，维护不便;模块化结构将光源、灯具、电源三者相分离，光源中的芯片或电源出现故障，可进行更换，方便维护;半模块化结构将电源与光源和灯具相分离，方便电源更换，不考虑芯片出现故障。

4)按发光强度和工作电流分类:有普通亮度的LED(发光强度小于10cd);超高亮度的LED(发光强度大于100cd);把发光强度在10～100cd间叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下。

3.2 LED隧道灯光源特性

1)光效

LED光源光效是衡量其隧道光源效率优劣的基本指标，根据LED隧道灯在实际使用中的要求，其所用光效需达到一定水平才能满足替换传统隧道照明高压钠灯、荧光灯的需求。目前，LED技术有了长足进步，美国Cree公司已经制造出世界最高光效记录的LED，白光大功率LED光效已实现208 lm/W［7］，大大超过了现在所有照明光源的光效，大范围应用于隧道照明指日可待［6］。

2)寿命

LED的寿命可从光源寿命、电源寿命与构件寿命三个方面来考察。光源寿命主要取决于LED芯片、连接方式与散热处理。现有产品都声称在环境为－20℃～55℃，光通下降不大于30%条件下，光源可达到50000小时，电源达到15000小时。事实上，光源的寿命与构件寿命、生产工艺等密切相关。例如，焊接的质量(部分厂家采用人工焊接)，导线、硅橡胶、所采用透镜的材料等在高温条件下使用老化，都会对寿命与光质量产生影响［8］。LED的长寿命能有效减少灯具的维护工作，降低运行成本。

3)显色性

国际照明委员会CIE把太阳光的显色指数定为100，各类人造光源的显色指数各不相同，如高压钠灯显色指数Ra=20～25左右，荧光灯管显色指数Ra=60～80。一般说来，光源的显色指数只要大于70以上，就能比较真实地反映出物体的颜色而不至于有较大的失真，显示效果较好;在30以下，则显色效果会较差。LED灯具若采用白色为光源，显色指数可达到75～80，视觉效果要明显优于高压钠灯，光色更为自然。因此在实际应用中，如果采用LED光源，那么只需要较低的亮度就可以达到比较满意的照明效果，从而降低了电源的功耗，有助于司机及行人识别目标，在同样的路面亮度下提供更好的通行条件。显色指数与显色性的关系及一般应用如表1。

表1 显色指数与显色性的关系

4)方向性

高压钠灯或金属卤化物灯是全空间发光的光源，需要将一个半空间发射的光线通过反射器改变180°方向投向另一半空间内，反射器对光线的吸收和光源自身的挡光是不可避免的，灯具效率一般仅有70%左右。与传统光源不同，LED是定向发光的，LED的光源由非常多个LED组成，通过设计每个LED的投射方向，使受照路面获得均匀的照度，利用率比传统光源高很多，同时还可以有效地控制隧道内的眩光［9］。

5)可控性

尽管荧光灯可实现调光控制，但其光效较低，调光时易产生高次谐波，对电网造成干扰;高压钠灯、金卤灯调光幅度很小，一般在40%～100%范围内调光，且其响应时间比较长，尤其目前在隧道内应用比较多的高压钠灯，每调整一次光通量，一般要通过5～10分钟左右的时间才能达到额定光通量，所以原来的公路隧道在调节亮度时不管采用几级控制，都是通过对灯光群中部分灯的通断来进行调节，而不能实现亮度无级变化。LED发光器件是电流型控制器件，其光电转化速度小于0.1秒，在额定参数范围内，只要提供不同的电流，就可以瞬间得到不同的亮度，这是高压钠灯、金卤灯无法比拟的。正因为如此，LED隧道灯的亮度完全可以通过改变工作电流实现自由调节，因而LED灯电流的可控性是比较容易实现的。

6)节能性

按同等光效，在满足隧道照明满足设计规范的要求下，LED灯所需功率要小于高压钠灯的所需功率;LED隧道灯是定向光，其灯具利用系数为0.8～0.9，而其他光源的灯具利用系数只有0.4～0.5;综合以上两点，如果再结合LED隧道灯的易于控制的性能实现隧道内亮度的无级调光，总体上对比其他光源，其节能效果将更加显著。从成本上讲，尽管一次性购买LED光源照明灯具的价格相对高一些，但从早期一次性综合投资(包括配套的电缆、变压器等)来讲，比选用高压钠灯的成本还要低，同时考虑到长期使用，LED照明灯具由于使用寿命长、维护成本低，整体效能可观。

为了比较直观的了解LED与其他常用隧道照明光源之间性能差别，如表2所示:

4 隧道照明的设计

公路隧道照明是为了把必要的视觉信息传递给司机，防止因视觉信息不足而出现交通事故，从而提高驾驶上的安全性和增加舒适感。隧道照明与道路照明的显著不同是白天也需要照明，而且白天照明问题比夜间更加复杂。针对隧道内出现的视觉问题(例如进洞时的黑洞或黑框效应，出洞时的白洞效应)，许多国家都制定了适合于本国的隧道照明设计标准，如美国IES，英国BS，日本《隧道照明设计指南》、国际照明学会的CIE标准等。中国于1990年颁布了《公路隧道设计规范》(JTJ026090)［10］，后来由于该规范对隧道照明设计的规定不是十分完善，1999年又颁布实施了《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.101999)，并延用到今。根据隧道照明设计规范，长大隧道照明区段可分为入口段、过渡段、中间段和出口段，过渡段又可分为过渡一段、过渡二段、过渡三段。

表2 LED与与其他光源性能比较

4.1 隧道照明分段设计

1)入口段照明

隧道入口段是整条隧道的起点，入口段照明是隧道其他部分照明的基础，隧道其他分段的照明评价指标大多是以入口段照明评价指标为依据计算得出的。在我国现行的《隧道通风照明设计规范》中，采用洞外亮度L20(S)乘上一个系数k来确定入口段亮度值。

式中Lth——入口段亮度(cd/m2);

k——入口段亮度折减系数;

L20(S)——洞外亮度(cd/m2)。

2)过渡段照明

在隧道照明中，过渡段介于入口段与中间段之间的照明区段。其任务是解决从入口段高亮度到中间段低亮度的剧烈变化(常为数十倍)给司机造成的不适应现象，使之能有充分的适应时间。该适应时间取决于基本段亮度与适应段亮度之比，可参照图3所示的适应曲线确定。根据适应时间与设计车速，可以求出过渡段所需长度，并以渐变的照明实现这种过渡。按CIE标准规定，过渡段亮度公式如下:

式中Ltr—过渡段亮度(cd/m2)。

我国规范规定过渡段亮度也可以逐级降低，Ltr1，Ltr2，Ltr3三个过渡段亮度比例按3∶1划分，其对应值分别为，Ltr1=0.3Lth，Ltr2=0.1Lth，Ltr3=0.035Lth。

图3 眼睛适应亮度变化的时间关系

3)基本段照明

在隧道照明区段中，中间段照明的基本任务是保证停车视距，基本段的照明水平与空气透过率(即通风条件)、行车速度以及交通量等因素有关。按《隧道通风照明设计规范》，基本段的亮度Lin取值如表3。

表3 基本段段亮度Lin

4)出口段照明

在单向交通隧道中，有时需要对出口段作适当的处理，以便缓和白洞现象带来的不利影响。例如，出口洞外为空阔环境、面向大海、面对雪山等高亮度并能形成眩光时，出口则应加强照明，否则无须作加强照明，出口段亮度宜取中间段亮度的5倍。在双向交通中，可不设出口段照明。

4.2 隧道照明设计要求

隧道照明设计要求主要包括亮度、均匀度和闪烁三方面［11］。路面左、右两侧墙面2m高范围内的平均亮度应不低于路面平均亮度。隧道两侧墙面2m高范围内宜铺设反射率不小于0.7的墙面材料。一般要求隧道内路面亮度均匀度(Lmin/Lav)不低于0.4。每条车道中心线上的轴向均匀度(Lmin/Lav)应当不低于0.6，但不提倡在很长距离内均匀度太高，否则会造成视觉疲劳和对比度的缺失。通常，2.5Hz以下和15Hz以上频率的闪烁可忽略不计。闪烁频率可由公式计算:

式中Z——闪烁频率(Hz);

V——交通速度(m·s);

S——灯具间距(m)。

在进行隧道照明设计时，一般采用0.7的系统维护系数。

5 LED隧道照明工程应用

1)合肥市寿春路下穿蒙城路隧道［12］:合肥市寿春路下穿蒙城路隧道，全长200m，设计时速40km/h，双向4车道，单向车流量1300辆/h，隧道路面宽度15m，高度4.5m，沥青混凝土路面。系统设计方案:各段照明灯具均采用LED灯，加强照明和应急照明的控制采取无级控制方式。

基本照明控制:为了避免过度照明造成电能浪费，减小灯具的光衰，延长LED光源和驱动电源的寿命，在实际运营时，将基本照明的功率设定在额定功率的80%，即所有50W的基本照明灯具的输出功率控制在40W。在未来的运营过程中，可根据灯具实际光衰情况，逐年递增灯具的输出功率，直至达到100%功率输出。

加强照明控制:由于隧道加强照明采用LED无级调光系统具有相当大的节能空间，通过采用亮度可控型LED隧道灯及其亮度智能无级控制系统来为隧道加强照明调光。不论隧道洞外亮度如何变化，该系统都能够对其进行自动跟踪，计算出洞内实际亮度需求并控制灯具输出相应的光通量，实现了按需照明的目标，最大限度地节约了电能。

应急照明控制:传统的布设方式使得应急照明状态下的照度均匀度极差，这在突然停电的情况下依旧存在较大的事故隐患。因此，在设计应急照明系统时放弃了传统的大间距布设方式，充分利用LED灯的亮度可控特性，将所有的基本照明灯全部兼作应急照明灯。

2)南京市模范马路隧道［13］:南京模范马路隧道位于南京市鼓楼区，分离式双洞六车道，隧道设计车速60km/h，车流量大于2000辆/h隧道洞体左线长1010米，右线长1006米，单洞净宽l 8米，沥青路面。

新模范马路隧道照明工程由于采用高光效大功率LED隧道灯，灯具数量从传统荧光灯方案的1352套减少为910套，单灯总功率也从荧光灯的80W降低为72W。这样仅从使用LED隧道灯替代传统荧光灯上，就能实现节电39.4%。此外，新模范马路隧道照明工程在国内率先使用了智能化调光控制系统，该系统可根据户外进入隧道内的光线的强弱，自动调节隧道内照明强度。在使用该智能系统之后，又能实现节电20%左右。同时，该隧道照明采用多线路控制，在不需要全部点亮时可关闭部分隧道灯以节约用电。

6 LED应用隧道照明存在的技术问题

尽管LED应用于隧道照明有很大的潜力，也是未来隧道照明灯具发展的主流方向，但现阶段在隧道内特殊的结构、视觉环境下，还存在着一些主要的问题需要解决，如电源驱动、配光性、散热问题，此外还存在着性价比、电源的可靠性、维护性、中间视觉和标准化问题等［14］。

6.1 驱动问题

在隧道照明中通常要求基于洞外亮度、洞内交通量和设计速度等因素对灯具亮度进行无级调控，以期降低能耗，所以，隧道LED灯具的驱动电源要能够接受调光控制信号，并能够调整输出电流以调整LED光通量，但是由于LED正向伏安特性非常陡，要对供电比较困难，白光LED工作电压的较小波动就会导致工作电流的急剧变化，这将直接影响到其寿命、光功率、光通量、可靠性以及光线色温等，从而达不到实际使用要求，因此LED须采用可控的恒流源进行驱动，才能保证LED高效可靠地工作。但当前很多厂家生产的LED灯类产品采用阻容降压的方式向LED供电，这样做使得效率低。并且现有的大部分驱动电源功率因数普遍偏低，降低了电能的有效利用，精确设计驱动电源是解决上述问题的关键。

6.2 配光问题

LED要在照明领域发展，在提高LED本身光效的同时，主要还是要对LED照明灯具进行优化的配光设计即二次光学设计，通过二次光学设计外加的反射杯与多重光学透镜，可以提高器件的出光效率。目前，LED在照明领域的配光技术还不成熟，很多针对LED灯具的国家标准也还没有制定，中大功率LED照明灯具产品的二次光学设计还很粗糙，因此，LED在照明领域的优势还没有最大限度地发挥出来，采用与传统灯具配光不同的方法，充分利用LED的光学特性进行二次光学设计将有助于进一步提高LED光源的光利用效率。

常见的配光分布形式有蝙蝠翼型配光(如图5)、朗伯型配光(如图6)、侧射型配光、聚光型配光。不同的应用场合适用不同的配光形式，例如:道路照明宜选用蝙蝠翼型配光、射灯宜选用聚光型配光。由于隧道照明的特殊性，隧道照明中灯具的排布密度非常高，所以在隧道照明中对灯具的二次配光形式不同于一般的道路照明。在隧道照明中蝙蝠翼型配光、朗伯型配光都可以满足照度均匀度的要求，这主要是由于隧道照明中灯距比较小［15］。二次配光设计是建立在光源一次配光分布的基础上的，所以不同的光源种类有不同的分布，相应地配光设计也会改变。所以，虽然有专业生产反光杯和透镜的厂家，但是他们提供的产品只是以某一种LED光源为设计依据，当然也只能是适合于某一种LED光源。而且现在LED光源的种类迅速增加，在LED更新换代的同时也必然要求反光杯、透镜做更新换代。所以，二次配光设计必须由隧道灯厂家自己完成。但是，目前能够独立地开展配光设计的厂家还不是很多。

6.3 散热问题

图5 蝙蝠翼型配光曲线

图6 朗伯型配光曲线

当前，限制功率型LED应用的一个很大的瓶颈就是散热问题。由于LED属于半导体器件，因此结温的升高会导致器件各方面性能的变化与衰减。具体到LED，这种变化主要体现在三个方面:减少LED的光输出;缩短器件的寿命;造成LED所发光的主波长偏移，从而导致光源的颜色发生偏移。而这些都是照明应用中非常重要的指标，因此，所以，LED的散热处理得好坏将直接关系到隧道灯具的使用效果和寿命。

目前，大功率LED的散热主要有几种形式:自然散热、加装风扇强制散热及热管技术［16］。自然散热利用自然对流和热辐射;加装风扇强制散热主要利用强制对流实现散热;热管散热主要利用热管作为散热器件。自然散热的成本最低，结构可靠、易于做防水，但是对灯体本身的结构设计要求较高;加装风扇强制散热的散热速度快，但是成本高、噪音高、难做防水、寿命短;热管散热无运动部件，系统稳定，但是成本高，不美观。所以，应优先选择自然散热方式，在自然散热难以解决问题的时候才会考虑其他的散热途径。

6.4 中间视觉

由于人眼存在的两种光感受器细胞——锥状感光细胞和杆状感光细胞的不同特性，人眼的视觉根据亮度的变化可分为明视觉、暗视觉和中间视觉。在中间视觉条件下，人眼中的锥状感光细胞和杆状感光细胞共同起作用，这就使得人在中间视觉条件下的视觉特性远比在明视觉或暗视觉条件下的视觉特性复杂［17］。图7人眼三种视觉状态下的光谱光视效率和光谱光视效能。

隧道照明的条件符合中间视觉研究的范畴，黄光就是现在主流的高压钠灯，它经济节能，同时又有着优异的透雾性能，虽然如此，黄光也有着其先天不足，即色彩还原能力差。但考虑到中间视觉基于人眼的感官意识，目前尚缺乏统一的标准，所以LED隧道灯在中间视觉状态下显示出来的优势还处在研究和数据采集阶段。

6.5 标准化问题

图7 人眼光谱光视效率和光谱光视效能

尽管在现阶段LED产业在我国取得了较大的发展，但标准的缺失让当前LED产业发展面临巨大的障碍。加快制定半导体照明技术标准已经迫在眉睫。

目前所缺的标准主要是在LED光源等应用产品领域。没有标准规格，就会出现开发费用高、产品适应性差、很难达到实际要求的状况。特别是在LED照明产品方面，必须要考虑到安全性、光污染和环保问题。当前国内外与LED产业有关的标准有40个，但仅仅是普通的LED标准及照明灯具标准，很少涉及LED产业主要元器件、技术工艺及关键性能，相应指标的检测方法标准也很缺乏，没有形成较完整的LED及照明器具标准体系。而且在应用市场，在LED没有标准的情况下，市场上产品出现了价高质差问题，但无法对其进行规范［18］。这样LED对隧道照明的发展是非常不利的。

7 结束语

LED作为新型光源进入照明领域，使人们看到新的节能时代的到来，其带来的社会成果和经济效益有目共睹。随着LED技术的日益成熟，其制造成本逐渐下降，随之LED的价格也必将降低，LED的普及和推广指日可待。LED应用于隧道照明开辟了一个新的应用领域。LED相比其他光源具有的先天优势使其成为隧道照明实现节能的首选光源，并且在国内的不少公路隧道中得到成功的应用。对于降低用电能耗、缓解用电压力、构建节约型社会有重要的意义。尽管目前LED隧道灯还存在着一些关键性的问题需要突破，我们有理由相信经过科研人员的不懈努力，一定会取得重大研究成果。也期待国家在LED道路照明上给与更大的支持。未来几年LED隧道灯主要朝着高功率、低成本、标准化、智能化和多元化的方向发展，势必带来照明节能革命性的变化。

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