公路隧道LED灯应用探讨

涂耘 王少飞 邓欣 李科 陈建忠

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司 隧道建设与养护技术交通行业重点实验室，重庆 400067;2.国家山区公路工程技术研究中心，重庆 400067)

1 引言

截至2010年，全国公路隧道为 7384处、512.26万m(如图1所示)，其中，特长隧道265处、113.80万 m，长隧道1218处、202.08万 m。公路隧道作为能源消耗大户，其照明节能问题逐渐得到相关行政机构、运营公司、科研院所和社会团体的高度重视。作为技术性节能［1－2］的一项重要措施，公路隧道照明采用“绿色光源”已为业界广泛认同，并得到示范工程应用。本文对公路隧道LED灯的工作原理及优点进行了分析，在此基础上结合中间视觉反应试验结果，提出公路隧道LED灯等效亮度计算方法与照明标准，并以广乐高速公路4座LED灯应用示范隧道工程为例，对其节能效益进行分析，以期为公路隧道LED灯推广应用提供技术参考。

图1 我国公路隧道发展状况 (2000～2010)

2 LED灯工作原理及其优点

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)被称为“第四代光源”，也是未来“绿色照明”的主角［3］。与白炽灯和气体放电灯发光原理迥异，LED自发性的发光是由于电子与空穴的复合而产生的 (如图2所示)。白光LED的出现为半导体照明打开了一扇崭新的大门，目前获得白光LED主要有两大途径:一是通过荧光粉转换得到白光;另一是把不同颜色的LED芯片封装到一起，多芯片混合发出白光。

LED照明产品之所以受到重视，主要由于其具有以下优点:①寿命长，国外有学者认为其使用寿命可长达20年;②更节能，利于环保;③光方向性强，光通量利用率高;④白光色温可调;⑤瞬时启动，立即获得100%的光和色;⑥光源中无汞;⑦低压直流工作，更安全;⑧显色性高;⑨抗震动冲击性好;⑩为点光源，有利于灯具设计。

图2 LED工作原理

具体至公路隧道工程应用而言，LED灯则具有无可比拟的优势:①为定向光，灯具利用系数可高达0.8～0.9;②显色指数高，有利于保障公路隧道行车安全;③可无级调光，实现“按需照明”;④使用寿命较长，可节约大量养护管理费用;⑤全寿命周期成本最低。

3 公路隧道LED灯等效亮度［4］

3.1 中间视觉实验方法

夜间道路照明水平属于中间视觉范畴，目前研究中间视觉的实验方法主要有:①基于视亮度(Brightness)的异色视亮度匹配法;②基于亮度(Luminance)的闪烁光度测量法;③基于反应时间(Reaction Time)的视觉功效法;④基于光源的暗视觉光通量与明视觉光通量之比 (S/P)研究法。

上述方法中，视觉功效法被认为更具合理性，其测试在不同照明环境下 (背景亮度、视标对比度、视标偏心角等)，人眼对背景中随机出现目标的反应时间。视觉功效法可模拟实际视觉作业环境，以直接评价不同照明条件下操作者视觉作业能力和建立以反应时间为基础的视觉模型，从而评价人眼真实的视觉功效。在中间视觉范围内，反应时间与亮度水平、视标对比度、视标偏心角等因素有关。但当背景亮度、视标对比度、视标偏心角一定，以与光源光谱成分直接相关的光源色温为唯一变量时，反应时间是否会随之变化还需进行实验研究。

3.2 照明光源色温影响

通过模拟夜间驾驶条件下的视看环境，测量人眼在隧道照明条件下观测视标的反应时间，以获得反应时间与各种隧道照明因素 (实验参数)之间的变化关系。

1)反应时间与背景亮度关系

在6种不同背景亮度 (Lb=0.32、1.0、1.5、2.0、2.5、4.5cd/m2)、2种不同亮度对比 (C=0.2、0.5) 和3种不同视标偏心角 (θ=0°、10°、20°)下，测试者对金属卤化物灯 (MH)、高压钠灯 (HPS)、LED灯、紧凑型荧光灯 (CFL)和低频无极灯 (LVD)的反应时间如图3所示。研究结果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，测试者反应时间没有明显区别，相对于MH和LED，反应时间都较长;五种光源中，在LED下反应时间最短，其次是MH。这说明若以反应时间作为参考指标，LED灯照明效果最好，其次是 MH，而 HPS、CFL和LVD的照明效果没有明显差别，都比LED和MH差一些。

图3 五种光源下的反应时间与背景亮度的关系

2)视标对比度对反应时间影响

在视标对比度C为0.2和0.5时，反应时间与背景亮度的关系如图4～图5所示。研究结果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，测试者反应时间没有明显区别，相对于MH和LED，反应时间都较长;五种光源中，在LED下反应时间最短，其次是MH。这说明无论视标对比度C为0.2还是0.5，若以反应时间作为参考指标，都是LED灯照明效果最好，其次是MH;而HPS、CFL和LVD的照明效果没有明显差别，都比LED和MH差一些。

图4 C=0.2时五种光源下的反应时间与背景亮度的关系

3)偏心角对反应时间影响

图5 C=0.5时五种光源下的反应时间与背景亮度的关系

视标偏心角为0°、10°和20°时，测试者在五种光源下的反应时间如图6～图8所示。研究结果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，测试者反应时间没有明显区别，相对于MH和LED，反应时间都较长;五种光源中，在LED下反应时间最短，其次是MH。这说明对于周边视觉，无论视标偏心角θ为10°还是20°，若以反应时间作为指标，都是LED灯照明效果最好，其次是MH;而HPS、CFL和LVD的照明效果没有明显差别，都比LED和MH差一些。对于中央视觉 (视标偏心角θ为0°)，仍然是在LED下反应时间最短，在HPS、CFL和LVD下测试者反应时间没有明显区别;在低亮度 (背景亮度低于2.5cd/m2)时，在MH下反应时间大于LED，但明显小于在另外三种光源下的反应时间，当背景亮度在2.5cd/m2及以上时，在MH下的反应时间大于在LED下的反应时间，但已与在其他三种光源下的反应时间没有明显区别。

图6 θ=0°时五种光源下的反应时间与背景亮度的关系

3.3 隧道照明等效亮度

根据实验得到的各种照明条件下反应时间与背景亮度之间的关系可求出反应时间相等时，MH、LED、CFL和LVD对HPS的亮度对比系数R(L)，见表1。即基于视觉功效法，LED灯产生2.5×0.4613=1.15cd/m2的照明效果与高压钠灯产生2.5cd/m2的照明效果是等效的。

图7 θ=10°时五种光源下的反应时间与背景亮度的关系

图8 θ=20°时五种光源下的反应时间与背景亮度的关系

表1 MH、LED、CFL和LVD对HPS的亮度对比系数R(L)

4 公路隧道LED灯照明标准

结合国内外公路隧道LED灯照明理论研究与工程应用［5－8］，建议通风状况良好、能见度高的长大公路隧道中间段照明可采用LED光源，其亮度值取中间段正常设计亮度值［9］的50%，但最低亮度值不得低于1.5cd/m2，见表2。公路隧道加强照明 (入口段、过渡段、出口段)宜采用高压钠灯［10］。

表2 LED灯照明中间段亮度Lin(cd/m2)

5 公路隧道LED灯应用示范

正在建设之中的广东广乐高速公路大瑶山1号特长隧道 (单洞长4220m)、大拉山长隧道 (单洞长1790m)、沙口中隧道 (单洞长642m)和茶山短隧道 (单洞长261m)，已作为国家发改委、住建部和交通运输部组织实施的“半导体照明产品应用示范工程”。采用本文理论研究成果，优化设计后的隧道中间段照明经济效益分析见表3。

据统计，每节约1度 (kW·h)电，就相应节约0.4kg标准煤，同时减少排放0.272kg的碳粉尘、0.997kgCO2、0.03kgSO2、0.015kg 氮氧化物［11］。经计算分析可知，该项目预计年运营节电296.77万度，节约标准煤1187.08t，减排碳粉尘807.21t、CO22958.80t、SO289.03t、氮氧化物 44.51t。不仅经济社会效益相当可观，生态效益也极为明显。

表3 高压钠灯设计方案与LED灯设计方案经济效益对比表 (基本照明)

6 结语

(1)LED作为“第四代光源”，与传统光源相比具有无可比拟的优势，将LED灯应用于公路隧道，对于降低用电能耗、缓解用电压力、建设“资源友好型”公路隧道具有非常重要的社会意义。

(2)基于视觉功效法，明确提出公路隧道LED灯等效亮度计算方法，实验研究表明LED灯产生1.15cd/m2的照明效果与高压钠灯产生2.5cd/m2的照明效果是等效的。

(3)在理论研究成果的基础上，首次明确提出公路隧道LED灯照明标准，并建议通风状况良好、能见度高的长大公路隧道中间段照明可采用LED光源。

(4)理论分析计算表明，将LED灯应用于公路隧道基本照明，不仅经济社会效益相当可观，生态效益也极为明显。

(5)由于公路隧道照明的特殊需求及应用环境，目前国产大功率公路隧道LED灯技术上还存在诸多瓶颈问题［12］。作为新兴产品的公路隧道LED灯由于配光设计、散热、色温、维护、性价比等方面的不足限制了其大规模推广应用，目前尚不能完全取代传统高压钠灯。

［1］王少飞，涂耘，邓欣.公路隧道节能减排对策 ［J］.铁道工程学报，2011，28(5):71～75，114

［2］涂耘，王少飞，张琦，等.“低碳经济”背景下公路隧道照明节能策略 ［J］.现代隧道技术，2011，48(3):14～21

［3］陈大华，刘洋，居家奇，等.绿色照明LED实用技术［M］.北京:化学工业出版社，2009

［4］招商局重庆交通科研设计院有限公司.隧道节能技术应用示范研究报告 (中期成果) ［R］.重庆:招商局重庆交通科研设计院有限公司，2011

［5］郗锋.LED照明灯具在公路隧道中的应用研究 ［J］.铁道建筑，2011，(5):131～133

［6］杨超，王志伟.LED在隧道照明工程中的应用研究［J］.照明工程学报，2011，22(2):60～66

［7］朱旭，张震，刘木清.青岛胶州湾隧道照明应用的研究与实践 ［J］.照明工程学报，2010，21(S):57～60

［8］刘磊实，林卫，王鹏展.LED光源在城市隧道照明中的应用与分析 ［J］.照明工程学报，2010，21(3):50～55

［9］交通部重庆公路科学研究所.JTJ 026.1—1999公路隧道通风照明设计规范 ［S］.北京:人民交通出版社，2000

［10］王亚琼，谢永利，赖金星.隧道钠灯与 LED灯组合照明试验研究与应用［J］.地下空间与工程学报，2009，5(3):505～509，524

［11］高飞，郑炳松.照明与CO2的减排 ［J］.照明工程学报，2011，22(3):100～103

［12］郭起宏，高京泉，贺孝田.LED道路照明若干技术瓶颈问题探讨［J］.照明工程学报，2010，21(1):64～68