城市道路隧道工程光源的应用

邹仪

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

0 前言

随着城市交通的发展，隧道已经显现出越来越重要的作用，以上海市为例，目前已建成延安东路隧道、打浦路隧道、翔殷路隧道、上中路隧道、军工路隧道、人民路隧道、新建路隧道及龙耀路隧道等九条隧道，到2020年黄浦江上越江设施的总规模将达到99个车道。按以上数据保守估计，这些隧道的年照明总量约8 500万kW左右，如果按1 kW·h平均0.7元计算，则一年的照明费用约6 000万元。

隧道照明照度、舒适度及安全性要求均高于室外道路，与之相伴的是用电能耗的增加，是城市道路中投资运营较大的一种道路形式。因此使用最有效的照明光源是照明节能的重要途径之一，对隧道照明光源的分析是非常必要的。作为一个成熟的设计师，应根据项目的规模、资金及运营对方案进行论证，是保证隧道长期有效运行的关键。

1 隧道照明的特点

隧道照明不同于普通室外道路照明,有其独特性，除了要确保隧道中的行车安全、最大程度地降低事故发生率，还需同时满足人体视觉的舒适性。其主要特点有以下几点。

1.1 隧道照明要求安全性高

隧道结构封闭，车流量大，由于机动车排出的尾气集聚在隧道里而形成烟雾，隧道照明灯光被烟雾吸收和散射形成光幕，降低了隧道内部的能见度，一旦出现火灾和交通事故，救援和疏通有难度。色温、显色性、启动时间及频闪等技术指标是光源的安全性及舒适性的重要体现。

1.2 日常维护成本高

封闭空间要求照明灯具24 h亮灯，洞口照明用电量大，选用长寿命高效的照明光源，是保证隧道长期有效运行的关键。

1.3 光源布置的特殊性。

由于室外明亮的环境与较隧道内的暗环境的巨大反差会使人体视觉产生“适应的滞后现象”，造成在驾驶员隧道进口的”黑洞效应”及出口的”白洞效应”，在隧道洞口和中间段科学布置光源是消除驾驶安全隐患的关键。

2 城市隧道电光源的选用

选用电光源首先要满足照明设施的使用要求（照度、显色性、色温、启动、再启动时间等），其次按环境条件选用，最后综合考虑初始投资与年运行费用。目前城市隧道传统光源以荧光灯、高压钠灯及金卤灯为主，荧光灯舒适性诱导性高，高压钠灯及金卤灯光效高。近年来，LED光源的研究发展迅猛，其超长寿命和节能环保的优势显著，是光源发展的方向。城市隧道照明电光源性能比较见表1所列。

3 城市隧道照明设计的案例分析

本文结合广东“佛山海八路隧道工程设计方案”，以目前在城市隧道较常用的传统光源—金属卤化物灯和荧光灯，以及新型光源—LED大功率白光灯在隧道加强照明、中间段不同组合，探讨隧道光源合理的设计方案。

该隧道道路为城市主干道，设计时速80 km/h，洞口亮度取值为3 750 cd/m2，双向8车道，中间段由8车道渐变为10车道，全长1 155 m，加强照明段路宽16.85 m，中间段路宽20.35 m，路面为沥青，灯具安装高度为6.0 m。隧道内设变电所一座，二路10 kV（一用一备）供电，双线隧道共设照明配电柜4台，除应急照明灯具外，所有照明灯具的电源均引自照明配电柜。灯具维护系数为0.7。单线隧道采用双侧对称布置灯具的方式，隧道照明配电电缆采用电缆桥架沿隧道顶部吊装敷设。依据《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999），长度大于1 000 m的隧道应设置应急照明系统，并保证照明中断时间不超过0.3 s，维持时间不短于3 min。该隧道应急照明灯具由常用照明灯具兼用，在隧道变电所内设EPS作为应急电源。

表1 隧道常用照明电光源性能比较表

4 隧道照明设计方案

通过照度计算,隧道布灯参数见表2所列。

光源设计采用三种方案进行对比,方案1加强照明灯具光源选用金卤灯，中间段照明灯具光源选用荧光灯；方案2加强照明灯具及中间段照明灯具光源均选用LED；方案3加强照明灯具光源选用金卤灯，中间段照明灯具光源选用LED（见表3～5）。

表2 隧道隧道布灯参数表

表3 方案1：金卤灯及荧光灯方案一览表

表4 方案2：全LED灯方案一览表

表5 方案3：金卤灯及LED灯方案一览表

5 方案比较的结果

方案排序结果见表6所列。

表6 方案比较表

从比较结果可以看出，传统光源方案(方案1)已不具备优势，方案2及方案3各有千秋。此外方案2、3较方案1在供配电设备投资减少，供电变压器的容量减少，照明配电开关电流规格降低，EPS的容量也相应减少。

方案3性价比最高，兼顾投资及维护成本，是目前较常选用的方案。方案2在社会效应上最具优势，符合节能减排的国策，受到政府的大力扶持。

通过上述方案比较可知，设计师在项目建设前期应与业主多沟通，通过设计方案比选，协助业主确定最适合的方案,避免后期施工图设计的返工。此项目最终选择方案2。

6 城市隧道工程采用LED光源的优势

LED作为新型光源，具有超长寿命，低功耗、发光效率高、启动时间短、显色指数高、绿色环保等诸多优点。

6.1 长寿命

LED（发光二极管）是一种固态的半导体器件，其发光原理有别于传统光源，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子,它们之间就形成一个P-N结。在P-N结的P型的一端加上正向电压，空穴就会流向N型一端,同时电子就会流向P型一端，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量。因此它内部无灯丝，无玻璃泡、不怕震动、不易破碎，从而避免了常规光源由于灯丝玻璃泡损坏而造成光源报废的难题，大大延长了光源的使用寿命。

传统照明光源需要频繁更换光源，LED光源则能做到长期的免维护。以光源寿命50 000 h计算，一盏LED灯在隧道可以使用5a以上。大大降低运营成本。

6.2 综合效率高

传统光源灯具由于反射器对光线的吸收作用，以及光线反射时受到自身光源的遮挡或反射器对光源的再吸收，致使灯具效率一般在70%左右。而LED光源是半空间定向发光，大功率LED的后工艺可根据需要封装成60°～180°的出光角，而光通量几乎不变。灯具效率可以达到90%。

6.3 白光LED显色性高,色温适中

发光二极管的颜色与半导体材料及其加工工艺有密切关系。在P型和N型材料中掺入不同的杂质，就可以得到不同颜色的发光二极管。显色指数、色温均可变，完全可以根据照明需要选择。GB/T24907-2010中道路照明用LED灯性能要求规定，道路照明用LED灯显色指数初始额定值为70，实测不得低于此值。而GB/T24823-2009中普通照明用LED模块性能要求则规定,一般显色指数为80。

6.4 LED灯可瞬时启动

众所周知，高强度气体放电灯（HID灯）从启动到达到正常的亮度需10 min以上，再启动的时间更长。LED因半导体特性可瞬时启动，响应快、频繁启动或关断。

6.5 LED灯可调光

高强度气体放电灯是以牺牲使用寿命来实现调光功能，而LED灯无此顾虑，LED作为数字化可调光源，可快速控制响应，实现0～100%光输出无级电子调光。

6.6 LED灯绿色环保

LED为半导体芯片发光，因此无灯丝、无玻璃泡、不怕震动、不易破碎、不含铅、汞等污染元素，利于回收，对环境没有任何污染。

光线无紫外线（UV）和红外线（IR），对人体无伤害、无辐射。

7 LED灯目前存在的主要问题

LED节能灯光效仍然不高，CREE公司实验室最高光效已达260 lm/W，而市面上的单颗大功率LED也已经突破100 lm/W，制成的LED灯，由于电源效率损耗，灯罩的光通损耗，实际光效在60～70 lm/W。作为新一代的光源，LED节能灯光效如果能达到120 lm/W，到那时才是LED灯具的春天。

一个好的LED节能灯，应该由四部分组成：优质的LED芯片，恒流隔离电源，相对灯具功率的合适的散热器，光扩散效果柔和不见点光源的灯罩。这需要在灯具二次配光设计、散热器的结构设计和电源设计等方面进一步的发展。

LED灯价格过高，LED单体价格，散热器，高效恒流电源，高透光率柔和灯罩，四者成本集体推高LED成本。

8 结语

通过实际案例及对LED光源分析，可以得出这样的结论：LED作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。根据近日公布的一份“上海市‘十二五’半导体照明产业发展规划（审定稿）”，按照我国六部委联合发文“十二五”期间，LED功能性照明市场占有率须达到20%。按此推算上海目前40万盏路灯中的20%，约8万盏改造成LED路灯。而隧道内LED的使用环境更优于室外道路，在降低能耗与运行成本上更具优势，值得优先推广。

[1]JTJ026.1-1999，公路隧道通风照明设计规范 [S].

[2]GB/T24907-2010，道路照明用LED灯性能要求 [S].

[3]GB/T24823-2009，普通照明用LED模块性能要求 [S].

[4]俞丽华.电气照明[M].