LED照明工程在高速公路隧道中的应用——上海、北京、南京三地考察记

张青文，翁 季，胡英奎，杨春宇

(重庆大学建筑城规学院，重庆400045)

0 引言

为落实执行国家自然科学基金和重庆市科委资助的科研项目，2010年，我们随重庆高速公路发展有限公司和重庆交通科研设计研究院，分别对上海-南京-北京所在的上海长江隧道、南京模范路隧道和北京德胜门隧道的LED照明工程应用情况进行考察调研工作，并对部分照明指标进行了现场检测。在对隧道进行实地考察的同时，又分别与各工程施工方、业主和照明产品制造商以座谈的方式，对LED照明系统在隧道照明设计、应用中的相关技术、管理及营运措施、供电系统、安装方式、调光控制、照明效果、经济性、节能指标及安全状况进行了咨询和交流，获得了宝贵的相关信息，同时，也发现一些存在的问题。现将考察调研情况及感悟和思索整理成文，以供参考。

1 上海长江隧道考察情况

1.1 工程建设概况

上海市长江隧桥工程为国家重点工程，具有重要的交通、经济和社会意义。该工程中的长江隧道起于上海浦东新区五号沟，穿越南港水域至长兴岛西南方登陆，全长8.95 km，其中穿越水域部分7.5 km。

长江隧道按双向六车道高速公路标准设计，设计车速为80 km/h，车道净宽为12.5 m，通行净高为5.2 m。汽车荷载为公路一级，路面采用阻燃改性沥青混合料，抗震设防烈度为7级，隧道结构设计使用年限100年，工程于2004年12月28日正式启动，2009年10月31日正式通车，整个工程建设历经5年。

1.2 照明工程概况

隧道内共安装有5 886套采用欧斯朗Golden DRAGON Plus LED作光源的隧道灯，其中的Golden DRAGON Plus LED光源超过41多万个，是目前全球最长的采用LED作为照明光源的隧道。照明采用双侧对称照明方式，基本段采用条形LED灯具，光源色温约为5 800 K，灯具采用双侧对称布置，单侧灯具间距为5.6 m，每盏灯功率为95 W。亮度设计标准值为4.5 cd/m2。入口加强段采用400 W高压钠灯，南洞布置间距为1.1 m，北洞布置间距为0.8 m。营运中可按8段进行控制，照明强度可进行调光控制，一般使用状况为70%调光。隧道两侧3 m高护墙采用塑钢板，属混合型反射材料，有一定强度的定向反射。

1.3 实地考察

在建设指挥部的陪同下，我们对下行方向的隧道进行了实地考察，并对其单车车道路面照度、距路面1.5 m处的垂直面照度(车行方向)和墙面反光系数进行了实测(见图1)。实测区域分别为进口段、中间段和出口段，照明强度由调光控制为100%，考察中，身临其境地感受到了LED在隧道中的照明效果，并获得了良好的印象。

图1 长江隧道实景及照明指标检测

1.4 照明状况分析

1.4.1 照明实测结果

该隧道的原设计亮度为4.5 cd/m2。通过对隧道中间段3个分区的路面水平照度测试可知，平均照度为158.9 lx，平均亮度为8.59 cd/m2，高于原设计亮度的90.9%，均匀度为0.6以上，照明质量良好。

1.4.2 基本段现LED照明与原T5管照明方案的对比分析

长江隧道原方案中的基本照明部分拟选用2×28 W T5管荧光灯。安装间距为1.9 m，左右两排灯具对称布置，数量总计17 054套。后改为采用80 W LED隧道灯，安装间距为5.6 m，左右两侧对称布设，总数量为5 788套。

在满足隧道照明设计标准的前提下，通过对两种方案的比较可知，虽然LED照明方案比荧光灯照明方案节能49.7%，但两个方案的功率密度均高于设计标准，未满足节能要求，这是由于在进行设计时，对光源设计参数的取值过于保守，造成能量浪费的现象。

1.4.3 调光控制系统

长江隧道设置了LED照明的统一调光系统，基本段可实现每盏灯的亮度调节。

该系统由两级网络进行控制。整个系统共有16台调光控制器，相互间采用光纤环冗余以太网互联，调光控制器提供4路485总线，分别连接于区相应区段的照明灯具，具有整条隧道LED照明器的调光和巡检功能。总线设备的通讯采用主从协议的方式。调光控制系统预留接口与综合监控系统连接，并受控于综合监控系统。

调光系统主要有手动控制、时空模式和降级控制三种功能，其功能可实现校准、巡检和故障处理等。调光以改变电流的方式实现9级亮度变化，即20%，30% ，40% ，50% ，60% ，70% ，80% ，90% 和 100% 。

1.4.4 主观印象

LED照明为长江隧道营造出良好的光照环境，洞内视觉清晰，可见度高。将此次的检测结果与刚竣工时的检测结果相比较，相差很小，即投入使用后的近半年时间，光衰几乎为零。对称安装的条形LED灯具形成延续的光带，具有良好的诱导性。

2 南京模范路隧道考察情况

2.1 工程建设概况

模范路隧道属南京市内环北线2期工程。该线按城市快速路标准建设。工程起点位于玄武湖隧道西出口，经地平交织段后，在青石村附近的金川河涵洞处开始下穿，以暗埋的方式下穿南瑞路、三牌楼大街、中山北路后在水佐岗西侧出地面，再经平交织段后以6车道高架桥在现有虎踞路高架桥下跨越虎踞路，并与城西干道高架桥相接，主线预留端口与规划中的玮三路过江隧道对接，该工程全长约3 000 m。

其中的模范路隧道按城市快速路设计，总长1 445 m，暗埋段长1 100 m，敞开段长345 m。隧道采用双向6车道，地面双向4～8车道。设计车速为60 km/h。隧道竣工时间为2008年10月27日。

2.2 照明工程概况

模范路的LED照明技术研究被列为2008年度南京市建设行业科研项目，其参研单位分别为南京市城建项目建设管理有限公司、南京市路灯管理处、上海隧道设计院及南京汉德森科技股份公司。

模范路隧道照明采用LED隧道灯，该灯由色温为6 500 K的6×10颗LED光源组成。灯具呈方形结构。照明采用双侧对称布置的顺光照明方式，基本段全部采用60 W LED隧道灯，单侧间距为5 m，照明设计亮度为2.5 cd/m2。入口加强段采用高压钠灯。

图2 模范路隧道实景及照度检测工作照

2.3 实地考察

实地考察中，我们在模范路隧道的中间段路面选择了两小段区域进行了照度和亮度实测，获得了这两个区域的路面平均照度、亮度、照度均匀度和距地面1.5 m处(沿车行方向)的垂直面照度等，并对该隧道的照明状况做出了评价。图2为隧道实景及照度检测工作照。

在与该隧道建设单位的有关领导和工程技术人员的交流中，获知隧道管理单位准备挂表测量用电量，以此与采用传统照明方式的南京玄武湖隧道的用电情况进行比较，由此获得相应的节电指标，将为LED照明在隧道中的节能水平提供量化依据。

2.4 照明状况分析

2.4.1 照明实测结果

实测结果表明，中间段两个区域的平均亮度为2.94 cd/m2，满足于原亮度设计标准2.5 cd/m2，且高于原亮度设计标准的17%。路面平均照度为54.4 lx/m2，照度均匀度为0.6，满足并高于隧道照明设计标准要求。

2.4.2 隧道LED基本照明方案与原荧光灯T8管设计方案的对比分析

原T8荧光灯照明方案拟采用2×36 W T8荧光灯双侧对称布置，间距为3.3 m。通过与现LED照明方案比较可知，在亮度满足规范要求的条件下，综合多种因素比较分析，LED照明方案比荧光灯照明方案节能约40%。

2.4.3 调光控制系统

模范路隧道调光系统可对所有LED灯进行逐点控制。控制系统共设为3档，即

晴天模式(＞20 000 lx);

阴天模式(430 lx～20 000 lx);

夜间模式(＜430 lx)。

在相同模式下，考虑到每套灯具的安装位置和所需光通量的不同，将相应位置的灯具分为25%，30%，50%，60%，70%，100%光通输出，既保证了使用要求，又节约了电能。表1为该隧道调光控制分布情况。

表1 南京模范路隧道调光控制分布

2.4.4 主观印象

隧道内视觉清晰，可见度高，光环境较好。该隧道竣工至今近半年，LED照明现场检测结果与刚竣工时的检测结果相比较，相差很小，这说明暂无光衰现象。但由于安装方式采用顺光照明，驾驶过程中看不到光源，导致诱导性较差。虽然洞壁两侧设计了两条彩色光带以提高诱导性，但安装在塑钢板上的光带产生较强的反射亮线，易造成不舒适眩光。

3 北京京包高速公路(六环路—德胜口段)隧道考察情况

3.1 工程建设概况

德胜口隧道位于北京市昌平区内的虎屿山，为双曲、偏压、大跨度、小径距双线6车道高速公路隧道，道路净宽12 m，为双洞单向行驶隧道。该隧道进京线长2 980 m，出京线长2 996 m，是北京市区域内铁路与公路隧道中最长的一座隧道。该隧道于2006年4月开工以来，克服了地形复杂、围岩破碎、跨度大等工程技术难点，于2009年9月6日实现了隧道双线左右洞全线贯通。

3.2 德胜口隧道照明工程概况

隧道各分段照明分别按国家标准设计。洞内设计车速为80 km/h。洞内照明均采用高效节能的LED隧道照明灯。隧道入口段、过渡段和出口段分别设置了加强照明，并采用了70 W，160 W，120 W三种不同功率的LED隧道灯混合照明，两侧交错布置，安装高度为5.2 m。

基本照明段采用了70 W LED隧道灯实现照明。灯具安装方式为两侧交错布置，间距9 m，安装高度为5.2 m，该照明形式既作为白天基本照明，又作为隧道夜间照明。LED光源色温均为4 500 K～5 000 K。整个隧道共采用灯具2 062套(包括隧道洞外两侧安装的高压钠灯和部分白织灯)。

隧道全线还设置了应急照明，即以基本照明灯中选择行车方向右侧灯具的1/2作为应急照明光源，灯具间距为基本照明灯具的2倍，能保证24 h不熄灯，设计亮度大于基本照明的1/10。

3.3 照明状况分析

3.3.1 照明实测结果

选择隧道中间段2个不同小区段进行照明检测，获知其平均照度、亮度分别为70.1 lx和3.79 cd/m2，平均亮度和均匀度满足设计标准，且亮度指标超过原设计标准的5.3%。

3.3.2 隧道现LED照明方案与高压钠灯设计方案的对比分析

由于未有原设计方案，两者的比较可按LED照明方案的维持亮度标准进行推理，其照明器总耗能可考虑为光源功率的1.2倍。

在针对该隧道特点的基础上，拟定出高压钠灯照明方案，分别对入口段、过渡段1，2和基本照明段采用不同的比较基准，考虑灯具节能效果的不同，仅进行节电率分析，可知在等亮度标准下，LED照明方案的节电率高于高压钠灯照明方案。

3.3.3 主观印象

隧道内视觉清晰，可见度较高。可感觉到良好的光照环境。延续伸展的LED灯具排列有序，形成明亮的光带，具有良好的诱导性。眩光不明显。地面为混凝土敷设，反射系数高于沥青路面。除出、入口段的护墙采用定向反射较强的瓷砖外，过渡段及中间段的墙面均为混凝土本色，反射系数极低，仅有0.27左右。

4 小结

考察活动历经4天，感受颇多，现归纳于下。

事实证明，结构合理的LED隧道灯配合科学的整体照明方案能够实现高于高压钠灯和长管形荧光灯的有效发光效率。

LED灯的无级调光性能是其最大的优势与亮点之一，结合智能化照明控制系统，在运营负荷量小的时候降低照明系统的功率，既能保证照明质量，又可达到节能效果。

此次被考察隧道所选用的LED隧道灯的芯片均采用了国际一流知名品牌，且成熟的功率型产品，可保证功率型LED工作的稳定性、可靠性和高效性。三个隧道的LED光源使用寿命已接近半年，还未出现明显的光衰现象。照明器故障率较低，其故障多为线缆接触不良。

隧道内的环境可避免阳光对照明器的暴晒，从而有效降低热辐射的影响，充分利用隧道内的通风条件，可有效提高LED灯的散热效果。

与气体放电光源相比较(如高压钠灯和荧光灯)，LED照明营造的隧道光环境，具有更好的清晰度和可见度。

被考察隧道中选用的LED光源色温均在6 000 K左右，这种色温的光源是否能提高人的视觉功效或对人体产生何种非视觉效应，则缺乏相应的科学依据。

被考察隧道中间段的路面平均照度、亮度过高，即使将照明水平控制调光在70%时，也超过了国家标准，应充分利用LED灯的无级调光性能，使照明水平与国家标准保持一致，但北京德胜口隧道未设置LED调光装置，这显然不利于节能减排。

节能不是一句空话，应用事实予以说明。应在满足相同照明水平的条件下与传统的高压钠灯照明方式进行比较，从而获得量化的LED节能指标。如南京模范路隧道准备进行挂表测取用电量，并将其比对于采用高压钠灯照明的玄武湖隧道，由此掌握LED的节能水平。

被考察的隧道管理单位无统一的LED隧道照明管理模式及运营机制，多采用传统的隧道照明管理模式。

应针对LED灯的特点，制定出科学规范的隧道照明设计标准，从而防止盲目设计所带来的弊端。

考察中发现，各工程项目选用的LED隧道灯产品及附属配件，均无统一的产品标准，这无疑将制约产品质量的提高，给产品的开发、使用和维护带来一系列的问题。

总之，LED在隧道照明中的应用是一个新的领域，从理论上分析，LED照明应用于隧道照明不存在大的技术瓶颈，从这次考察结果中也可以看出，此项技术带来的成果和效应是可喜的。但目前，大功率LED照明还存在不少问题，如何解决产品散热和光衰严重的问题，建立标准规范的LED隧道照明设计、管理及运营体系，实现LED照明产品的标准化，则是有待于解决的难题，任重而道远，相信通过业界人士的不断努力，LED在隧道照明中的应用一定会获得实质性的成功。