钱塘江隧道中间段LED照明系统评估研究

刘 颖 张兴军 苏卫平 汪 涛 李 青龙天光 周小丽 刘木清

(1.复旦大学光源与照明工程系，上海 200433;2.复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433;3.上海宝信软件股份有限公司，上海 201900;4.上海隧道工程股份有限公司，上海 200082;5.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

随着公路交通的发展，隧道取得了长足的进步。隧道照明是隧道在使用过程中非常重要的一部分。隧道照明从最开始使用的白炽灯、荧光灯、到高压汞灯、低压钠灯、高压钠灯、无极灯等［1］到现在的LED灯，无不围绕着灯具的发展而发展。灯具直接决定着隧道照明的好坏。由于隧道在白天也需要照明的特殊性，使用节能的长寿命的灯具成为隧道照明的首选。因此具有高光效、长寿命特性的LED灯具现在已经成为新建隧道照明中考虑采用的主要对象。上海长江隧道、青岛胶州湾隧道等已经通过实验验证了LED作为隧道照明的可行性［2，3］。但是现有的LED隧道灯的性能也有差异，因此要通过对不同的LED灯具进行现场试挂并比较才能找到适用于实际工程的LED灯具。

1 钱江隧道工程概况

钱江通道及接线工程，全长43.981km，其中钱江隧道工程范围长度4800米，隧道全长4450米(桩号K11+400～K15+850)，江中盾构段长3251米，位于著名的观潮胜地——海宁盐官镇上游约2.5km，北岸位于嘉兴市辖区，南岸位于杭州市辖区。隧道外径15.0m，隧道内径13.7m，管片厚度65cm，环宽2.0m，环向分块采用9+1，采用通用楔形环方式，错缝拼装，斜螺栓连接。隧道公路等级为高速公路，双向六车道。车道宽度为2×(3.75+3.75+3.5)米，隧道设计车速为80km/h，公路路面为沥青混凝土路面。隧道的断面图如图1所示。由于过江隧道直径大、里程长、技术难度大，且地质条件复杂，因此钱江隧道是钱江通道及接线工程项目的控制性工程、关键工程。钱江隧道的建成将沟通钱塘江南北两岸，对加强钱塘江南北两岸各重要城市的相互联系和经济往来具有十分重要的意义。

图1 钱江隧道断面图Fig.1 Cross-sectional view of Qiantang river tunnel

本项目拟在钱江隧道中采用高效节能的LED隧道灯作为主要照明设施，最终实现比原荧光灯照明方案节能30%～40%，降低照明系统维护成本，减少环境及光污染，建立一个优质高效、经济舒适和安全可靠的隧道光环境。

2 照明评估方式

国内外对道路照明已经有一些详细的标准文件［4－8］。在试挂阶段，钱江隧道还在建设中，沥青混凝土路面还没有建设完成。由于亮度测试对环境的依耐性比较强，所以在实际评估过程中采用照度来衡量各个型号的灯具的实际照明情况。

在进行现场试挂前，各个厂家将相应的灯具送到国家电光源质量监督检验中心和复旦大学电光源研究所进行检测。检测项目包括功率、光通量、色温等光电参数。通过对相应参数进行比较后，选取较好的四款灯具对LED进行现场试挂。为了能够公平客观的评价各个厂商的灯具。预设灯具实际应用情况下的安装的间距和安装高度。试挂阶段主要考察灯具的光衰，平均照度、均匀度、耗能情况等，旨在从节能和照明效果两个方面客观的评价四款产品。

我们将四款灯具的进行光学参数测量，得到四款灯具的配光曲线如图2所示。在现场装灯测量之前，我们先在DIALux中对四款灯具进行仿真计算。当设定其维护系数为0.65时，四款灯具安装高度5.2m，灯具间距5.6m时均能达到较高的照度和均匀度。仿真结果中各项参数均能够满足隧道照明最初的设计标准。将四款灯具均按照同一方式安装在钱江隧道试挂段，可以保证在实际的评估过程中四款灯具均能在同一环境变量下进行评估。即相同的实验环境下比较四款灯具的各项参数，来获得最好的灯具。因此，我们按照上述方式将四种灯具沿车行方向按照ABCD的顺序依次排列，每种型号的灯具分别分配约50m的距离作为各自的试挂段。在试挂段内的灯具安装高度5.2m，灯具间距5.6m。采用双侧对称布灯方式，因此每种灯具各有18盏。图3为试验段内布灯示意图。

根据实际的路面和墙面情况，选择靠近试验段中部且墙面和路面条件优良的区域作为测试段，如图3所示。将车道两侧相邻灯具之间的区域选取为测试段。在测试段中，分别选在三个车道的中线和边线上以0.7米为间距布置测试点。灯具安装完成并点亮，待灯具光输出稳定后将第一次测量的照度值作为初始照度值。以后每隔一周在相同的时间段内对相应测试点处的照度进行测量并记录。

图2 四款灯具的配光曲线Fig.2 Light distribution curve of the four lamps

图3 灯具排列示意图Fig.3 Lamps arranged schematic diagram

3 实验结果和讨论

3.1 照明水平及能耗

图4为四款灯具的标称功率、实测功率以及按照实测耗电量推断的但是灯具年耗电量。标称功率从小到大的分别为B、D、C、A。而实测的单灯功率从小到大依次为D、B、C、A。因此，D款灯具最省电，与A相比单只灯具D年省电量可达284.8度。从表1中也可看出，灯具D的单位照度功率密度是最小的。说明在四款灯具中，灯具D在满足平均照度的同时，其能量利用率是最高的。

表1 各厂家灯具的照明效果Table 1 Lighting effect of various lamp manufactures

图4 四款灯具功率分布及单灯年耗电量Fig.4 Power distribution of the four lamps and annual power consumption each lamp

3.2 光衰

在测量过程中，灯具受到撞击而产生歪斜，灯具A在2100小时左右的数据明显异常。在最终结果中，将异常值去掉再将曲线拟合后，可得到如图5所示的光衰曲线。从该曲线可以看出，在4308小时评估周期中，定时测量并记录路面测试网格的照度值。分析发现B灯具的照度衰减量最大，为4.6%;C灯具的照度衰减量最小，为1.9%。在测试的开始阶段，路面的照度为一个上升期，大概到3000小时左右路面照度开始出现明显下降的趋势。照度在初始阶段出现的上升是由灯具中所使用的LED光源的特性所决定的。在LED芯片中，两种竞争机制决定了LED光衰的进程。一种促使LED光输出升高，而另一种则促使其光输出下降［9～10］。不同的LED其这两竞争机制对LED光输出造成的影响不一样，而且受到电流、温度封装材料等因素的影响。在本实验周期中，现场的温度在2000小时左右开始从12℃上升。到3000小时的时候，环境温度大概在19℃左右;当测试结束时，环境温度约为22℃左右。因此可以看出在同样的环境中，四款灯具的两种竞争机制的温度分界点约为19℃，在此种温度环境下，两种竞争机制的时间分界点约为3000小时。

图5 四款灯具的光衰情况Fig.5 Light degradation of four lamps

3.3 方差分析 (ANOVA)

同一点的测量，有很多因素会影响测量结果，如系统误差、随机误差和过失误差。在测量照度的过程中，影响测量结果的因素包括:测试人员是否具有一致性、测试环境是否具有一致性、测试人员过失、测量仪器灵敏度、照度计探头放置位置等。因此，为了知道作为常规测试的照度计的测试值是否会随着时间变化。我们使用了两台照度计 (Ⅰ、Ⅱ)同时进行测试，其中照度计Ⅰ作为常规测试所用照度计，照度计Ⅱ作为对比照度计进行存放，只有在进行对比测试的时候才进行使用。在对比测试中，我们将四个测试段各个测试点分别用照度计Ⅰ和Ⅱ进行测量。再将对应点的数据用照度计Ⅱ的值减去照度计I的值后，得到的差值设为照度计Ⅰ与照度计Ⅱ的偏差。为了验证这种偏差是否会随着环境和光照的光谱的变化而变化。我们使用了方差分析 (ANOVA)方法来评价不同试验段的数据，得到结果如表2所示。

最后我们可以得到数据总体样本两次对比测试的F值分别为19.89和57.16，两值均远大于1说明，四个样本的测试结果是具有差异性的。实际照明环境、光源的光谱性质以及测试人员对光电探头测试值是有影响且不同测试段的影响应该分别考虑。从图6可以看到，对A、D灯具测试段的重复性要比B、C段的数据重复性要好。因为两次测试中两照度计的差值变化不大、稳定性好。

表2 ANOVA分析结果Table 2 ANOVA analysis results

图6 两次对比测试样本均值变化Fig.6 Test samples average variety of the two comparisons

4 实验结论

四个厂家的LED隧道灯具在平均照度、照度均匀度、耗能等方面均表现出不同的特性。从上文可以看到，在每单位照度的耗能最低的是灯具D，而现场的平均照度、总照度均匀度和纵向照度均匀度最好的灯具依次为A、B、D。图7是各项指标下各个灯具的性能排名。从表中可以看出，灯具D表现出了最好的节能特性，但其在路面平均照度和照度均匀度方面却表现较差。而灯具A具有最高的路面平均照度值，但其照度均匀度和节能情况却只是一般。所以在实际的应用中，要根据实际情况来根据各个指标进行取舍的同时，还要考虑各个灯具在各个灯具下的指标值的实际差异性。

图7 各项性能排名情况Fig.7 Ranking of the performance

［1］陈彦华.公路隧道照明灯具的现状与发展趋势.照明工程学报，2002，13(3):55～61.

［2］刘木清，李文宜，张万路，江磊，沈海平.LED在上海长江隧道工程中的应用.海峡两岸第十五届照明科技与营销研讨会，2008.

［3］朱旭，张震，刘木清.青岛胶州湾隧道照明应用的研究与实践.照明工程学报，2010，21(z1):57～60.

［4］JTJ026.1－1999.公路隧道通风照明设计规范.北京:人民交通出版社，1999.

［5］GB/T 5700－2008.照明测量方法.北京:中国标准出版社，2008.

［6］CIE 140 －2000.Road Lighting Calculations，AUSTRIA:COMMISSION INTERNATIONALE DE L'ECLAIRAGE，2000.

［7］CIE 31 －1976.Glare and uniformity in road lighting installations.AUSTRIA:COMMISSION INTERNATIONALE DE L'ECLAIRAGE，2000.

［8］ CIE 88－2004.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses.AUSTRIA:COMMISSION INTERNATIONALE DE L'ECLAIRAGE，2004.

［9］ Patric N.Grillot，Michael R.Krames，Hanmin Zhao，and Seng Hup Teoh.Sixty thousand hour light output reliability of AlGaInP light emitting diodes，Device and Materials Reliability.IEEE Transactions on，Dec.2006，vol.6，no.4，pp.564～574.

［10］ Norbert Linder，Arndt Jaeger，Raimund Oberschmid，Klaus Streubel.Identification of aging mechanisms in the optical and electrical characteristics of light-emitting diodes.Applied Physics Letters，2001，vol.79，no.18，pp.2895 ～2897.