LED 灯隧道照明节能技术研究与应用

邓祥明 黄忠财

（1.广西红都高速公路有限公司，广西 南宁 530028；2.长沙理工大学，湖南 长沙 410114）

1 工程概况

靖西至那坡高速公路(以下称“靖那路”) 是广西高速公路网布局中“横6”合浦(山口) ～那坡(省界) 高速公路的重要组成部分。本项目位于广西西南部，是云南通往广西沿海和广东、海南最便捷的公路通道，跨越桂南、桂西2 个经济区，连通三个沿海城市和4 个国家一类口岸。靖那路主线全长90.371km，全线采用双向四车道标准建设，设计速度100km/h，全线共20 座隧道，单洞全长30.97km，隧道占线路总长的17.27%，其中长度L≤500m 的11 座，500m＜L≤1000m 的4 座，1000m＜L≤2000 的3 座，2000m＜L≤3000 的1 座，L＞3000m 的1 座，全线最长的各固隧道左线长3745m，右线长3725m。靖那路隧道照明若采用传统的钠灯照明系统往往会造成巨大的电力消耗，特别是长大隧道，运营成本压力将非常大，若采用先进的LED 半导体照明系统，可极大地降低电力消耗，达到节能减排的目标，也有利于能源的可持续发展。

2 隧道照明初步设计方案

根据本项目隧道的具体情况和《公路隧道通风照明设计规范》 （JTJ026.1-99） 的相关要求，全线隧道均设置照明设施，照明设施的设置内容为：主洞照明、紧急停车带照明、横通道照明、洞外引道照明、避灾引导照明、应急照明。原设计隧道照明方式为“高压钠灯+LED 混合照明”式，即基本照明及应急照明采用60 瓦LED 灯，加强照明和洞口引道路灯光源采用高压钠灯，人行横洞照明采用无极灯，原设计灯具共16021 盏（其中LED 灯60 瓦6404 盏，高压钠灯400 瓦5180 盏、250 瓦2495 盏、150瓦1298 盏、100 瓦412 盏，无极灯120 瓦149 盏、60 瓦83 盏），灯具总瓦数3338750 瓦。照明设计标准是100km/h 和80km/h 来控制，主线照明入口段亮度设计参数分别为141.56cd/m2和134.5cd/m2， 计算行车速度亮度为134.5cd/m2，其他过渡段、中间段和出口段根据隧道长度等相关因素进行设计。

3 高压钠灯与LED 灯对比

3.1 LED 灯的优缺点

1） 优点：LED 灯无频闪、无辐射，是典型的绿色照明，更是护眼新光源。LED 不靠钨丝发光，而是以特殊半导体PN 材质制成。通过电子运动而发光。其光谱中没有紫外线和红外线，因而不会有闪频和辐射，对眼睛起到保护作用。其主要优点集中在以下几点：

①发光效率高。LED 灯有电压低、电流小、亮度高的特性。一个10～12W 的LED 光源发出的光能与一个35～150W的白炽灯发出的光能相当。同样照明效果LED 比传统光源节能80%～90%，是白炽灯的4 到8 倍；②耗电量极小。在同样亮度下，耗电量仅为普通白炽灯的1/8 到1/10；③寿命长。LED 利用固态半导体芯片将电能转化为光能，外加环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击，LED 单管寿命10 万h，光源寿命在2 万h 以上，按每天工作12h 寿命；④可靠耐用，便于长途运输。由于体内无钨丝以及玻璃壳等易损部件，基本不受运输影响，正常报废率很小，维护费用极低；⑤起动响应快、无黑头、免除频换灯管之烦。LED 起动响应极快，因而电流对其冲击甚微。而普通白炽灯或节能管受起动电流的作用，灯头很易发黑而需更换；⑥由于LED 管是由十多只或几十只组成，即使个别损坏了也不会对正常照明产生太大影响，不像高压钠灯损坏时全灯熄灭，因此LED 灯的可靠性比高压钠灯的可靠性提高了许多倍；⑦光源中不添加汞，有利于环境保护。

2） 缺点：LED 灯缺点在于发光效率随光源功率的增加而迅速衰减；大功率光源难以制造；初始安装成本投入比高压钠灯高很多；产品质量参差不齐；散热性能不够好，而散热直接影响LED 的寿命，和光衰提前；维护成本较高。

3.2 高压钠灯

1） 优点：目前发光效率最高的照明光源，平均发光效率一般可达98lm/W，且高功率光源的发光效率更高，寿命较长，技术成熟，价格低，初始安装成本投入低；

2） 缺点：显色性较差，但其发出的黄色光对于烟雾的穿透力最强，对恶劣气候的适应性好。

3.3 LED 隧道灯与高压钠灯对比

1） LED 作为点光源，很大程度上可以直接解决传统球状光源必须靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题；2） 对光照射面的均匀度可控，理论上可以做到在目标区域内完全均匀，这也能避免传统光源“灯下亮”现象中的光浪费；3） 色温可选，这样在不同场合应用中，也是提高效率、降低成本的一个重要途径。LED 作为一种发光器件，既可以通过流过电流的变化控制亮度，也可通过不同波长LED 的配置实现色彩的变化与调节。这使得隧道在不同的环境下进行照明模式的转化变得非常容易；4） 更节能。目前白光LED 的发光效率约为80Lm/W，较传统高压钠灯可以节电50%～60%，随着LED 效率的快速提升，LED 隧道灯在节能方面显示出了巨大的潜力；5） 低维护成本。以目前的技术水平和测试结果推算，大功率LED 光源可以正常使用5 年—10 年不用更换，而传统高压钠灯平均2 年左右就要更换一次，使用LED 光源可以大大降低维护成本；6）显色性更佳。LED 的显色指数高（显色指数一般为75～80），路面看起来更明亮，感觉更舒适，驾驶人员也感觉更安全。而高压钠灯光谱窄，显色性差（显色指数一般为20～40），感觉昏暗。

100W 的LED 灯输出光通量大约只有6250Lm，到达路面时仍为6000Lm 左右，而路面的平均照度可以达到16Lx（12m 高杆）。200W 高压钠灯的输出光通量为16000Lm，但到达路面的就只有6000Lm，路面的照度大约为30～40Lx，由于显色系数的差别，LED 的照度修正系数为2.35 倍，高压钠灯的修正系数为0.94 倍。所以100W 的LED 经过修正以后，地面的照度为37.6Lx，而200W 高压钠灯的修正后照度为28.2～37.6Lx，二者相当。所以100W 的LED 可以取代约200W 的高压钠灯，从实际的发光效果来看，LED 灯比高压钠灯好得多。

4 项目优化后隧道照明方案

为了在确保行车安全的前提下，最大限度的降低运营期的隧道照明成本，达到节能环保目的，靖那路全线隧道照明方式由原设计“高压钠灯+LED 灯混合照明方式”，变更为“1 公里以下隧道全部采用LED 灯照明方式”：即入口段加强照明采用200W 和130W 的LED 灯，基本照明和应急照明采用60W 的LED 灯，人行明洞照明采用60W 无极灯，车行横洞、紧急停车带照明采用120W 无极灯，洞口引道路灯光200W 的LED 灯；1 公里以上隧道采用高压钠灯+LED 灯混合照明方式：即隧道进口加强照明采用400W 和200W 的高压钠灯，过渡段加强照明采用200W 和130W 的LED 灯，基本段、出口段基本照明和应急照明采用60W 的LED 灯；设计照明时速标准统一调整为80km/h。

由于高压钠灯功率因数较低，所以设计要求选用带补偿电容器的灯具，经补偿后，其功率因数应达0.9 以上。由于隧道环境污染严重，维护系数取0.7。

照明组合方式：本着节约电能的设计理念，1 公里以上隧道（隧道监控系统设有现场PLC） 照明调光按晴天、云天、阴天、重阴天、夜间、下半夜分为六档，做到六级控制(应急照明在此控制方式中归属为基本照明的一部分)：

晴天：基本灯全开，加强灯全开，紧急灯全开，洞外路灯关闭；

云天：基本灯全开，加强灯开1/2，紧急灯全开，洞外路灯关闭；

阴天：基本灯全开，加强灯开1/4，紧急灯全开，洞外路灯关闭；

重阴天：基本灯开1/2，加强灯开1/4，紧急灯全开，洞外路灯开启；

夜间：基本灯全开，加强灯全关，洞外路灯开启；

下半夜：基本灯只开一部分，加强灯全关，洞外路灯开启。

1 公里以下隧道采用无极调光模式。

5 方案优化前后效果对比

优化后隧道照明灯具共14056 盏，其中高压钠灯400 瓦492 盏、250 瓦484 盏，LED 灯200 瓦1999 盏、130 瓦506盏、60 瓦10437 盏，无极灯60 瓦83 盏、120 瓦55 盏，灯具总瓦数1421180 瓦。灯具总数比原设计少1965 盏，减少12.27%，总瓦数比原设计少1917570 瓦，减少57.43%。原设计本项目隧道照明系统计入供配电设施的综合建设费总造价为7105 万元，优化后隧道照明系统综合建设费总造价为7609 万元，总造价增加504 万元。根据2012 年天气统计情况雨天有108 天、阴天有105 天、晴天有152 天计算，原设计全线隧道照明一年用电量约为10245069 度，按商业用电0.95 元/度计算，一年用电费用约973 万元；优化后全线隧道照明一年用电量约为6435030 度，按商业用电0.95 元/度计算，一年用电费用约611 万元，优化后一年照明电费比优化前减少约362 万元。另在维护成本方面LED 灯维护成本也比高压钠灯低很多，据资料统计从第二年开始LED 灯每年维护费仅约为灯具初装费用的1%，而高压钠灯每年维护费用约为灯具初装费用的25%。因此，LED 灯在功耗和寿命上的优势，极大地降低运营期间的耗电费用和维护费用，与优化后系统每年直接节省用电费用362 万元相比，本项目建设期隧道照明综合建设费用一次性投入增加504 万元是非常值得的。根据专家统计每节约1 度（千瓦时） 电，就相应节约了0.4 千克标准煤,同时减少污染排放0.272 千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳、0.03 千克二氧化硫、0.015 千克氮氧化物。据此，此靖那路隧道照明系统优化后一年可减少用电量约381 万kw/h，相当于减少燃煤1524 吨，减少CO2 排放量3798 吨，减少SO2 排放量114 吨，带来较大的经济效益同时，获得同样巨大的社会效益。

6 结语

在实际使用过程中，隧道照明控制系统还应与隧道通风系统、火灾报警系统以及环境监测系统互联，综合考虑，以达到最佳的控制效果。目前LED 节能照明技术在广西高速公路隧道照明的应用还较少，而在建高速公路项目和往后修建的高速公路项目隧道所占比重会越来越大，LED 隧道照明控制系统以其良好的控制性能和有效节能降耗策略，并随着LED 节能照明技术不断地改善和提高，以及合理取值和精细设计，必将在广西高速公路隧道照明系统得到广泛应用，大大降低高速公路运营单位隧道照明运营成本，LED 节能照明技术在隧道照明方面的应用前景将一片光明。