LED隧道灯照明光效分析及养护决策研究＊

田鑫新

(甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730000)

近年来，LED灯具以其特有亮度的可控性高、显色性好、电光转换效率高、环保无污染的优点，开始大量进入公路隧道照明系统，作为公认的发展潜力巨大的新兴照明技术[1]。同样，由于LED灯是定向光源而高压钠灯是发散性光源，较之高压钠灯，LED灯的光效偏低，LED灯的散热较差，长时间使用后，P-N结温升过大，会大幅度降低灯具光效[2]，所以采用LED灯的照明均匀度较之使用高压钠灯要低，同时随着使用时间的增长，这个现象会越发明显。

国内公路建设规模持续扩大，隧道数量持续增多，新时期对各级政府节能减排的要求也日益迫切。为此，交通运输部已制定了公路隧道LED照明灯具的行业标准，鼓励各有实力的企业和科研机构在此加大研发力度，不断提高调光控制水平，减少传统调光过程中的诸多不利因素。

为了降低照明能耗并确保行车安全，现代公路隧道运营中迫切需要一种高效节能、无污染、无公害的绿色照明养护决策技术。文章即是为了解决公路隧道照明系统中电能浪费问题与照明光效的经济平衡性而提出的，旨在为公路隧道LED照明灯具的养护决策提供科学依据和决策，基于此，通过长期的LED照明光效数据监测，科学分析LED隧道照明灯具能耗、功率因数及照度的变化规律，为公路隧道照明灯具的养护时间、养护频率和方法提供科学依据，这对节能降耗，保护环境，节省经济投资均具有非常重要的现实意义。

1 LED照明灯具及其发展

LED即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。

传统公路隧道照明技术存在发光效率低、耗电量大、使用寿命短，光线中含有大量的紫外线、红外线辐射，且其电子镇流器会产生电磁干扰，荧光灯含有大量的汞和铅等重金属，无法全部回收则造成环境污染等问题[3]。LED利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明及智慧照明以其显著的节能效果已受到各级政府及市场的持续高度重视，在现代高等级公路隧道行业得到了大量的推广应用，LED照明市场前景依然十分看好[4]。

2 LED灯具在隧道照明中的应用现状

随着国内及省内山区高速公路的迅猛发展，公路隧道的规模和数量也随之扩大，有关资料分析结果显示至2013年末，国内公路隧道年照明耗能已达21亿度，相当于甘肃省兰州市量大热电厂的全年发电量，折算为标准煤75.6万t[5]。因此，公路隧道照明节能已经刻不容缓。

现代公路隧道照明灯具很大一部分都不具备自动调光功能，开灯后即是满功率工作，因而寿命较短，尤其到运营后期灯具表现出功率因数下降，能耗增大的趋势。从近两年福建、贵州、四川等省份交通及市政领域的挂灯试验表明，70W以下的LED灯寿命通常在10000～20000h，70W以上的通常在5000～15000h。可见，LED灯具实际寿命远不如想象的那么长，对LED灯而言，照度不足意味着需要更换整盏灯具，或者以昂贵的能耗费用来维持基本照度也是不经济的，这无形中给业主及管养单位带来巨大的经济负担。因此，可以说LED隧道照明灯具有“省电不省钱”的普遍现象，隧道照明管养单位迫切需要一种科学的养护决策方法。

3 LED隧道灯照明光效测试方案

任何光源都是有寿命的，在国家的各类照明设计标准中，均要求灯具投入初期被照场所的亮度需达到或高出标准要求，以确保灯具使用过程中亮度虽然衰减了，但仍旧不低于标准值，公路隧道照明也不例外[6]。当低于一定标准值时，即应当更换光源了，由于传统的灯具亮度不可控，因此仅此一项，隧道照明投入初期电能浪费可高达33%。

本方案在测试时，将LED照明灯按实际使用时的状态放置在防风罩内，并使环境温度控制在15℃～30℃范围内，相对湿度控制在45%～75%范围内。LED照明灯的供电采用公共电网一般工业用电，交流电220V(50Hz)，其电费表准为0.85元/kWh。

3.1 LED隧道灯照度及光衰计算方案

测量初始照度后，当后续时刻测量的照度呈现明显下降趋势后，开始计算光衰。即用初始照度值减去该时刻测量的照度值，其相减的结果除以初始照度值，然后在换算成百分数，就作为从点灯开始时到该时刻所跨的时段的实测光衰值，用数学公式表示为：

S——LED照明灯某时段的实测光袞

L0——LED照明灯的初始照度值

Lt——LED照明灯某时刻的照度值

3.2 LED隧道灯功率因数奖惩能耗计算方案

为了激励用户对功率因数下降造成能源浪费问题的重视，减少供电部门的无效经济负担，我国出台了《功率因数调整电费办法》，对相应功率因数用电设备的计算电费进行功率因数奖惩[7～8]。功率因数调整电费统计结果见表1。

表1 功率因数调整电费统计表

通过对长期运营LED隧道照明灯具的现场实际测试，结果发现随着使用时间的增长，LED照明灯的功率因数随着下降[9]。LED照明灯起初功率因数一般均可达到0.98左右，大概使用一年半左右，其降低至0.75左右，综合能耗随之升高。LED隧道照明灯不同时期不同功率因数条件下用电能耗率可用如下数学表达式进行表示。

W——LED照明灯某时段的实测能耗

P0——LED照明灯的初始能耗值

Pt——LED照明灯某时刻的能耗值

4 LED隧道灯照明光效分析及养护决策

通过对某LED隧道灯照明光效进行不间断6000h照明光效的长期测试，监测照度、功率、能耗及功率因数的变化情况。表2为其测试照度和光衰的计算结果。

表2 6000h间LED照明灯照度和光衰测试结果

由表2可知，LED隧道灯照度随用灯时间呈逐级下降趋势，1000h其光衰为0.76%，3000h其光衰为3.13%，6000h的光衰为5.74%，虽然监测过程中部分时刻光衰结果保持不变或微小降低，但整体呈增加趋势，其测试结果符合公路隧道LED照明灯的应用实际。某LED隧道照明灯光衰测试曲线图如图1所示。

图1 6000h内某LED隧道灯光衰变化曲线图

为实现对LED光衰曲线进行拟合回归分析，通过对各幂次回归曲线方程与实际测试光衰曲线误差的逐一比对，最终结果显示三次曲线拟合方程所得结果与实际光衰曲线的残差值最小，如图2所示，这一过程将LED光衰随时间变化的关系量化，即形成如下三次曲线拟合表达计算式：y=0.0001447x3-0.009419x2+0.3626x-0.7023，有助于隧道照明灯具运营管理及维护者及时掌握照明灯具光照效能的变化情况。

图2 三次曲线拟合值与实际测试光衰值绝对误差条形图

实际应用中为保持原有LED隧道灯的照明光效，LED灯视在功率及无功功率均持续增大，功率因数随之下降，也即用一定的电耗来维持一定的光效，其竞技平衡性需做进一步考量。对此，国家半导体照明工程研发及产业联盟推荐性技术规范（LB/T003-2009）显示，LED灯在额定电压和频率下工作实际功率因数不得低于0.90[10]。以100W的LED灯为例，按功率因数奖惩系数计算其奖惩电费，见表3。

表3 100WLED灯不同功率因数下奖惩电费计算表

工程实际表明，高速公路上一座长4km的隧道，除风机等其他用电设备外，光照明用电的总功率就达195.826kW，不同功率因数电费奖惩标准及长时间运营条件下，电费支出相距甚大。表4为该隧道在不同功率因数下年奖惩电费和综合能耗率。

表4 4km隧道照明年奖惩电费及年能耗统计表

采用“有无”对比的分析方法，对不同功率因数下对应的年能耗率及其费用进行对比分析，从表4可以看出功率因数从0.95降至0.91，一座4km隧道照明年综合能耗就增加0.6%，直接超支电费0.8749万元/年，当功率因数降至0.75时，年综合能耗就增加8.32%，直接超支电费12.03万元/年。

图3 不同功率因数对应年能耗率及其费用柱状图

从图3可以看出，随着功率因数不断降低，隧道照明年电能耗资及耗资率将出现非比例性的大幅度增长。另外，功率因数的降低还会引起电力网电能损耗的增加，在本文的研究中暂未考虑，该问题非常容易被忽视。因此，项目业主或隧道管养单位可以根据具体运营隧道LED照明灯具的实际能耗变化情况，结合工程养护和更换新灯具的费用情况，对隧道LED照明灯具的养护时间、频率和方法做出全面、准确科学的评价。

5 结论

本文针对LED照明灯具在现有高等级公路隧道长期运营管理中P-N结升温过大，导致综合光效降低的现实问题，以电能浪费和照明光效的经济平衡性为出发点，通过长期的室内外试验数据积累和监测，科学分析了LED隧道照明灯具随着使用时间的增长，其能耗、照度、光衰及功率因数的变化规律，为运营隧道照明灯具的养护频率、时间和方法提供了科学依据和决策，旨在节能减排的前提下最大限度地提高照明能效，本文研究成果对大幅降低公路隧道的运营及管理费用具有重大的现实意义。