LED燈具應(yīng)用于隧道照明

　　從上表可以看出，洞外亮度對(duì)隧道能耗影響相當(dāng)大。洞外亮度高，洞內(nèi)照明強(qiáng)度也要相應(yīng)提高，洞內(nèi)的電氣設(shè)備投資也會(huì)相應(yīng)地增大。因此，在設(shè)計(jì)隧道洞內(nèi)照明時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)先對(duì)隧道洞外亮度進(jìn)行實(shí)測(cè)，再根依據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)洞內(nèi)照明，這樣不僅可避免照明設(shè)計(jì)冗余量過高造成電氣設(shè)備投資上的浪費(fèi)，還可在運(yùn)營過程中節(jié)省大量的電能。在建設(shè)安徽省黃塔桃高速公路時(shí)，初步設(shè)計(jì)是按4000cd/m2的洞外亮度設(shè)計(jì)洞內(nèi)照明。在正式設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員奔赴現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各隧道的洞外亮度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并測(cè)得隧道洞外亮度大多在3000cd/m2左右。因此設(shè)計(jì)人員按照實(shí)測(cè)的洞外亮度對(duì)洞內(nèi)照明系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果照明燈具的總功率比原先減少了23%，設(shè)備投資約減少了19%。由此可以看出，精確測(cè)量隧道洞外亮度，對(duì)于合理設(shè)計(jì)洞內(nèi)照明，減少照明能耗和電氣設(shè)備投資，是非常必要的。
　　這個(gè)事例表明，洞外亮度對(duì)洞內(nèi)照明及設(shè)備投資的影響極大。因此，如何降低洞外亮度，也是隧道設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考慮的問題。通常可采取下列措施在隧道洞口接近段進(jìn)行減光：其一是在路基兩側(cè)種植常青樹;其二是將洞口采用暗色調(diào)裝修;其三是在洞外的山體坡面上進(jìn)行大面積栽種常青植被等等。這些措施均可起到較好的降低洞外亮度的作用。

　　二、洞外天氣對(duì)隧道照明能耗的影響與節(jié)能對(duì)策

　　洞外亮度對(duì)加強(qiáng)照明能耗的影響很大，而天氣、季節(jié)和時(shí)辰的不同，其洞外亮度更是也大不相同。以一個(gè)洞外亮度為3000cd/m2的隧道為例，其夏至?xí)r洞外中午的最大亮度為3000cd/m2，秋分時(shí)洞外的最大亮度約為1860cd/m2，冬至?xí)r洞外的最大亮度約為842cd/m2，早、晚和陰天的洞外亮度可低至200cd/m2以下。目前我國隧道照明白天大多按照四級(jí)調(diào)光方式，即晴天、多云、陰天和重陰天四個(gè)亮度等級(jí)。這四個(gè)亮度等級(jí)大多不分季節(jié)以及上午、中午和下午，因此能耗的浪費(fèi)仍舊相當(dāng)巨大。圖1為高壓鈉燈晴天洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率線和實(shí)際功率需求曲線。圖2為LED燈洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率線。圖3為隧道LED亮度智能無級(jí)控制系統(tǒng)跟蹤晴天洞外亮度的洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率曲線，它也是實(shí)際LED燈具功率需求曲線。每條線下部的面積即為該種燈具當(dāng)日加強(qiáng)照明的總能耗。圖中最上面一條均是高壓鈉燈的晴天照明功率線，所標(biāo)的能耗百分比均是指與鈉燈晴天照明能耗進(jìn)行的比較。

圖1

　　從圖1中看出，夏至白天鈉燈加強(qiáng)照明功率需求曲線下部的面積(即能耗，下同)只占設(shè)計(jì)照明功率線下部面積的37%，而年平均白天鈉燈功率需求曲線下部的面積只占設(shè)計(jì)照明功率線下部面積的22.7%。如果鈉燈的輸出功率在大范圍內(nèi)是可控，那么僅按每日的照明功率線進(jìn)行跟蹤控制，對(duì)于加強(qiáng)照明而言，每年即可節(jié)能77.3%。實(shí)現(xiàn)隧道照明洞內(nèi)亮度跟蹤洞外亮度實(shí)時(shí)變化的目標(biāo)，人類已追求了一個(gè)多世紀(jì)。但由于傳統(tǒng)光源的局限性，人類一直未能如愿以償。白熾燈雖可進(jìn)行無級(jí)調(diào)光，但由于其低下的光效使得其調(diào)光變得毫無意義。氣體放電燈(如高壓鈉燈)目前只能在很小的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。這種調(diào)光，白天對(duì)隧道照明能耗影響并不大。就對(duì)于高壓鈉燈而言，比較好的節(jié)能方法是采用多回路分級(jí)控制方式，根據(jù)檢測(cè)到的洞外亮度，對(duì)洞內(nèi)回路進(jìn)行調(diào)整。這種分級(jí)控制洞內(nèi)亮度的方式可產(chǎn)生較好地節(jié)能效果。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED以其優(yōu)異的性能正在成為照明領(lǐng)域的主流光源?，F(xiàn)階段可大批量供貨的LED光效已達(dá)90lm/W，且亮度還在不斷地提高，其控制方式也越發(fā)先進(jìn)。

　　圖2為LED燈洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率線。從圖中可以看出，LED晴天照明的功率線僅有高壓鈉燈的50%，這主要是因?yàn)長ED隧道燈具有較高的燈具效率、維護(hù)系數(shù)、顯色指數(shù)、有效照度以及可任意設(shè)置的功率規(guī)格等特點(diǎn)，使得其在滿足規(guī)范要求的條件下能耗大幅下降。因此，用LED隧道燈簡單替代高壓鈉燈，可實(shí)現(xiàn)50%的節(jié)能目標(biāo)。

圖2

　　LED光源與其他光源不同，它的工作電流在額定范圍內(nèi)可大可小。這一特性為LED燈具實(shí)現(xiàn)亮度無級(jí)控制奠定了基礎(chǔ)。目前，隧道LED亮度智能無級(jí)控制系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)成功，它的推廣應(yīng)用，必將對(duì)公路隧道照明節(jié)能產(chǎn)生重大影響。

圖3

　　三、隧道LED照明亮度智能無級(jí)控制系統(tǒng)節(jié)能分析

　　圖3繪出了采用隧道LE D照明亮度智能無級(jí)控制系統(tǒng)跟蹤的加強(qiáng)照明功率曲線。從圖中可以看出，年平均照明功率需求比夏至?xí)r要小，冬至功率最低。采用隧道LE D照明亮度智能無級(jí)控制系統(tǒng)后，不論是一年中的哪一天，它都會(huì)按照實(shí)際的功率需求去照明，而無須多付出照明能耗。通過計(jì)算可得，其年平均白天照明能耗比鈉燈光源的隧道照明和恒定亮度的LED隧道照明要低得多，約為鈉燈的16.5%，LED燈的33%，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的按需照明。該系統(tǒng)用于隧道照明，不論是何種天氣，其相對(duì)節(jié)能百分比并無太大差異。用它替代高壓鈉燈的加強(qiáng)照明，可實(shí)現(xiàn)83.5%的節(jié)能目標(biāo)，比亮度不可控的LED隧道燈節(jié)能67%。因此，這一系統(tǒng)的節(jié)能效果相當(dāng)顯著。將是當(dāng)今乃至今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)隧道照明節(jié)能的理想方案。

四、路面及墻壁材料對(duì)隧道照明能耗的影響。

　　瀝青路面的反射率比水泥路面低，在照明設(shè)計(jì)時(shí)瀝青路面的光照度必須高出水泥混凝土路面30%方能使兩者的路面亮度基本相同。因此，從降低能耗以及電氣設(shè)備投資角度考慮，設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能采用水泥混凝土路面。在《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中，要求路面左、右兩側(cè)墻面2m高范圍內(nèi)的平均亮度不應(yīng)低于路面平均亮度。因此，在墻面上涂反射率較高的白色涂料，也可節(jié)能1～3個(gè)百分點(diǎn)。
　　五、燈具功率規(guī)格對(duì)隧道照明能耗的影響。

　　隧道照明的標(biāo)準(zhǔn)值在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中是有具體規(guī)定的。若照度大幅度超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，則能耗也將過高。由于高壓鈉燈光源的功率規(guī)格通常只有75W、100W、 150W，250W和400W幾種，因此當(dāng)?shù)缆沸枰?10W或180W照明時(shí)，由于沒有相應(yīng)功率的光源，故只有采用150W和250W的規(guī)格。這種選擇不可避免地增加了照明能耗。

　　對(duì)于LED光源而言，它的功率可根據(jù)隧道實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)際需要多少功率就配備多大功率，從而消除了由于過度照明(照明強(qiáng)度大幅超出規(guī)范要求的照明)所造成的電能浪費(fèi)現(xiàn)象。例如基本段每盞LED燈用60W就夠了，因此設(shè)計(jì)LED燈具時(shí)就按60W設(shè)計(jì)而不必按75W設(shè)計(jì)，避免了過度照明所帶來的電能浪費(fèi)。

　　六、電源電壓對(duì)照明能耗的影響。

　　氣體放電燈對(duì)電源電壓的穩(wěn)定度要求較高，一般變化在6%以內(nèi)，否則能耗將大幅增加，光源壽命大幅減小。

　　在晚上，熒光燈、金鹵燈和高壓鈉燈通常會(huì)越點(diǎn)越亮。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢?這主要有如下兩方面原因：首先是因?yàn)樯习胍沟碾娫措妷和ǔＴ?20V～230V左右;而在下半夜電源電壓會(huì)達(dá)到額定值的15%，高達(dá)250V以上，使得功率加大，亮度增加。其次是氣體放電燈光源具有負(fù)阻特性，當(dāng)市電電壓升高時(shí)，光源兩端的電壓不僅不會(huì)升高，反而下降，而此時(shí)光源的工作電流卻會(huì)急劇增加;這使得光源和鎮(zhèn)流器的功耗均大幅增加。如一盞150W的高壓鈉燈，在250V電壓下工作時(shí)包括鎮(zhèn)流器功率在內(nèi)會(huì)增至300W。在這種電壓下，鈉燈的壽命會(huì)大幅折減，幾乎不足額定壽命的30%。這就是鈉燈用于路燈時(shí)實(shí)際功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出額定功耗的主要原因，也是其越點(diǎn)越亮的原因。

　　LED燈具對(duì)電源電壓的要求并不高，一般在170～250V之間。好的LED燈具大多采用恒流供電，既流過LED的電流不受電源電壓變化的影響，而只取決于出廠時(shí)的設(shè)定值，因此它的輸出功率幾乎是不變的;帶有亮度控制功能的LED燈具的工作電流還取決于控制信號(hào)，它可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)所的照明需求實(shí)時(shí)調(diào)整照明強(qiáng)度，以達(dá)到理想的節(jié)能效果。在基本照明方面，若采用LED光源，通過先進(jìn)的調(diào)光技術(shù)，可以使下半夜照明能耗下降一半，這樣可在原有節(jié)能的基礎(chǔ)上再在減少25%的能耗，使得LED光源總節(jié)能率高達(dá)75%。

　　由于LED燈具的工作電壓范圍很寬，因此在設(shè)計(jì)線路時(shí)允許采用線徑較細(xì)的電纜而不會(huì)出現(xiàn)熄燈或無法啟動(dòng)之現(xiàn)象。因此采用LED光源可節(jié)省大量的電纜費(fèi)用，在綜合投資與鈉燈相當(dāng)?shù)那闆r下每年綜合節(jié)能率在80%以上。

　　七、諧波及功率因素對(duì)電源能耗的影響

　　LED光源的供電方式為直流恒流供電方式。因此LED燈具均要配有恒流驅(qū)動(dòng)電源。目前LED照明燈具上使用的恒流源均為開關(guān)電源即開關(guān)式LED恒流驅(qū)動(dòng)電源。由于開關(guān)電源為整流性負(fù)載，大量使用時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重諧波污染。

　　在隧道照明系統(tǒng)中，諧波危害主要有以下幾個(gè)方面：1.造成電網(wǎng)電壓的波形畸變;2.電纜線過熱，絕緣老化加速，易損壞并導(dǎo)致線間短路和接地故障引起電氣火災(zāi)和人身觸電事故，特別是中性線過負(fù)荷、發(fā)熱，甚至于著火燃燒;3.變壓器過熱、損壞甚至于燒毀;4.補(bǔ)償功率因數(shù)的電容器過熱，易損壞，壽命大幅縮短;5.系統(tǒng)的功率因數(shù)降低使得供電系統(tǒng)損耗增加;6.斷路器及漏電保護(hù)裝置、接觸器、熱繼電器等電氣保護(hù)元件過熱，失靈，誤動(dòng)作，接地保護(hù)裝置功能失常;7.浪費(fèi)系統(tǒng)容量，降低保護(hù)裝置作用。

　　解決隧道照明諧波危害可采用以下兩種方式：1.提高變壓器容量和質(zhì)量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜截面，增大其他電氣設(shè)備的容量。但這種方式不能從根本上消除諧波，反而會(huì)使電氣設(shè)備投資增加，保護(hù)特性與功能下降。2.提高LED隧道燈驅(qū)動(dòng)電源的功率因數(shù)。在選用LED隧道照明燈具時(shí)應(yīng)對(duì)功率因數(shù)提出要求。一般要求功率因數(shù)要達(dá)到0.8以上，這就要求LED恒流驅(qū)動(dòng)電源必須帶有功率因數(shù)校正電路。性能良好的LED驅(qū)動(dòng)電源，其功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。若選用這樣的電源，將是目前消除諧波危害的最佳方案。

　　結(jié)束語

　　隧道照明電費(fèi)是高速公路運(yùn)營成本的重要組成部分。一條長度為400m的單向交通隧道，若使用高壓鈉燈按標(biāo)準(zhǔn)要求點(diǎn)燈，其每年隧道內(nèi)的照明用電量約為60多萬元。在隧道照明中，隧道出、入口處的照明更是隧道基本照明的幾十倍。由于存在高額的運(yùn)營費(fèi)用，使得許多運(yùn)營商不堪重負(fù)，不得不降低照明標(biāo)準(zhǔn)，以降低運(yùn)營成本。而這一做法又會(huì)給隧道運(yùn)營埋下頻發(fā)性事故隱患。因此，如何降低隧道照明的能耗，特別是入口的能耗，已是所有擁有隧道的高速公路運(yùn)營商迫切需要解決的問題。目前我國公路隧道總里程已接近2千公里，總的照明能耗相當(dāng)巨大。本文旨在介紹一些隧道照明的節(jié)能方法，以幫助同行最大限度地降低隧道照明能耗，節(jié)約巨額的運(yùn)營費(fèi)用，為實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)環(huán)境，減少CO2排放提供較為可行的方法。