無(wú)級(jí)調(diào)光控制技術(shù)在公路隧道中的節(jié)能應(yīng)用

文｜合肥源輝光電子有限公司

1 背景介紹

按需照明一直是照明的理想形式，然而傳統(tǒng)光源亮度難以控制，而照明系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)又必須考慮足夠的設(shè)計(jì)冗余，因此使用傳統(tǒng)光源的照明系統(tǒng)普遍存在過(guò)度照明、電能浪費(fèi)巨大的現(xiàn)象。對(duì)于隧道照明系統(tǒng)而言，有70%左右的能耗是被過(guò)度照明消耗掉的。因此，隧道照明節(jié)能，必須從減少過(guò)度照明著手。

要減少過(guò)度照明，單純減小燈具設(shè)計(jì)功率的方法是不可取的。因?yàn)?，如果采用這種方法，照明系統(tǒng)的亮度會(huì)在系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后低于規(guī)范要求。到那時(shí)，除非增加燈具數(shù)量，否則就只能采用降低隧道的行車(chē)速度或頻繁更換光源的方法來(lái)解決。

因此，合理的減少過(guò)度照明的手段，應(yīng)當(dāng)是根據(jù)需要調(diào)整照明強(qiáng)度，即按照需要調(diào)整燈具的功率。調(diào)整照明強(qiáng)度有兩種方式，一是采用多回路分級(jí)調(diào)光，二是采用無(wú)級(jí)調(diào)光。分級(jí)調(diào)光通常最多只分到6級(jí)，即白天4級(jí)，夜晚2級(jí)。這種簡(jiǎn)單分級(jí)的方式依舊存在較為嚴(yán)重的過(guò)度照明。無(wú)級(jí)調(diào)光是基于LED光源實(shí)現(xiàn)的，只需要兩個(gè)回路，即基本照明回路和加強(qiáng)照明回路。采用這種方式可以根據(jù)需要任意調(diào)整燈具亮度，在滿足規(guī)范要求的前提下避免過(guò)度照明，最大限度地節(jié)約電能。

2 無(wú)級(jí)調(diào)光控制技術(shù)的節(jié)能原理

過(guò)度照明存在的根本原因，可以簡(jiǎn)單概括為照度需求和傳統(tǒng)照明系統(tǒng)能耗的不可控性。對(duì)于公路隧道來(lái)說(shuō)，影響照度需求和照明系統(tǒng)能耗的因素主要有光源規(guī)格、光源維護(hù)系數(shù)、洞外亮度、電源和路面類(lèi)型。本文主要從前四個(gè)因素的角度分析無(wú)級(jí)調(diào)光系統(tǒng)的節(jié)能原理。

2.1 光源規(guī)格與維護(hù)系數(shù)

光源的規(guī)格與維護(hù)系數(shù)對(duì)使用傳統(tǒng)光源的照明系統(tǒng)能耗的影響有相似之處，都表現(xiàn)為因傳統(tǒng)光源的亮度難以控制，造成隧道單側(cè)開(kāi)燈亮度不夠，雙側(cè)開(kāi)燈過(guò)度照明嚴(yán)重的現(xiàn)象。

相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)隧道照明有著具體的規(guī)定，許多高速公路隧道的基本照明燈具僅需40W～120W即可，若大幅超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，則屬過(guò)度照明。然而目前市場(chǎng)上技術(shù)成熟的通用型高壓鈉燈光源的功率規(guī)格只有100W、150W、250W和400W幾種，不能緊密貼合公路隧道照明的需要，再加上亮度控制不便，應(yīng)用于隧道時(shí)單側(cè)開(kāi)燈亮度不夠，雙側(cè)開(kāi)燈過(guò)度照明嚴(yán)重的現(xiàn)象便難以避免。LED燈具的設(shè)計(jì)功率一般在20W～70W之間，過(guò)度照明較鈉燈要低得多，若采用隧道LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)，更可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行照明，緊密貼合實(shí)際需要，能夠有效地減少過(guò)度照明造成的電能浪費(fèi)。

維護(hù)系數(shù)是在設(shè)計(jì)燈具功率時(shí)，為確保運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，因衰減和燈具受到污染而使光源亮度下降30%以上后，其照明強(qiáng)度依舊能夠滿足規(guī)范要求而設(shè)定的指標(biāo)。在《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中，維護(hù)系數(shù)取0.7，即100W的燈具亮度剛好滿足規(guī)范要求時(shí)，必須選用功率大于143W的燈具。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了防止因光源光效的細(xì)微差異造成運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后亮度低于規(guī)范要求，確保隧道照明始終能夠滿足規(guī)范要求，通常還需要在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上再考慮一定的設(shè)計(jì)冗余，一般取規(guī)范要求值的20%。也就是說(shuō)，100W的燈具亮度剛好滿足規(guī)范要求時(shí)，燈具的實(shí)際功率應(yīng)在170W左右。這同樣會(huì)造成單側(cè)開(kāi)燈亮度不夠，雙側(cè)開(kāi)燈過(guò)度照明嚴(yán)重的情況。這是恒定亮度燈具的一大缺陷，而如果采用LED亮度無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)，則可有效地防止出現(xiàn)為保證設(shè)計(jì)維護(hù)系數(shù)和冗余造成的電能浪費(fèi)現(xiàn)象。

2.2 洞外亮度

我們知道，隧道內(nèi)加強(qiáng)照明的標(biāo)準(zhǔn)值都是根據(jù)隧道洞外的亮度乘以一個(gè)系數(shù)得來(lái)的。以80km/h的雙車(chē)道單向交通為例，若設(shè)計(jì)交通量不低于每小時(shí)2400輛，其入口段的亮度折減系數(shù)為0.035。圖1展示出了不同的洞外亮度情況下加強(qiáng)照明能耗相對(duì)百分比，從圖中可以看出，洞外亮度對(duì)隧道照明能耗的影響相當(dāng)大，這也給節(jié)能帶來(lái)了相當(dāng)大的空間。

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，入口段亮度可按下式計(jì)算：

圖1 洞外亮度與照明能耗百分比的關(guān)系圖

式中，Lth為入口段亮度，k為入口段亮度折減系數(shù)，L20（S）為洞外亮度。隧道照明設(shè)計(jì)要求取夏天中午時(shí)的最大洞外亮度來(lái)計(jì)算加強(qiáng)照明的亮度，并考慮到足夠的冗余，以確保在任何天氣條件，以及燈具的亮度衰減到額定值下限的情況下，洞內(nèi)照明強(qiáng)度始終能夠滿足規(guī)范要求。但是，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)期間，洞外亮度會(huì)隨著天氣、季節(jié)和時(shí)辰的變化而變化。也就是說(shuō)， L20（S）時(shí)刻在變化，它會(huì)從幾十坎德拉變化到幾千坎德拉。對(duì)于一個(gè)合理的照明方式而言，當(dāng)L20（S）發(fā)生變化時(shí)，Lth也應(yīng)隨之變化。而如果L20（S）變化而Lth不變或者僅簡(jiǎn)單地按幾個(gè)等級(jí)進(jìn)行變化，便會(huì)造成巨大的電能浪費(fèi)。

圖2所展示的即是這種巨大的電能浪費(fèi)。其中LED燈設(shè)計(jì)功率線與夏至功率需求曲線中午時(shí)最大值之間的差額為維護(hù)系數(shù)和設(shè)計(jì)冗余。圖中曲線以上的面積即為高壓鈉燈照明系統(tǒng)浪費(fèi)的電能，它達(dá)到了實(shí)際需求能耗的三倍以上。而即使是四級(jí)調(diào)光的LED燈照明系統(tǒng)，其晴天的能耗也是實(shí)際需求的2倍。因此，隧道加強(qiáng)照明只有采用智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)洞外亮度進(jìn)行跟蹤，實(shí)時(shí)調(diào)整洞內(nèi)亮度，才能實(shí)現(xiàn)按需照明的目標(biāo)。

圖2 不同季節(jié)晴天洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率變化圖

對(duì)于東西走向的隧道而言，若入口位于隧道的東側(cè)，則上午陽(yáng)光照射到東面山體時(shí)，洞口亮度較高，午后東面山體轉(zhuǎn)為陰暗面時(shí)，洞外亮度急劇下降，這使得入口段加強(qiáng)照明的強(qiáng)度需求在上下午存在巨大的變化。采用亮度智能無(wú)級(jí)控制后，洞內(nèi)照明就會(huì)順應(yīng)這種變化。如圖3所示，智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)夏至晴天照明能耗僅為高壓鈉燈系統(tǒng)的18%，而冬至?xí)r僅為12%，節(jié)能量高達(dá)80%以上。

圖3 東向入口隧道晴天洞內(nèi)加強(qiáng)照明功率變化圖

2.3 電源

電源對(duì)使用傳統(tǒng)光源的照明系統(tǒng)能耗的影響，主要表現(xiàn)為電源電壓晝夜波動(dòng)造成傳統(tǒng)光源能耗波動(dòng)。包括高壓鈉燈在內(nèi)的氣體放電燈對(duì)電源電壓的穩(wěn)定度要求較高，如果電源電壓的波動(dòng)超過(guò)6%，光源的能耗將大幅增加，壽命也將大幅縮短。圖4所示為250W高壓鈉燈與200W的LED燈的電源功率與輸入電壓的關(guān)系。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)夜晚電源電壓升高至250V左右時(shí)，鈉燈（含鎮(zhèn)流器）的功率為378W，較額定值增加了40%。這就是鈉燈用作路燈時(shí)，實(shí)際功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出額定功耗的主要原因。此外，在這種電壓下，鈉燈的壽命（亮度衰減50%時(shí)的工作時(shí)間，額定狀態(tài)下一般為2萬(wàn)小時(shí)）會(huì)大幅折減，幾乎不足額定壽命的30%。而LED燈的功耗幾乎不隨電源電壓變化，這也成了LED照明無(wú)級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)在節(jié)能方面的又一大優(yōu)勢(shì)。

圖4 光源的電源功率與輸入電壓的關(guān)系圖

3 無(wú)級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5所示為合肥市壽春路隧道LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)施方案。洞外亮度監(jiān)測(cè)裝置將檢測(cè)到的隧道洞外亮度信號(hào)傳送至控制裝置上，控制裝置對(duì)信號(hào)加以換算后輸出0V～5V直流模擬信號(hào)控制LED燈具的輸出功率，從而達(dá)到控制被照?qǐng)鏊牧炼鹊哪康摹?/p>

4 無(wú)級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)的控制方式

下面以合肥市壽春路隧道照明項(xiàng)目為例，介紹LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)的控制方式。

4.1 基本照明控制

圖5 壽春路下穿隧道LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隧道內(nèi)基本照明的特點(diǎn)是工作時(shí)間長(zhǎng)，需要24小時(shí)持續(xù)照明。針對(duì)這一特點(diǎn)，我們?cè)跒閴鄞郝匪淼勒彰黜?xiàng)目設(shè)計(jì)基本照明亮度時(shí)預(yù)留了足夠的冗余量。但這并不意味著要在使用時(shí)將設(shè)計(jì)冗余全部用上，即滿功率工作；而是需要多少功率就提供多少功率。在未來(lái)若干年內(nèi)，當(dāng)燈具出現(xiàn)一定的光衰時(shí)，可通過(guò)控制系統(tǒng)相應(yīng)增加燈具的輸出功率，使隧道內(nèi)的基本照明強(qiáng)度始終都能滿足規(guī)范要求而又不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度照明。

4.2 加強(qiáng)照明控制

隧道加強(qiáng)照明燈具早晨開(kāi)啟和晚上關(guān)斷的時(shí)間以及燈具開(kāi)啟后的亮度調(diào)節(jié)均由控制裝置進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的洞外亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，按照運(yùn)算的結(jié)果控制洞內(nèi)燈具的輸出功率。這種自動(dòng)跟蹤洞外亮度，調(diào)節(jié)洞內(nèi)亮度的照明方式，有效避免了過(guò)度照明，實(shí)現(xiàn)了按需照明的目標(biāo)，最大限度地節(jié)約了電能。

4.3 應(yīng)急照明控制

隧道的應(yīng)急照明燈具又兼做基本照明燈具，均由EPS電源供電。當(dāng)市電斷電時(shí)，控制裝置瞬間將基本照明燈具的功率同步控制到額定功率的15%左右。這使得在市電斷電情況下，系統(tǒng)能夠保證應(yīng)急照明的配光特性與原先的基本照明相同，最大限度地避免了交通事故的發(fā)生。

5 無(wú)級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)的優(yōu)越性

5.1 節(jié)約能源

如前文所述，LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)可以很好地適應(yīng)洞外亮度等因素引起的照明需求變化，有效地避免過(guò)度照明，在確保照明滿足規(guī)范要求的前提下最大限度地節(jié)約電能。應(yīng)用了亮度無(wú)級(jí)控制技術(shù)的LED燈具可以比應(yīng)用分級(jí)控制的同類(lèi)燈具節(jié)能40%，比鈉燈節(jié)能70%～90%。

除此之外，LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)還可以在隧道車(chē)流量未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，依據(jù)規(guī)范對(duì)洞內(nèi)照明強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)的折減（折減量可根據(jù)需要任意設(shè)定），真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師們追求的按需照明的設(shè)計(jì)理念。

5.2 其他優(yōu)越性

節(jié)能只是LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)諸多優(yōu)越性中的一個(gè)，除此以外，它還有很多其他的優(yōu)越性：

（1）LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)的加強(qiáng)照明燈具只有在夏季的中午才接近滿功率工作，在一年中的大多數(shù)時(shí)間里，則均在10%～60%的功率下工作；而基本照明燈具的近期工作功率也是低于額定功率的（設(shè)計(jì)冗余留到遠(yuǎn)期再用）。這使得燈具和電源的長(zhǎng)期工作溫度非常低，不僅可大幅減小LED的光衰，還可延長(zhǎng)LED和電源的壽命。

（2）LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)可在下半夜時(shí)令燈具的功率同步減半，配光特性保持不變，從而避免了單側(cè)關(guān)燈造成的危及行車(chē)安全的斑馬效應(yīng)的出現(xiàn)。

（3）LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需2個(gè)回路，即一個(gè)基本照明回路和一個(gè)加強(qiáng)照明回路?；菊彰饔旨孀鲬?yīng)急照明；當(dāng)市電斷電時(shí)，所有基本照明的功率均降至額定功率的10%，從而確保照度的均勻性。

（4）與分級(jí)調(diào)光系統(tǒng)相比，LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)可節(jié)約相當(dāng)數(shù)量的電纜、控制箱及相應(yīng)的電氣費(fèi)用。

6 經(jīng)濟(jì)性分析

下面，我們以一條長(zhǎng)2km，水泥路面，單向2車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，設(shè)計(jì)車(chē)流量每小時(shí)700輛，隧道路面寬度10.5m的隧道為模型，計(jì)算并對(duì)比鈉燈分級(jí)調(diào)光照明系統(tǒng)與LED智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)的投資運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。（天氣情況按每年晴天165天，云天100天，陰天50天和重陰天50天進(jìn)行計(jì)算；電費(fèi)按商業(yè)用電價(jià)，即每千瓦時(shí)1元計(jì)算）

如圖6所示，鈉燈分級(jí)調(diào)光照明系統(tǒng)與LED智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)的投資費(fèi)用包括燈具、電纜和電氣設(shè)備（包括變電站、應(yīng)急電源、配電箱/柜以及燈具以外的電器等）的費(fèi)用。

從圖中可以看出，兩種方案一次性投資費(fèi)用相差并不大，但LED智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)每年可節(jié)省近40萬(wàn)元電費(fèi)，若隧道在設(shè)計(jì)車(chē)流量條件下按規(guī)范要求開(kāi)燈，則不到3年即可收回增加的投資。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在公路隧道項(xiàng)目中應(yīng)用LED無(wú)級(jí)調(diào)光控制有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）LED調(diào)光控制可實(shí)現(xiàn)基于洞外亮度與交通量的按需照明，大大減少照明能耗。

（2）采用LED隧道照明可簡(jiǎn)化供電回路設(shè)計(jì)，節(jié)約電纜與變壓器的投資。

（3）雖然目前LED隧道燈的價(jià)格高于高壓鈉燈，但LED隧道燈在實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制后具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，投資回收期一般為3年左右。

圖6 LED與鈉燈照明系統(tǒng)投資營(yíng)運(yùn)費(fèi)用對(duì)比圖