LED光源在城市隧道照明中的應(yīng)用與分析

劉磊實 林衛(wèi) 王鵬展

(1.南京市路燈管理處，南京 210013;2.南京城建項目建設(shè)管理有限公司，南京 210006)

1 前言

自2003年中國啟動國家半導體照明工程以來，LED照明產(chǎn)業(yè)被列為國家優(yōu)先發(fā)展的第一重點領(lǐng)域(能源)的第一優(yōu)先主題。我國的LED照明產(chǎn)業(yè)在政策的引導下，政府的大力推動下，得到了跨越式的發(fā)展［1］。LED光源以其環(huán)保、節(jié)能、安全、長壽命、點光源等優(yōu)點，在信號、顯示、背光源和景觀照明等領(lǐng)域迅速替代傳統(tǒng)光源，占領(lǐng)了市場。

為了有效引導我國半導體照明應(yīng)用的健康快速發(fā)展，擴大半導體照明市場規(guī)模，促進產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新能力的提高，科技部在21座城市開展LED“十城萬盞”應(yīng)用試點示范活動，推動LED光源在城市道路、隧道、橋梁、小區(qū)等城市功能照明領(lǐng)域的應(yīng)用，希望通過試點工作發(fā)現(xiàn)問題、取得經(jīng)驗。2008年初，我市開始在城市功能照明中研究、試驗及應(yīng)用LED光源，其中城市隧道LED光源照明應(yīng)用已運行近一年，取得大量經(jīng)驗，也發(fā)現(xiàn)不少問題。

2 工程項目情況

“隧道LED光源照明系統(tǒng)應(yīng)用”課題研究由南京城建項目建設(shè)管理公司和南京市路燈管理處共同進行，選擇LED光源照明的隧道既是南京市快速內(nèi)環(huán)的組成部分，也是城市主干道緯三路的一段，承擔著快速交通和城市主干道交通的功能，起點位于金川河，終點位于古平崗。該隧道按雙向雙洞六車道標準設(shè)計，其中暗埋段長度1147米。單洞設(shè)計寬為11.5米，單向三車道，按交通流量大于2400輛/小時、最大車速為60公里/小時標準設(shè)計，每隔50～80米設(shè)有直通地面的采光通風井，根據(jù)《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》 (JTJ026.1—1999)及《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70—2004)的要求，中間段照明設(shè)計亮度不小于2.5cd/m2，均勻度不小于0.4［2］［3］。

3 試驗情況

為確保工程應(yīng)用的效果，課題組在6月先行進行了掛燈試驗，試驗段位于隧道北側(cè)洞，施工樁號310米至440米處，為該隧道的典型路段，在320、380及440米處的南側(cè)有三處采光通風井，每個井由2個約為7m×5m的通風口組成。試驗共采用LED隧道燈54盞，南北兩側(cè)各27盞，按布燈間距5m和6m兩種方式分兩段設(shè)置。進行對比測試。光源標稱功率60W/盞，實測燈具功率73W/盞，同時結(jié)合調(diào)光，每盞燈按雙驅(qū)動模式配置。現(xiàn)場設(shè)專用表箱4回路供電，南北側(cè)各2回路。測試中期對驅(qū)動運行的模式進行了調(diào)整，7月8日的數(shù)據(jù)為調(diào)整后數(shù)值。因為最后選定的方案為布燈間距5m，故只列出5m的檢測數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場照片如圖1至圖4，測量數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)測試的情況，我們進行了認真的研究和分析，得出以下結(jié)論:

(1)白天采光通風井處直射入的光線對測量值影響很大，照明效果難以達到均勻度及縱向均勻度的要求，課題研究內(nèi)容是LED光源在隧道照明中的應(yīng)用，相關(guān)計算宜去除其影響。

表1 試驗段測試數(shù)據(jù)

(2)6月5日現(xiàn)場在施工，隧道內(nèi)雜物多、灰塵大、地面臟，照度低。7月8日隧道內(nèi)路面水泥澆鑄完畢，施工垃圾已清除，反射條件好，照度上升12.56lx。預計在瀝青攤鋪完、側(cè)面裝飾板安裝完畢之后，照度會上升10%～20%，亮度即使因為瀝青的反射系數(shù)下降，也能滿足規(guī)范要求［4］。

(3)LED光源隧道燈現(xiàn)有技術(shù)完全可以根據(jù)需要進行調(diào)光節(jié)能，這是其重要的特點，也是其節(jié)能的主要手段。

(4)LED光源隧道燈從34天測試數(shù)據(jù)看，衰減較小。

(5)LED光源在城市隧道照明系統(tǒng)中應(yīng)用是可行、可實施的，初期達到的技術(shù)參數(shù)能夠滿足國家相關(guān)規(guī)范的要求。

(6)LED光源隧道燈屬電子產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)精密，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，一盞燈有幾十顆LED芯片，產(chǎn)品質(zhì)量需嚴格把關(guān)，產(chǎn)品維護技術(shù)要求較高，模塊化生產(chǎn)將提高維修效率。

圖1 2008/6/4 10∶00

圖2 2008/6/5 20∶00

圖3 2008/7/8 20∶30

(7)為確保運行可靠，線路及電源等按照可實施原熒光燈方案的容量預留。同時，考慮到高功率LED光源隧道燈在價格、質(zhì)量、壽命方面的不足，加強照明仍采用金鹵燈方案。

(8)LED芯片選用限定在國際一流名牌的優(yōu)質(zhì)等級產(chǎn)品，芯片的性能及產(chǎn)品一致性必須滿足課題組提出的技術(shù)要求。

圖4 配電表箱照片

4 應(yīng)用情況

根據(jù)對試驗結(jié)果的研究，課題組對在隧道中使用LED光源有了較為明確的認識，結(jié)合LED光源在道路照明中的試驗及LED光源的自身特點，進行了多次論證，制定了合理的工程設(shè)計和實施方案，共安裝LED光源隧道燈910套，在隧道通車前完成了調(diào)試，并投入使用。課題組對實施結(jié)果進行了跟蹤檢測，現(xiàn)場照片如圖5至圖6，測量數(shù)據(jù)見表2。

圖5 2008/10/28 20:00

圖6 2009/8/6 00:30

5 情況分析

根據(jù)近一年的運行測量數(shù)據(jù)并結(jié)合城市隧道照明及LED光源的特點，我們對LED光源在城市隧道照明中應(yīng)用情況與熒光燈光源在節(jié)能、經(jīng)濟、運行、維護等方面進行了對比，對其應(yīng)用優(yōu)勢及存在瓶頸進行以下幾點的分析與思考。

5.1 LED光源在隧道照明中應(yīng)用優(yōu)勢

(1)配光

由于城市隧道照明對均勻度及縱向均勻度的要求較高，且燈具安裝高度一般只有5～6米，若采用高壓鈉燈、金鹵燈等大功率點光源，靠燈具的配光達到要求比較困難，故目前城市隧道大都采用熒光燈光源進行照明。但熒光燈作為360度發(fā)光的線性光源，其合理的配光是個技術(shù)瓶頸。LED光源作為小功率點光源，可以從顆粒排列、照射方向、發(fā)射角等多方面進行綜合調(diào)節(jié)，達到理想的配光，滿足城市隧道照明的需要。

(2)光源光效

光效是評價光源是否節(jié)能的基本參數(shù)，從上一點可以知道在城市隧道照明中，LED光源光效的競爭對手不是高壓鈉燈等高光效光源，是相對光效較低的熒光燈。目前T8熒光燈管的光效在80～90lm/w。LED發(fā)展速度是驚人的，去年裝燈時市面上產(chǎn)品級的大功率高色溫白光LED芯片的光效在107lm/w(350mA，標準狀態(tài))，現(xiàn)在已經(jīng)達到139lm/w，即使考慮實際應(yīng)用中的折減，LED光源的理論光效也略大于熒光燈，本項目技術(shù)要求明確燈具生產(chǎn)廠家在國際一流品牌 CREE、LUMILEDS、OSRAM中選擇光效不小于80lm/W的高等級芯片。

(3)燈具效率

由于熒光燈管360度發(fā)光且自身發(fā)光面較大，加上其光源本身對反射光的遮擋及反射、折射損耗等原因，熒光燈光源隧道燈的燈具效率普遍較低，一般在55～65%。另外，考慮光源腔的防護等級、透明罩的老化等原因，燈具的維護系數(shù)取值只有0.6左右。而LED隧道燈由幾十顆小功率的點光源組成，其配光主要依靠各點光源的布置位置、方向及發(fā)射角來實現(xiàn)，光源腔無需打開更換光源，密封性能好，故燈具效率一般在75%～85%，維護系數(shù)可以在0.75左右取值，相對而言，LED隧道燈比熒光燈隧道燈具有更高的效率。

(4)調(diào)光節(jié)能

LED光源屬于直流驅(qū)動、快速響應(yīng)的光源，響應(yīng)時間僅為納秒級，芯片驅(qū)動電流在一定范圍內(nèi)均能有效發(fā)光，通過調(diào)節(jié)正向電壓、驅(qū)動電流、脈沖電流、高頻調(diào)制、位角調(diào)制等方法均可實現(xiàn)大范圍的調(diào)光節(jié)能。雖然熒光燈的調(diào)光節(jié)能技術(shù)在近幾年得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用，但其實現(xiàn)技術(shù)與效果沒有LED理想。本工程每隔50～80米設(shè)有可以直接采光的通風井，其兩側(cè)一定范圍內(nèi)在白天可實施局部調(diào)光節(jié)能，晚上可根據(jù)需要進行整體調(diào)光節(jié)能。

(5)節(jié)能

從上面的詳細分析可以得出LED光源隧道燈比熒光燈光源隧道燈節(jié)能的結(jié)論，由于是新建項目，且加上本項目白天采用了部分人工采光等節(jié)能措施及電能計量、調(diào)光、維護系數(shù)等各方面原因，兩者之間無法進行準確的實測節(jié)能數(shù)據(jù)對比，只有采用理論計算及類比的方法進行節(jié)能分析。對比工程設(shè)計單位前后兩種光源的裝燈功率進行簡單計算可以得出節(jié)電38.6%的結(jié)論。為得到更加合理的數(shù)據(jù)，課題組根據(jù)熒光燈光源及LED光源的設(shè)計方案，分別應(yīng)用DIALUX和CALCULUX軟件對隧道照明的情況進行了理論計算，同時對工程情況類似的玄武湖隧道 (運行40個月)進行了實測，并綜合考慮光源運行時間及燈具維護系數(shù)等多方面因素進行修正，研究認為在折算到同等照度下，本項目LED光源和熒光燈相比的節(jié)能率在30%左右。

(6)壽命

隨著這兩年LED技術(shù)水平的飛速發(fā)展，大功率白光LED芯片的壽命正大幅提高，雖然還遠遠達不到一些廠家宣傳的5～10萬小時的壽命，但從本隧道的應(yīng)用跟蹤測量數(shù)據(jù)看，實際使用狀態(tài)下，LED光源照明的隧道5000小時 (282天，每天開燈約18小時)路面照度下降16.5%，這個降幅表面看較大，但其由光源光衰、燈具老化及燈具清潔水平以及墻面變臟等三方面因素造成，考慮一定的維護系數(shù)，本項目采用的LED隧道燈壽命可以基本滿足《道路照明 LED燈 (報批稿)》中“燃點6000小時，燈具光通維持率不低于88%”的要求及《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》中光源壽命大于1萬小時的規(guī)定［3］，也大于 T8稀土三基色粉熒光燈1～1.5萬小時的壽命，基本能讓用戶接受。

5.2 LED光源在隧道照明中應(yīng)用瓶頸

(1)運行工況要求高

LED光源及其驅(qū)動均為電子元器件構(gòu)成，對電氣參數(shù)及環(huán)境條件要求較高，LED的電壓-電流曲線反應(yīng)出其對電壓的敏感度高，極易反向擊穿或正向燒毀，雖然廠家在防雷電波、過電壓、浪涌保護等方面做了大量的工作，且城市隧道的環(huán)境條件遠遠優(yōu)于城市道路，可以不考慮雨雪、光線、霧靄、直擊雷電等惡劣氣候條件的影響，但仍存在溫度、振動、灰塵、雷電波、過電壓及線路故障等不利因素的作用。從本項目跟蹤情況看，裝燈40多天開始出現(xiàn)壞燈，5000小時損壞率在2.6%，且損壞率呈上升趨勢，長期運行情況需要進一步跟蹤。

(2)運行工況下光衰大

從一些實驗室測試數(shù)據(jù)看，LED光源發(fā)光效率曲線是先升后降，再趨于水平的過程。LED光源的光衰與其溫升及散熱有著直接關(guān)系，工程實際應(yīng)用的電氣和環(huán)境條件遠遠比實驗室惡劣，隨著運行后LED光源的光效衰減、熒光粉效率降低、封裝材料的老化及熱阻增大等不利情況出現(xiàn)，都會給LED芯片的發(fā)光效率帶來不良影響，導致光效下降，光效的降低又引起溫升，溫升會再促使不利情況的惡化，這種循環(huán)帶來的后果是顯而易見的。雖然從實際應(yīng)用5000小時的測量數(shù)據(jù)看，光衰在可以接受的范圍內(nèi)，但結(jié)合我們在LED光源在道路中的試驗跟蹤數(shù)據(jù)分析，LED光源隧道燈在實際運行工況下的光衰曲線不會像實驗室測試數(shù)據(jù)那樣理想的趨于水平，仍將維持一定的下降幅度。以“效能低于初始效能70%”為壽命終止條件計算時間的話［5］，估計難有3萬小時的壽命。

(3)配套電氣性能不穩(wěn)定

LED光源具有眾多優(yōu)點，但畢竟是高科技電子產(chǎn)品，對電壓、電流的變化敏感，對驅(qū)動電路的要求很高，驅(qū)動方式或驅(qū)動電路設(shè)計選擇不當，會使LED光源損壞。LED燈具中串聯(lián)回路較多，一個芯片的損壞就會導致一串光源或一個模塊的失效。驅(qū)動電路自身的質(zhì)量缺陷也會導致燈具的失效，嚴重的會導致光源的損壞。從跟蹤測試檢查情況看，驅(qū)動電源模塊的損壞率遠遠高于光源模塊，其標稱和實際使用壽命均低于光源模塊，一般產(chǎn)品的壽命達不到3萬小時。

目前熒光燈節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器或電子整流器的自身損耗約為額定輸出功率的8%～12%，符合國家對能效因數(shù) (BEF)的限定值或節(jié)能評價值。相比之下，本項目采用的LED隧道燈驅(qū)動的自身損耗為額定輸出功率的20%，高于國家的限定值，能耗大，市場上LED燈具驅(qū)動的自身損耗在8% ～12%的產(chǎn)品，價格高，壽命短，性價比不高。

(4)維護困難、成本高

熒光燈結(jié)構(gòu)簡單，各組成配件性能相對穩(wěn)定，維修工作主要內(nèi)容是配件壽命到期或損壞更換及燈具清潔，主要配件燈管及鎮(zhèn)流器等產(chǎn)品經(jīng)過幾十年的發(fā)展，完全實現(xiàn)標準化生產(chǎn)，不同品牌之間可以相互替代，價格透明，不存在壁壘。燈具接線簡單，無特殊設(shè)備、人員要求及技術(shù)障礙，一般電工及經(jīng)過簡單培訓的人員均能對其故障進行判斷和快速現(xiàn)場維修，維護成本低，且可以迅速恢復燈具功能到初期水平。LED光源隧道燈號稱5～10年免維護，但實際不可能，其為電子產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)精細，一盞燈由幾十顆LED和幾十個電子元器件組成，燈具或驅(qū)動中的電子元器件受干擾損壞的概率大，壽命長短不一，一個元器件或一個線路節(jié)點的故障就有可能造成全套燈具的損壞。其結(jié)構(gòu)復雜，檢測需要專門的高精尖設(shè)備，技術(shù)人員都無法在現(xiàn)場進行判斷維修。目前LED功能燈具市場還不成熟，缺少標準規(guī)范，各廠家燈具形狀各異，實現(xiàn)技術(shù)方案、手段、途徑各不相同，配件之間缺乏兼容性，產(chǎn)品無相互替代性，一般只有更換燈具，維護成本很高。本項目將驅(qū)動和光源部分分開，實施模塊化設(shè)計，相對方便了維護，但還是由原生產(chǎn)廠家進行整模塊的更換。

(5)經(jīng)濟效益不理想

目前我國LED生產(chǎn)產(chǎn)值80%以上為封裝產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，外延芯片生產(chǎn)雖有很大發(fā)展和進步，但仍停留在中低檔水平，高光效大功率白光LED應(yīng)用產(chǎn)品依賴于美國、日本、歐盟等地進口的高檔外延芯片，他們依靠擁有的核心技術(shù)和專利壟斷了高端產(chǎn)品市場，價格較高。本項目采用的LED隧道燈使用了美國CREE的芯片，單燈價格約高于國際品牌隧道燈(雙管熒光燈2*36W)2000元。節(jié)能的成本投入是需要經(jīng)濟效益回報的，為了順利推廣應(yīng)用，廠家采用了合同能源管理模式來進行管理，大量的前期投入要通過節(jié)約電費來彌補。按照廠家的樂觀估計，節(jié)電率50%來計算，每年節(jié)約電費也僅在264元/盞 (每天運行18小時、電費0.55元/度)，不考慮資金時間價值，靜態(tài)投資回收期在7.58年，即運行近5萬小時。若按照課題組分析的節(jié)電率30%來計算，則只有158元/盞，回收期在12.7年，即運行近8.34萬小時。另外，熒光燈的燈具維修基本是光源或鎮(zhèn)流器的更換，價格均十分低廉，而LED燈具為整個模塊化的更換，光源或驅(qū)動的價格均高，特別是光源要貴近百倍，其節(jié)電的經(jīng)濟價值回報無法彌補其高成本。

(6)光環(huán)境

LED光源的發(fā)光面積很小，光源本身亮度較大，隧道環(huán)境下燈具布置較低，一旦設(shè)置不當就會產(chǎn)生眩光。本項目設(shè)計原采用側(cè)面布燈方式，在試驗階段就發(fā)現(xiàn)眩光嚴重，特別在隧道轉(zhuǎn)角處，側(cè)面光成了正面逆向光，光線直射駕乘人員，成為眩光源，眩光嚴重影響駕駛安全。為解決問題，技術(shù)人員將燈具向車輛前進方向偏轉(zhuǎn)一定角度，形成順側(cè)光，并根據(jù)隧道走向調(diào)整前傾角度，有效解決了眩光問題，但燈具偏轉(zhuǎn)使到達地面的光斑不再對稱，既造成路面均勻度下降，也造成部分光投射在墻壁側(cè)板上，導致側(cè)墻亮度不均及光線誘導性差等問題。同時，由于節(jié)電收益和廠家利益的結(jié)合，為了提高收益，運行中廠家采取了間隔關(guān)閉部分燈的運行模式，造成隧道中形成一圈圈的“斑馬線圈”，加上采光井直射光等不利因素，造成本工程的路面照明縱向均勻度差，整體光環(huán)境不如做類比的采用熒光燈的玄武湖隧道。

6 結(jié)論

LED光源是一種節(jié)能、環(huán)保、長壽的新型光源，未來將可能緩解人們正遇到的能源短缺、環(huán)境破壞等問題，成為照明發(fā)展方向。其在城市隧道照明中的運用具有一定的優(yōu)勢，我們已著手在南京的幾條老隧道中進行LED光源改造，進一步掌握LED光源隧道照明的相關(guān)技術(shù)。同時，我們應(yīng)看到，任何一種光源都具有區(qū)別于其他光源的優(yōu)點和缺點，完美無缺的光源還不存在，LED光源隧道燈具也還不是成熟的產(chǎn)品，芯片生產(chǎn)、燈具配光、傳導散熱、電力電子驅(qū)動技術(shù)、無極調(diào)光節(jié)能技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、維護管理等各方面還要進行大量的技術(shù)研究，只有大幅度降低其成本，實現(xiàn)產(chǎn)品與應(yīng)用的標準化管理，提高保障能力，LED光源在城市隧道照明中的應(yīng)用才會更加成熟。

［1］2007年度上海半導體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告.上海半導體照明工程技術(shù)研究中心.［R］.2007年7月

［2］公路隧道設(shè)計規(guī)范 JTG D70—2004［S］.中華人民共和國交通部，2004-11-1實施

［3］公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范.中華人民共和國交通部JTJ026.1—1999 ［S］.2000-6-1實施

［4］楊韜，陳仲林.隧道照明反射增量系數(shù)研究 ［J］.燈與照明，2009，33(2):6～14

［5］整體式LED路燈的測量方法LB/T 001—2009［S］.國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，2009-09-01實施