公路隧道LED燈應(yīng)用探討

涂耘 王少飛 鄧欣 李科 陳建忠

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司 隧道建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，重慶 400067;2.國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心，重慶 400067)

1 引言

截至2010年，全國公路隧道為 7384處、512.26萬m(如圖1所示)，其中，特長隧道265處、113.80萬 m，長隧道1218處、202.08萬 m。公路隧道作為能源消耗大戶，其照明節(jié)能問題逐漸得到相關(guān)行政機構(gòu)、運營公司、科研院所和社會團體的高度重視。作為技術(shù)性節(jié)能［1－2］的一項重要措施，公路隧道照明采用“綠色光源”已為業(yè)界廣泛認同，并得到示范工程應(yīng)用。本文對公路隧道LED燈的工作原理及優(yōu)點進行了分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合中間視覺反應(yīng)試驗結(jié)果，提出公路隧道LED燈等效亮度計算方法與照明標準，并以廣樂高速公路4座LED燈應(yīng)用示范隧道工程為例，對其節(jié)能效益進行分析，以期為公路隧道LED燈推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

圖1 我國公路隧道發(fā)展狀況 (2000～2010)

2 LED燈工作原理及其優(yōu)點

LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)被稱為“第四代光源”，也是未來“綠色照明”的主角［3］。與白熾燈和氣體放電燈發(fā)光原理迥異，LED自發(fā)性的發(fā)光是由于電子與空穴的復(fù)合而產(chǎn)生的 (如圖2所示)。白光LED的出現(xiàn)為半導(dǎo)體照明打開了一扇嶄新的大門，目前獲得白光LED主要有兩大途徑:一是通過熒光粉轉(zhuǎn)換得到白光;另一是把不同顏色的LED芯片封裝到一起，多芯片混合發(fā)出白光。

LED照明產(chǎn)品之所以受到重視，主要由于其具有以下優(yōu)點:①壽命長，國外有學(xué)者認為其使用壽命可長達20年;②更節(jié)能，利于環(huán)保;③光方向性強，光通量利用率高;④白光色溫可調(diào);⑤瞬時啟動，立即獲得100%的光和色;⑥光源中無汞;⑦低壓直流工作，更安全;⑧顯色性高;⑨抗震動沖擊性好;⑩為點光源，有利于燈具設(shè)計。

圖2 LED工作原理

具體至公路隧道工程應(yīng)用而言，LED燈則具有無可比擬的優(yōu)勢:①為定向光，燈具利用系數(shù)可高達0.8～0.9;②顯色指數(shù)高，有利于保障公路隧道行車安全;③可無級調(diào)光，實現(xiàn)“按需照明”;④使用壽命較長，可節(jié)約大量養(yǎng)護管理費用;⑤全壽命周期成本最低。

3 公路隧道LED燈等效亮度［4］

3.1 中間視覺實驗方法

夜間道路照明水平屬于中間視覺范疇，目前研究中間視覺的實驗方法主要有:①基于視亮度(Brightness)的異色視亮度匹配法;②基于亮度(Luminance)的閃爍光度測量法;③基于反應(yīng)時間(Reaction Time)的視覺功效法;④基于光源的暗視覺光通量與明視覺光通量之比 (S/P)研究法。

上述方法中，視覺功效法被認為更具合理性，其測試在不同照明環(huán)境下 (背景亮度、視標對比度、視標偏心角等)，人眼對背景中隨機出現(xiàn)目標的反應(yīng)時間。視覺功效法可模擬實際視覺作業(yè)環(huán)境，以直接評價不同照明條件下操作者視覺作業(yè)能力和建立以反應(yīng)時間為基礎(chǔ)的視覺模型，從而評價人眼真實的視覺功效。在中間視覺范圍內(nèi)，反應(yīng)時間與亮度水平、視標對比度、視標偏心角等因素有關(guān)。但當(dāng)背景亮度、視標對比度、視標偏心角一定，以與光源光譜成分直接相關(guān)的光源色溫為唯一變量時，反應(yīng)時間是否會隨之變化還需進行實驗研究。

3.2 照明光源色溫影響

通過模擬夜間駕駛條件下的視看環(huán)境，測量人眼在隧道照明條件下觀測視標的反應(yīng)時間，以獲得反應(yīng)時間與各種隧道照明因素 (實驗參數(shù))之間的變化關(guān)系。

1)反應(yīng)時間與背景亮度關(guān)系

在6種不同背景亮度 (Lb=0.32、1.0、1.5、2.0、2.5、4.5cd/m2)、2種不同亮度對比 (C=0.2、0.5) 和3種不同視標偏心角 (θ=0°、10°、20°)下，測試者對金屬鹵化物燈 (MH)、高壓鈉燈 (HPS)、LED燈、緊湊型熒光燈 (CFL)和低頻無極燈 (LVD)的反應(yīng)時間如圖3所示。研究結(jié)果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，測試者反應(yīng)時間沒有明顯區(qū)別，相對于MH和LED，反應(yīng)時間都較長;五種光源中，在LED下反應(yīng)時間最短，其次是MH。這說明若以反應(yīng)時間作為參考指標，LED燈照明效果最好，其次是 MH，而 HPS、CFL和LVD的照明效果沒有明顯差別，都比LED和MH差一些。

圖3 五種光源下的反應(yīng)時間與背景亮度的關(guān)系

2)視標對比度對反應(yīng)時間影響

在視標對比度C為0.2和0.5時，反應(yīng)時間與背景亮度的關(guān)系如圖4～圖5所示。研究結(jié)果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，測試者反應(yīng)時間沒有明顯區(qū)別，相對于MH和LED，反應(yīng)時間都較長;五種光源中，在LED下反應(yīng)時間最短，其次是MH。這說明無論視標對比度C為0.2還是0.5，若以反應(yīng)時間作為參考指標，都是LED燈照明效果最好，其次是MH;而HPS、CFL和LVD的照明效果沒有明顯差別，都比LED和MH差一些。

圖4 C=0.2時五種光源下的反應(yīng)時間與背景亮度的關(guān)系

3)偏心角對反應(yīng)時間影響

圖5 C=0.5時五種光源下的反應(yīng)時間與背景亮度的關(guān)系

視標偏心角為0°、10°和20°時，測試者在五種光源下的反應(yīng)時間如圖6～圖8所示。研究結(jié)果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，測試者反應(yīng)時間沒有明顯區(qū)別，相對于MH和LED，反應(yīng)時間都較長;五種光源中，在LED下反應(yīng)時間最短，其次是MH。這說明對于周邊視覺，無論視標偏心角θ為10°還是20°，若以反應(yīng)時間作為指標，都是LED燈照明效果最好，其次是MH;而HPS、CFL和LVD的照明效果沒有明顯差別，都比LED和MH差一些。對于中央視覺 (視標偏心角θ為0°)，仍然是在LED下反應(yīng)時間最短，在HPS、CFL和LVD下測試者反應(yīng)時間沒有明顯區(qū)別;在低亮度 (背景亮度低于2.5cd/m2)時，在MH下反應(yīng)時間大于LED，但明顯小于在另外三種光源下的反應(yīng)時間，當(dāng)背景亮度在2.5cd/m2及以上時，在MH下的反應(yīng)時間大于在LED下的反應(yīng)時間，但已與在其他三種光源下的反應(yīng)時間沒有明顯區(qū)別。

圖6 θ=0°時五種光源下的反應(yīng)時間與背景亮度的關(guān)系

3.3 隧道照明等效亮度

根據(jù)實驗得到的各種照明條件下反應(yīng)時間與背景亮度之間的關(guān)系可求出反應(yīng)時間相等時，MH、LED、CFL和LVD對HPS的亮度對比系數(shù)R(L)，見表1。即基于視覺功效法，LED燈產(chǎn)生2.5×0.4613=1.15cd/m2的照明效果與高壓鈉燈產(chǎn)生2.5cd/m2的照明效果是等效的。

圖7 θ=10°時五種光源下的反應(yīng)時間與背景亮度的關(guān)系

圖8 θ=20°時五種光源下的反應(yīng)時間與背景亮度的關(guān)系

表1 MH、LED、CFL和LVD對HPS的亮度對比系數(shù)R(L)

4 公路隧道LED燈照明標準

結(jié)合國內(nèi)外公路隧道LED燈照明理論研究與工程應(yīng)用［5－8］，建議通風(fēng)狀況良好、能見度高的長大公路隧道中間段照明可采用LED光源，其亮度值取中間段正常設(shè)計亮度值［9］的50%，但最低亮度值不得低于1.5cd/m2，見表2。公路隧道加強照明 (入口段、過渡段、出口段)宜采用高壓鈉燈［10］。

表2 LED燈照明中間段亮度Lin(cd/m2)

5 公路隧道LED燈應(yīng)用示范

正在建設(shè)之中的廣東廣樂高速公路大瑤山1號特長隧道 (單洞長4220m)、大拉山長隧道 (單洞長1790m)、沙口中隧道 (單洞長642m)和茶山短隧道 (單洞長261m)，已作為國家發(fā)改委、住建部和交通運輸部組織實施的“半導(dǎo)體照明產(chǎn)品應(yīng)用示范工程”。采用本文理論研究成果，優(yōu)化設(shè)計后的隧道中間段照明經(jīng)濟效益分析見表3。

據(jù)統(tǒng)計，每節(jié)約1度 (kW·h)電，就相應(yīng)節(jié)約0.4kg標準煤，同時減少排放0.272kg的碳粉塵、0.997kgCO2、0.03kgSO2、0.015kg 氮氧化物［11］。經(jīng)計算分析可知，該項目預(yù)計年運營節(jié)電296.77萬度，節(jié)約標準煤1187.08t，減排碳粉塵807.21t、CO22958.80t、SO289.03t、氮氧化物 44.51t。不僅經(jīng)濟社會效益相當(dāng)可觀，生態(tài)效益也極為明顯。

表3 高壓鈉燈設(shè)計方案與LED燈設(shè)計方案經(jīng)濟效益對比表 (基本照明)

6 結(jié)語

(1)LED作為“第四代光源”，與傳統(tǒng)光源相比具有無可比擬的優(yōu)勢，將LED燈應(yīng)用于公路隧道，對于降低用電能耗、緩解用電壓力、建設(shè)“資源友好型”公路隧道具有非常重要的社會意義。

(2)基于視覺功效法，明確提出公路隧道LED燈等效亮度計算方法，實驗研究表明LED燈產(chǎn)生1.15cd/m2的照明效果與高壓鈉燈產(chǎn)生2.5cd/m2的照明效果是等效的。

(3)在理論研究成果的基礎(chǔ)上，首次明確提出公路隧道LED燈照明標準，并建議通風(fēng)狀況良好、能見度高的長大公路隧道中間段照明可采用LED光源。

(4)理論分析計算表明，將LED燈應(yīng)用于公路隧道基本照明，不僅經(jīng)濟社會效益相當(dāng)可觀，生態(tài)效益也極為明顯。

(5)由于公路隧道照明的特殊需求及應(yīng)用環(huán)境，目前國產(chǎn)大功率公路隧道LED燈技術(shù)上還存在諸多瓶頸問題［12］。作為新興產(chǎn)品的公路隧道LED燈由于配光設(shè)計、散熱、色溫、維護、性價比等方面的不足限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用，目前尚不能完全取代傳統(tǒng)高壓鈉燈。

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