LED照明工程在高速公路隧道中的應(yīng)用——上海、北京、南京三地考察記

張青文，翁 季，胡英奎，楊春宇

(重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶400045)

0 引言

為落實執(zhí)行國家自然科學基金和重慶市科委資助的科研項目，2010年，我們隨重慶高速公路發(fā)展有限公司和重慶交通科研設(shè)計研究院，分別對上海-南京-北京所在的上海長江隧道、南京模范路隧道和北京德勝門隧道的LED照明工程應(yīng)用情況進行考察調(diào)研工作，并對部分照明指標進行了現(xiàn)場檢測。在對隧道進行實地考察的同時，又分別與各工程施工方、業(yè)主和照明產(chǎn)品制造商以座談的方式，對LED照明系統(tǒng)在隧道照明設(shè)計、應(yīng)用中的相關(guān)技術(shù)、管理及營運措施、供電系統(tǒng)、安裝方式、調(diào)光控制、照明效果、經(jīng)濟性、節(jié)能指標及安全狀況進行了咨詢和交流，獲得了寶貴的相關(guān)信息，同時，也發(fā)現(xiàn)一些存在的問題?，F(xiàn)將考察調(diào)研情況及感悟和思索整理成文，以供參考。

1 上海長江隧道考察情況

1.1 工程建設(shè)概況

上海市長江隧橋工程為國家重點工程，具有重要的交通、經(jīng)濟和社會意義。該工程中的長江隧道起于上海浦東新區(qū)五號溝，穿越南港水域至長興島西南方登陸，全長8.95 km，其中穿越水域部分7.5 km。

長江隧道按雙向六車道高速公路標準設(shè)計，設(shè)計車速為80 km/h，車道凈寬為12.5 m，通行凈高為5.2 m。汽車荷載為公路一級，路面采用阻燃改性瀝青混合料，抗震設(shè)防烈度為7級，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100年，工程于2004年12月28日正式啟動，2009年10月31日正式通車，整個工程建設(shè)歷經(jīng)5年。

1.2 照明工程概況

隧道內(nèi)共安裝有5 886套采用歐斯朗Golden DRAGON Plus LED作光源的隧道燈，其中的Golden DRAGON Plus LED光源超過41多萬個，是目前全球最長的采用LED作為照明光源的隧道。照明采用雙側(cè)對稱照明方式，基本段采用條形LED燈具，光源色溫約為5 800 K，燈具采用雙側(cè)對稱布置，單側(cè)燈具間距為5.6 m，每盞燈功率為95 W。亮度設(shè)計標準值為4.5 cd/m2。入口加強段采用400 W高壓鈉燈，南洞布置間距為1.1 m，北洞布置間距為0.8 m。營運中可按8段進行控制，照明強度可進行調(diào)光控制，一般使用狀況為70%調(diào)光。隧道兩側(cè)3 m高護墻采用塑鋼板，屬混合型反射材料，有一定強度的定向反射。

1.3 實地考察

在建設(shè)指揮部的陪同下，我們對下行方向的隧道進行了實地考察，并對其單車車道路面照度、距路面1.5 m處的垂直面照度(車行方向)和墻面反光系數(shù)進行了實測(見圖1)。實測區(qū)域分別為進口段、中間段和出口段，照明強度由調(diào)光控制為100%，考察中，身臨其境地感受到了LED在隧道中的照明效果，并獲得了良好的印象。

圖1 長江隧道實景及照明指標檢測

1.4 照明狀況分析

1.4.1 照明實測結(jié)果

該隧道的原設(shè)計亮度為4.5 cd/m2。通過對隧道中間段3個分區(qū)的路面水平照度測試可知，平均照度為158.9 lx，平均亮度為8.59 cd/m2，高于原設(shè)計亮度的90.9%，均勻度為0.6以上，照明質(zhì)量良好。

1.4.2 基本段現(xiàn)LED照明與原T5管照明方案的對比分析

長江隧道原方案中的基本照明部分擬選用2×28 W T5管熒光燈。安裝間距為1.9 m，左右兩排燈具對稱布置，數(shù)量總計17 054套。后改為采用80 W LED隧道燈，安裝間距為5.6 m，左右兩側(cè)對稱布設(shè)，總數(shù)量為5 788套。

在滿足隧道照明設(shè)計標準的前提下，通過對兩種方案的比較可知，雖然LED照明方案比熒光燈照明方案節(jié)能49.7%，但兩個方案的功率密度均高于設(shè)計標準，未滿足節(jié)能要求，這是由于在進行設(shè)計時，對光源設(shè)計參數(shù)的取值過于保守，造成能量浪費的現(xiàn)象。

1.4.3 調(diào)光控制系統(tǒng)

長江隧道設(shè)置了LED照明的統(tǒng)一調(diào)光系統(tǒng)，基本段可實現(xiàn)每盞燈的亮度調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)由兩級網(wǎng)絡(luò)進行控制。整個系統(tǒng)共有16臺調(diào)光控制器，相互間采用光纖環(huán)冗余以太網(wǎng)互聯(lián)，調(diào)光控制器提供4路485總線，分別連接于區(qū)相應(yīng)區(qū)段的照明燈具，具有整條隧道LED照明器的調(diào)光和巡檢功能?？偩€設(shè)備的通訊采用主從協(xié)議的方式。調(diào)光控制系統(tǒng)預(yù)留接口與綜合監(jiān)控系統(tǒng)連接，并受控于綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

調(diào)光系統(tǒng)主要有手動控制、時空模式和降級控制三種功能，其功能可實現(xiàn)校準、巡檢和故障處理等。調(diào)光以改變電流的方式實現(xiàn)9級亮度變化，即20%，30% ，40% ，50% ，60% ，70% ，80% ，90% 和 100% 。

1.4.4 主觀印象

LED照明為長江隧道營造出良好的光照環(huán)境，洞內(nèi)視覺清晰，可見度高。將此次的檢測結(jié)果與剛竣工時的檢測結(jié)果相比較，相差很小，即投入使用后的近半年時間，光衰幾乎為零。對稱安裝的條形LED燈具形成延續(xù)的光帶，具有良好的誘導(dǎo)性。

2 南京模范路隧道考察情況

2.1 工程建設(shè)概況

模范路隧道屬南京市內(nèi)環(huán)北線2期工程。該線按城市快速路標準建設(shè)。工程起點位于玄武湖隧道西出口，經(jīng)地平交織段后，在青石村附近的金川河涵洞處開始下穿，以暗埋的方式下穿南瑞路、三牌樓大街、中山北路后在水佐崗西側(cè)出地面，再經(jīng)平交織段后以6車道高架橋在現(xiàn)有虎踞路高架橋下跨越虎踞路，并與城西干道高架橋相接，主線預(yù)留端口與規(guī)劃中的瑋三路過江隧道對接，該工程全長約3 000 m。

其中的模范路隧道按城市快速路設(shè)計，總長1 445 m，暗埋段長1 100 m，敞開段長345 m。隧道采用雙向6車道，地面雙向4～8車道。設(shè)計車速為60 km/h。隧道竣工時間為2008年10月27日。

2.2 照明工程概況

模范路的LED照明技術(shù)研究被列為2008年度南京市建設(shè)行業(yè)科研項目，其參研單位分別為南京市城建項目建設(shè)管理有限公司、南京市路燈管理處、上海隧道設(shè)計院及南京漢德森科技股份公司。

模范路隧道照明采用LED隧道燈，該燈由色溫為6 500 K的6×10顆LED光源組成。燈具呈方形結(jié)構(gòu)。照明采用雙側(cè)對稱布置的順光照明方式，基本段全部采用60 W LED隧道燈，單側(cè)間距為5 m，照明設(shè)計亮度為2.5 cd/m2。入口加強段采用高壓鈉燈。

圖2 模范路隧道實景及照度檢測工作照

2.3 實地考察

實地考察中，我們在模范路隧道的中間段路面選擇了兩小段區(qū)域進行了照度和亮度實測，獲得了這兩個區(qū)域的路面平均照度、亮度、照度均勻度和距地面1.5 m處(沿車行方向)的垂直面照度等，并對該隧道的照明狀況做出了評價。圖2為隧道實景及照度檢測工作照。

在與該隧道建設(shè)單位的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員的交流中，獲知隧道管理單位準備掛表測量用電量，以此與采用傳統(tǒng)照明方式的南京玄武湖隧道的用電情況進行比較，由此獲得相應(yīng)的節(jié)電指標，將為LED照明在隧道中的節(jié)能水平提供量化依據(jù)。

2.4 照明狀況分析

2.4.1 照明實測結(jié)果

實測結(jié)果表明，中間段兩個區(qū)域的平均亮度為2.94 cd/m2，滿足于原亮度設(shè)計標準2.5 cd/m2，且高于原亮度設(shè)計標準的17%。路面平均照度為54.4 lx/m2，照度均勻度為0.6，滿足并高于隧道照明設(shè)計標準要求。

2.4.2 隧道LED基本照明方案與原熒光燈T8管設(shè)計方案的對比分析

原T8熒光燈照明方案擬采用2×36 W T8熒光燈雙側(cè)對稱布置，間距為3.3 m。通過與現(xiàn)LED照明方案比較可知，在亮度滿足規(guī)范要求的條件下，綜合多種因素比較分析，LED照明方案比熒光燈照明方案節(jié)能約40%。

2.4.3 調(diào)光控制系統(tǒng)

模范路隧道調(diào)光系統(tǒng)可對所有LED燈進行逐點控制?？刂葡到y(tǒng)共設(shè)為3檔，即

晴天模式(＞20 000 lx);

陰天模式(430 lx～20 000 lx);

夜間模式(＜430 lx)。

在相同模式下，考慮到每套燈具的安裝位置和所需光通量的不同，將相應(yīng)位置的燈具分為25%，30%，50%，60%，70%，100%光通輸出，既保證了使用要求，又節(jié)約了電能。表1為該隧道調(diào)光控制分布情況。

表1 南京模范路隧道調(diào)光控制分布

2.4.4 主觀印象

隧道內(nèi)視覺清晰，可見度高，光環(huán)境較好。該隧道竣工至今近半年，LED照明現(xiàn)場檢測結(jié)果與剛竣工時的檢測結(jié)果相比較，相差很小，這說明暫無光衰現(xiàn)象。但由于安裝方式采用順光照明，駕駛過程中看不到光源，導(dǎo)致誘導(dǎo)性較差。雖然洞壁兩側(cè)設(shè)計了兩條彩色光帶以提高誘導(dǎo)性，但安裝在塑鋼板上的光帶產(chǎn)生較強的反射亮線，易造成不舒適眩光。

3 北京京包高速公路(六環(huán)路—德勝口段)隧道考察情況

3.1 工程建設(shè)概況

德勝口隧道位于北京市昌平區(qū)內(nèi)的虎嶼山，為雙曲、偏壓、大跨度、小徑距雙線6車道高速公路隧道，道路凈寬12 m，為雙洞單向行駛隧道。該隧道進京線長2 980 m，出京線長2 996 m，是北京市區(qū)域內(nèi)鐵路與公路隧道中最長的一座隧道。該隧道于2006年4月開工以來，克服了地形復(fù)雜、圍巖破碎、跨度大等工程技術(shù)難點，于2009年9月6日實現(xiàn)了隧道雙線左右洞全線貫通。

3.2 德勝口隧道照明工程概況

隧道各分段照明分別按國家標準設(shè)計。洞內(nèi)設(shè)計車速為80 km/h。洞內(nèi)照明均采用高效節(jié)能的LED隧道照明燈。隧道入口段、過渡段和出口段分別設(shè)置了加強照明，并采用了70 W，160 W，120 W三種不同功率的LED隧道燈混合照明，兩側(cè)交錯布置，安裝高度為5.2 m。

基本照明段采用了70 W LED隧道燈實現(xiàn)照明。燈具安裝方式為兩側(cè)交錯布置，間距9 m，安裝高度為5.2 m，該照明形式既作為白天基本照明，又作為隧道夜間照明。LED光源色溫均為4 500 K～5 000 K。整個隧道共采用燈具2 062套(包括隧道洞外兩側(cè)安裝的高壓鈉燈和部分白織燈)。

隧道全線還設(shè)置了應(yīng)急照明，即以基本照明燈中選擇行車方向右側(cè)燈具的1/2作為應(yīng)急照明光源，燈具間距為基本照明燈具的2倍，能保證24 h不熄燈，設(shè)計亮度大于基本照明的1/10。

3.3 照明狀況分析

3.3.1 照明實測結(jié)果

選擇隧道中間段2個不同小區(qū)段進行照明檢測，獲知其平均照度、亮度分別為70.1 lx和3.79 cd/m2，平均亮度和均勻度滿足設(shè)計標準，且亮度指標超過原設(shè)計標準的5.3%。

3.3.2 隧道現(xiàn)LED照明方案與高壓鈉燈設(shè)計方案的對比分析

由于未有原設(shè)計方案，兩者的比較可按LED照明方案的維持亮度標準進行推理，其照明器總耗能可考慮為光源功率的1.2倍。

在針對該隧道特點的基礎(chǔ)上，擬定出高壓鈉燈照明方案，分別對入口段、過渡段1，2和基本照明段采用不同的比較基準，考慮燈具節(jié)能效果的不同，僅進行節(jié)電率分析，可知在等亮度標準下，LED照明方案的節(jié)電率高于高壓鈉燈照明方案。

3.3.3 主觀印象

隧道內(nèi)視覺清晰，可見度較高。可感覺到良好的光照環(huán)境。延續(xù)伸展的LED燈具排列有序，形成明亮的光帶，具有良好的誘導(dǎo)性。眩光不明顯。地面為混凝土敷設(shè)，反射系數(shù)高于瀝青路面。除出、入口段的護墻采用定向反射較強的瓷磚外，過渡段及中間段的墻面均為混凝土本色，反射系數(shù)極低，僅有0.27左右。

4 小結(jié)

考察活動歷經(jīng)4天，感受頗多，現(xiàn)歸納于下。

事實證明，結(jié)構(gòu)合理的LED隧道燈配合科學的整體照明方案能夠?qū)崿F(xiàn)高于高壓鈉燈和長管形熒光燈的有效發(fā)光效率。

LED燈的無級調(diào)光性能是其最大的優(yōu)勢與亮點之一，結(jié)合智能化照明控制系統(tǒng)，在運營負荷量小的時候降低照明系統(tǒng)的功率，既能保證照明質(zhì)量，又可達到節(jié)能效果。

此次被考察隧道所選用的LED隧道燈的芯片均采用了國際一流知名品牌，且成熟的功率型產(chǎn)品，可保證功率型LED工作的穩(wěn)定性、可靠性和高效性。三個隧道的LED光源使用壽命已接近半年，還未出現(xiàn)明顯的光衰現(xiàn)象。照明器故障率較低，其故障多為線纜接觸不良。

隧道內(nèi)的環(huán)境可避免陽光對照明器的暴曬，從而有效降低熱輻射的影響，充分利用隧道內(nèi)的通風條件，可有效提高LED燈的散熱效果。

與氣體放電光源相比較(如高壓鈉燈和熒光燈)，LED照明營造的隧道光環(huán)境，具有更好的清晰度和可見度。

被考察隧道中選用的LED光源色溫均在6 000 K左右，這種色溫的光源是否能提高人的視覺功效或?qū)θ梭w產(chǎn)生何種非視覺效應(yīng)，則缺乏相應(yīng)的科學依據(jù)。

被考察隧道中間段的路面平均照度、亮度過高，即使將照明水平控制調(diào)光在70%時，也超過了國家標準，應(yīng)充分利用LED燈的無級調(diào)光性能，使照明水平與國家標準保持一致，但北京德勝口隧道未設(shè)置LED調(diào)光裝置，這顯然不利于節(jié)能減排。

節(jié)能不是一句空話，應(yīng)用事實予以說明。應(yīng)在滿足相同照明水平的條件下與傳統(tǒng)的高壓鈉燈照明方式進行比較，從而獲得量化的LED節(jié)能指標。如南京模范路隧道準備進行掛表測取用電量，并將其比對于采用高壓鈉燈照明的玄武湖隧道，由此掌握LED的節(jié)能水平。

被考察的隧道管理單位無統(tǒng)一的LED隧道照明管理模式及運營機制，多采用傳統(tǒng)的隧道照明管理模式。

應(yīng)針對LED燈的特點，制定出科學規(guī)范的隧道照明設(shè)計標準，從而防止盲目設(shè)計所帶來的弊端。

考察中發(fā)現(xiàn)，各工程項目選用的LED隧道燈產(chǎn)品及附屬配件，均無統(tǒng)一的產(chǎn)品標準，這無疑將制約產(chǎn)品質(zhì)量的提高，給產(chǎn)品的開發(fā)、使用和維護帶來一系列的問題。

總之，LED在隧道照明中的應(yīng)用是一個新的領(lǐng)域，從理論上分析，LED照明應(yīng)用于隧道照明不存在大的技術(shù)瓶頸，從這次考察結(jié)果中也可以看出，此項技術(shù)帶來的成果和效應(yīng)是可喜的。但目前，大功率LED照明還存在不少問題，如何解決產(chǎn)品散熱和光衰嚴重的問題，建立標準規(guī)范的LED隧道照明設(shè)計、管理及運營體系，實現(xiàn)LED照明產(chǎn)品的標準化，則是有待于解決的難題，任重而道遠，相信通過業(yè)界人士的不斷努力，LED在隧道照明中的應(yīng)用一定會獲得實質(zhì)性的成功。