本文論述了影響隧道能耗的主要因素，提出了LED隧道照明調光控制的系統結構與控制方式，分析了該控制的優勢與經濟性。

　　1引言

　　按需照明一直是照明科技領域追求的理想形式，由于傳統光源亮度難以控制，而設計時又必須考慮足夠的設計冗余，因此公路隧道普遍存在過度照明、電能浪費巨大的現象，過度照明能耗高達50%～90%。隨著LED照明的發展，明亮度智能無級控制已成為現實。本文結合安徽一些隧道LED照明調光控制的實踐，就這一問題進行探討。

　　2 影響照明能耗的主要因素

　　影響隧道照明能耗的因素主要有洞外亮度、光源、電源、維護系數和路面類型，本文主要對前四個因素進行討論。

　　2.1 洞外亮度

　　我們知道，隧道內加強照明的標準值都是根據隧道洞外的亮度乘以一個系數得來的。以80km/h的雙車道單向交通為例，若設計交通量大于等于2400輛/h時，其入口段的亮度折減系數為0.035。圖(1-1)為不同的洞外亮度情況下加強照明能耗相對百分比，以4000 cd/㎡為100%。從圖中可以看出，洞外亮度對隧道能耗影響相當大。這也給節能帶來了相當大的空間。根據《公路隧道通風照明設計規范》，入口段亮度可按下式計算： Lth=kL20(S) (式1-1)

　　式中，Lth為入口段亮度，k為入口段亮度折減系數，L20(S)為洞外亮度。雖然在設計隧道照明時，我們要求按照夏天中午時的最大洞外亮度進行計算加強照明的亮度，并考慮到足夠的冗余，以確保運營期間的每一天且燈具的亮度衰減到額定值的下限時，洞內照明強度依舊能夠滿足規范要求。但在實際運營期間，洞外亮度會隨著天氣、季節和時辰的不同而每時每刻都在變化，即式(1-1)中的L20(S)時刻在變化，它會從幾十坎德拉變化到幾千坎德拉。L20(S)變化了，依據公式Lth也應隨之變化，這種照明方式才是合理的。如果L20(S)變化而Lth不變或者僅簡單地分幾個等級進行變化，都會造成巨大地電能浪費。下面的圖(1-2)示出了晴天隧道洞外亮度的變化情況。

　　圖(1-3)示出了晴天分級調光系統與LED無級調光系統的調光功率、能耗對比。其中LED燈設計功率線與夏至功率需求曲線中午時的最大值之差為維護系數和設計冗余。圖中曲能耗也是實際需求的2倍。因此，隧道加強照明若能采用智能無級控制系統對洞外亮度進行跟蹤，實時調整洞內亮度，即可實現按需照明的目標。

　　對于東西走向的隧道而言，若入口位于隧道的東側，則上午陽光照射到東面山體，使洞口亮度較高。午后東面山體轉為陰暗面，洞外亮度急劇下降，這使得入口段加強照明的強度較上午又大幅減小。采用亮度智能無級控制后，洞內照明就會順應這種變化，如圖(1-4)所示。其夏至晴天照明能耗僅為鈉燈的18%，而冬至時僅為12%，節能高達80%以上。

　　2.2 光源

　　隧道照明的標準值在行業標準中是有具體規定的。 若照度大幅度地超出行業標準，則屬過度照明。由于高壓鈉燈光源的功率規格通用型只有100W、150W，250W和400W幾種，而許多高速公路隧道基本照明燈具僅需40～120W即可，但市場上技術成熟的高壓鈉燈光源并沒有這些規格，因此隧道的基本照明不得不選用100W或150W的高壓鈉燈。這使得隧道單側開燈亮度不夠，雙側開燈過渡照明現象嚴重。 而選用LED燈具，其設計功率一般在20～70W之間，過度照明較鈉燈要低得多，但依舊存在著過度照明。若采用隧道LED照明亮度智能無級控制系統，則可根據需要進行照明。標準要求多亮，隧道內就提供多亮。可有效地避免過度照明造成的電能浪費現象。

　　2.3 電源

　　氣體放電燈對電源電壓的穩定度要求較高，一般變化在6%以內，否則能耗將大幅增加，光源壽命大幅減小。圖(1-5)為250W高壓鈉燈和200W的LED燈在不同電源電壓下的功率曲線圖。

　　從圖中可以看出，在夜晚電源電壓高達250V左右時，高壓鈉燈(含鎮流器)的功率為378W，較額定值增加了40%。在這種電壓下，鈉燈的壽命(亮度衰減50%時的工作時間，一般額定狀態下為2萬小時)會大幅折減，幾乎不足額定壽命的30%。這就是鈉燈用于路燈時實際功耗遠遠超出額定功耗的主要原因，也是夜晚越點越亮的主要原因。而LED燈的功耗幾乎不隨電源電壓變化。這又為節能提供了相當大的空間。

　　2.4 維護系數

　　通常在設計燈具功率時，必須考慮一定的維護系數，以確保運營過程中當光源亮度衰減和燈具受到污染而使亮度下降30%以上時，其照明強度依舊能夠滿足規范要求。在《公路隧道通風照明設計規范》中，維護系數取0.7。如某一隧道基本照明選用100W的燈具亮度剛好滿足規范要求，則在實際設計時必須選用功率大于143W的燈具。即使這樣，也還是會有風險，因為倘若光源光效稍微差一點，就有可能造成運營一段時間后亮度低于規范要求。因此為了確保隧道照明始終能夠滿足規范要求，通常設計時還需要考慮一定的設計冗余。一般在1.2倍左右。上面100W剛好滿足的燈實際的設計功率應在170W左右才符合要求。在實際運營期間，如果單側開燈，則亮度不夠，如果雙側開燈，則過度照明現象嚴重，這是恒定亮度燈具的一大弊端。如果采用LED亮度無級控制，即可有效地防止由于設計維護系數和冗余所產生的電能浪費現象。

　　3 合肥壽春路隧道LED照明亮度智能無級控制

　　目前隧道照明的能耗有70%左右是浪費在過渡照明上。因此，隧道照明節能，首先必須從減少過度照明著手。若要減少過度照明，就要求照明燈具的功率能夠根據需要進行調控。那種用單純減小燈具設計功率以減少過度照明的方法是不可取的。因為這種方法會使照明系統運營一段時間后亮度就會低于規范要求。到那時，除非增加燈具數量，否則就只有采用降低行車速度或頻繁更換光源的方法來解決了。調整照明強度有兩種方式，一是采用多回路進行分級調光。通常最多只分到6級，即白天4級，夜晚2級。這種簡單分級方式依舊存在較為嚴重的過度照明。二是采用無級調光。這種方式只需要二個回路，即基本照明回路和加強照明回路。這種無級調光方式是基于LED光源基礎上實現的。它可使燈具亮度根據需要任意調整，隧道內需要多亮，照明燈具就提供多大的亮度，在滿足規范的前提下避免了過度照明，最大限度地節約了電能。2008年10月份通車的合肥市壽春路隧道就是采用這一方案的典型工程。

　　3.1系統結構

　　圖(2-1)為壽春路隧道LED照明亮度智能無級控制系統實施方案。洞外亮度監測裝置將檢測到的隧道洞外亮度信號傳送至控制裝置上，再由其換算后輸出0～5V直流模擬信號去控制LED燈具的輸出功率，從而達到控制被照場所亮度的目的。

　　圖(2-2)為采用LED亮度智能無級控制的合肥市壽春路隧道，為雙向4車道。

　　圖(2-3)為安景高速公路前家山隧道LED照明亮度智能無級控制現場圖片。從圖中可以看出采用LED光源光線明快，色彩清晰。

　　3.2控制方式

　　3.2.1基本照明控制

　　隧道內基本照明的特點是工作時間長，需要24小時持續照明。根據這一特點，在設計基本照明亮度時考慮了足夠的冗余量。但在使用時，我們并不需要將設計冗余全部用上，即滿功率工作;而是需要多少功率就提供多少功率。在未來若干年內，當燈具出現一定的光衰時，可通過控制系統相應增加燈具的輸出功率，使隧道內的基本照明強度始終都能滿足規范要求而又不會產生過度照明。

　　3.2.2加強照明控制

　　隧道加強照明燈具早晨開啟和晚上關斷的時間以及燈具開啟后的亮度調節均由控制裝置進行控制。控制系統根據檢測到的洞外亮度數據，經計算后去控制洞內燈具的輸出功率。這種自動跟蹤洞外亮度，調節洞內亮度的照明方式，有效避免了過度照明，實現了按需照明的目標，最大限度地節約了電能。

　　3.2.3應急照明控制

　　隧道的應急照明燈具又兼做基本照明燈具，均由EPS電源供電。當市電斷電時，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。這使得系統在市電斷電情況下應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生。

　　4 LED調光控制的優越性

　　隧道采用LED照明亮度智能無級控制系統后，節能只是其優越性的一個方面。由于節能，它的工作溫度絕大部分時間都處在一個較低的水平。而工作溫度的降低，又會衍生出其他的效益：

　　(1)亮度無級控制，比分級控制的同類燈具更節能40%，比鈉燈照明節能70%～90%。

　　(2)由于一年中只有夏天的中午，加強照明燈具才接近滿功率工作，大多數時間均在10%～60%的功率下工作;而基本照明的設計冗余留到遠期再用，近期的工作功率也低于燈具的額定功率。這使得燈具和電源的長期工作溫度非常低，不僅可大幅減小LED的光衰，還延長了LED和電源的壽命。

　　(3)下半夜功率可同步減半，燈具配光特性保持不變，避免了單側關燈所產生的危及行車安全的斑馬效應。

　　(4)系統設計簡單，只須2個回路，即一個基本照明回路和一個加強照明回路。基本照明又兼應急照明;當市電斷電時，所有基本照明的功率均降至額定功率的10%，從而確保了照度的均勻性。

　　(5)當隧道未達到設計車流量時，可依據規范對洞內照明強度進行相應折減，折減量可根據需要任意設定，以確保在滿足規范的前提下最大限度地節約電能，避免過度照明，使系統真正實現了設計師們追求的按需照明的設計理念。

　　(6)與分級調光系統相比，該系統可節約相當數量的電纜、控制箱及相應電氣的費用。

　　5 LED調光控制的經濟性

　　在計算鈉燈分級調光照明系統與LED智能無級控制系統投資運營費用對比時，我們選取了一條2km的隧道作為對比隧道。該隧道設計時速80km/h，單向2車道，設計車流量700輛/h。隧道路面寬度10.5m，采用水泥路面。

　　圖(3-1)為鈉燈分級調光照明系統與LED智能無級控制系統各項費用的投資運營對比直方圖。投資費用包括燈具、電纜和電氣設備(包括變電站、應急電源、配電箱(柜)以及燈具以外的電器等)。天氣情況按每年晴天165天，云天100天，陰天50天和重陰天50天進行計算。電費按商業用電價1元/kWh計算。

　　從圖(3-1)中可以看出，兩種方案一次性投資費用相差并不大，但由于LED燈每年可節省近40萬元電費，若隧道在設計車流量條件下按規范要求開燈，則不到3年即可收回增加的投資。

　　6 結束語

　　本文的工作主要有5點，1)洞外亮度、光源、電源與設計的冗余系數大小是隧道照明能耗的主要影響因素;2)采用LED隧道照明可簡化供電回路設計，節約電纜與變壓器的投資;3)LED調光控制可基于洞外亮度與交通量，實現按需照明，大大減少照明能耗;4)雖然目前LED隧道燈比高壓鈉燈貴，但實現調光控制后這具有顯著的經濟效益，投資回收期一般為3年左右。

　　參考文獻

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　　*交通部西部項目滬蓉西公路隧道(群)安全與節能技術研究