公路隧道LED燈應用探討

涂耘 王少飛 鄧欣 李科 陳建忠

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司 隧道建設與養護技術交通行業重點實驗室，重慶 400067;2.國家山區公路工程技術研究中心，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，其照明節能問題逐漸得到相關行政機構、運營公司、科研院所和社會團體的高度重視。作為技術性節能［1－2］的一項重要措施，公路隧道照明采用“綠色光源”已為業界廣泛認同，并得到示范工程應用。本文對公路隧道LED燈的工作原理及優點進行了分析，在此基礎上結合中間視覺反應試驗結果，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燈應用示范隧道工程為例，對其節能效益進行分析，以期為公路隧道LED燈推廣應用提供技術參考。

圖1 我國公路隧道發展狀況 (2000～2010)

2 LED燈工作原理及其優點

LED(Light Emitting Diode，發光二極管)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光原理迥異，LED自發性的發光是由于電子與空穴的復合而產生的 (如圖2所示)。白光LED的出現為半導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，多芯片混合發出白光。

LED照明產品之所以受到重視，主要由于其具有以下優點:①壽命長，國外有學者認為其使用壽命可長達20年;②更節能，利于環保;③光方向性強，光通量利用率高;④白光色溫可調;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，有利于燈具設計。

圖2 LED工作原理

具體至公路隧道工程應用而言，LED燈則具有無可比擬的優勢:①為定向光，燈具利用系數可高達0.8～0.9;②顯色指數高，有利于保障公路隧道行車安全;③可無級調光，實現“按需照明”;④使用壽命較長，可節約大量養護管理費用;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目標的反應時間。視覺功效法可模擬實際視覺作業環境，以直接評價不同照明條件下操作者視覺作業能力和建立以反應時間為基礎的視覺模型，從而評價人眼真實的視覺功效。在中間視覺范圍內，反應時間與亮度水平、視標對比度、視標偏心角等因素有關。但當背景亮度、視標對比度、視標偏心角一定，以與光源光譜成分直接相關的光源色溫為唯一變量時，反應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境，測量人眼在隧道照明條件下觀測視標的反應時間，以獲得反應時間與各種隧道照明因素 (實驗參數)之間的變化關系。

1)反應時間與背景亮度關系

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)的反應時間如圖3所示。研究結果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，測試者反應時間沒有明顯區別，相對于MH和LED，反應時間都較長;五種光源中，在LED下反應時間最短，其次是MH。這說明若以反應時間作為參考指標，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 五種光源下的反應時間與背景亮度的關系

2)視標對比度對反應時間影響

在視標對比度C為0.2和0.5時，反應時間與背景亮度的關系如圖4～圖5所示。研究結果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，測試者反應時間沒有明顯區別，相對于MH和LED，反應時間都較長;五種光源中，在LED下反應時間最短，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時間與背景亮度的關系

3)偏心角對反應時間影響

圖5 C=0.5時五種光源下的反應時間與背景亮度的關系

視標偏心角為0°、10°和20°時，測試者在五種光源下的反應時間如圖6～圖8所示。研究結果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，測試者反應時間沒有明顯區別，相對于MH和LED，反應時間都較長;五種光源中，在LED下反應時間最短，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下反應時間最短，在HPS、CFL和LVD下測試者反應時間沒有明顯區別;在低亮度 (背景亮度低于2.5cd/m2)時，在MH下反應時間大于LED，但明顯小于在另外三種光源下的反應時間，當背景亮度在2.5cd/m2及以上時，在MH下的反應時間大于在LED下的反應時間，但已與在其他三種光源下的反應時間沒有明顯區別。

圖6 θ=0°時五種光源下的反應時間與背景亮度的關系

3.3 隧道照明等效亮度

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

圖8 θ=20°時五種光源下的反應時間與背景亮度的關系

表1 MH、LED、CFL和LVD對HPS的亮度對比系數R(L)

4 公路隧道LED燈照明標準

結合國內外公路隧道LED燈照明理論研究與工程應用［5－8］，建議通風狀況良好、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燈應用示范

正在建設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)，已作為國家發改委、住建部和交通運輸部組織實施的“半導體照明產品應用示范工程”。采用本文理論研究成果，優化設計后的隧道中間段照明經濟效益分析見表3。

據統計，每節約1度 (kW·h)電，就相應節約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］。經計算分析可知，該項目預計年運營節電296.77萬度，節約標準煤1187.08t，減排碳粉塵807.21t、CO22958.80t、SO289.03t、氮氧化物 44.51t。不僅經濟社會效益相當可觀，生態效益也極為明顯。

表3 高壓鈉燈設計方案與LED燈設計方案經濟效益對比表 (基本照明)

6 結語

(1)LED作為“第四代光源”，與傳統光源相比具有無可比擬的優勢，將LED燈應用于公路隧道，對于降低用電能耗、緩解用電壓力、建設“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燈產生1.15cd/m2的照明效果與高壓鈉燈產生2.5cd/m2的照明效果是等效的。

(3)在理論研究成果的基礎上，首次明確提出公路隧道LED燈照明標準，并建議通風狀況良好、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燈應用于公路隧道基本照明，不僅經濟社會效益相當可觀，生態效益也極為明顯。

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

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