LED灯在高速公路隧道照明中的应用分析

LED灯在高速公路隧道照明中的应用分析

柴少强

中交一公局第七工程有限公司，河南 郑州， 451450

摘 要 有“固态照明光源”之称的LED目前已成为人们日常生活中最热门、最瞩目的光源，也是该行业内的发展热点。随着LED技术的成熟以及价格的下降，LED光源已逐步进入路灯和隧道灯等功能性照明领域，取得了良好的照明效果，得到了客户的认可，市场渗透率逐年提高。本文通过对LED灯在隧道照明中相比其它类型光源的优势、以及LED灯在隧道照明中的最优配置方案进行分析、探讨，旨为隧道照明联合设计（设计超前策划）提供技术参考与支撑，提高联合设计的质量，创造经济与社会效益。

关键词 LED光源；高速公路隧道；照明系统；最优配置

中图分类号：TU 44 文献标志码：A

引言

长期以来，高速公路隧道、城市地下隧道照明常见的有高压汞灯、节能灯、高压钠灯、荧光灯、LED灯等多种类型^[1]。随着国内科学技术与社会经济的发展，人民群众对健康、人文、节能、环保等方面的需求日益俱增。因此，近年来，隧道照明已逐渐淘汰对能耗大、寿命短、高污染灯具的使用。目前，市场上普便使用的光源有节能灯、高压钠灯、荧光灯、LED灯等，其中LED灯最具发展前景^[2]。在北京奥运会中，LED技术被广泛应用于奥运会场馆、奥运村及城市建设照明和全彩显示领域，让世人为之震撼^[3]。同时随着LED技术的成熟以及价格的下降，LED光源已逐步进入路灯和隧道灯等功能性照明领域，取得了良好的照明效果，得到了客户的认可，市场渗透率逐年提高。

国内隧道照明主要遵循《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01-2014)^[4]进行设计。现阶段，大多设计方一般依据以往案例经验，在高速公路、市政公路隧道照明的最初设计方案（施工图阶段）中，选择相对传统、相对普及的光源，包括高压钠灯、荧光灯（日光灯）等照明设备。部分项目，尤其是近年设计的线路，设计阶段会首选当前颇具优势的LED光源，或者会有多种光源搭配的设计。但是，近几年的一些案例表明，施工方进场后，在联合设计阶段，本着追求高水平的技术质量、经济效益及运营维护的目的，最后均通过联合设计确定隧道照明采取以LED光源为主^{[5, 6]}。

当前隧道照明的主流研究是对照明系统配置方案的探索，主要进包含以下方面研究：①确定布置灯光的方案，来消除“黑洞效应”和“白洞效应”等问题；②设计照明系统的控制系统，对隧道的照明进行动态控制；③建立亮度递变效果，入口端呈三级或四级阶梯状递减，出口段呈两级阶梯状递增。

本文根据承建的贵州沿德高速、河南登汝高速、重庆九永高速等多个隧道照明（联合）设计与优化方案，在所掌握的当前学界主流研究成果的基础上，对比分析LED灯相比其它类型光源在隧道照明中的优势并对隧道照明系统的最优配置方案进行分析与探讨。

1 不同类型光源在隧道照明中的对比

1.1 分析因素与研究方法

从工程建设角度出发，并考虑隧道条件的特殊性，选择照明光源的主要因素有使用寿命、节能与成本、绿色环保、启动调节性能、运营质量等，其它关键的指标还有均匀度、显色能力等，由于隧道截面较小，一般对穿透力不要求。关于隧道照明光源选择，需平行考虑多因素（各因素间互不干扰）。因此，以通过单因素逐项展开分析，然后综合对比。

期望光源为LED灯，参与对比分析的主要光源有高压钠灯、荧光灯（日光灯）。在具体分析探讨时，以理论分析为基础，通过现场实践验证、市场调研与技术资料进行验证，得出客观的、具有说服力的结论。

1.2 具体指标分析与对比

（1）平均寿命

隧道照明的使用需要长时间点亮，因此平均寿命与节能要求最为基本。LED灯的发光原理属电场发光，为冷光源（但光色可调），不同于其它光源基于高压、高频类的热发光或化学发光，因此不存在灯丝易烧、热沉积、明显光衰等缺点；另一方面，LED结构上是固定芯片，多采用环氧树脂封装，抗震动，无任何松动风险，使用可靠。因此故障率最低、平均使用寿命最长。根据相关资料，以100W灯具为例，平均寿命（样本中50%的灯具全部损坏或更换）LED灯为50000小时、高压钠灯22000小时、荧光灯20000小时。

例如，河南登汝高速公路16年通车，其隧道口与场区使用的高压钠灯，LED与高压钠灯的数量均有200余套。根据近几年的维护记录，LED灯仅更换过一例驱动器，光源未出现问题，而高压钠灯因异常供电更换过2例。贵州沿德高速公路隧道中采取LED灯、高压钠灯、荧光灯多种光源搭配的模式，后期的维护中，也一样，LED灯无一例质量问题。

（2）节能与成本

LED是二极管一种，利用半导体的电光原理发光，基本不存在能量损耗，电光转换率接近100%。重庆九永项目设计前期（初步设计阶段），配合业主，为确保隧道照明光源的最优选择，进行了简单的验证试验，并对市场进行了调研：取几种使用效果较好的灯具，单盏测试、功率分别为40W与100W，建立统一的模拟环境，进行照度检测，通过公式测算光通量（lm）。计算公式为

E=ｎ×Hφ×0.6×K/S (1)

其中：E为受照面的照度，S为受照面积，n为灯盏数取1，K为灯型系数取1，Hφ为光通量（光源发光水平的基本表达，等同于光的功率）。计算结果如表1所示。

表1 不同隧道灯计算光通量及光效对比

参照对比白炽灯光效不超过25 lm/W，节能灯不超过65 lm/W。显然，LED灯的节能效果、建造成本均为最优。在常见的隧道光源类型中，LED灯相比其它光源节能50%以上；同等照明需求下，采购成本节约20%以上（对高压钠灯），与荧火灯成本相近。此外，通过以上试验检测的数据以及收集到的资料来看，越小功率LED灯的光效越好。

（3）绿色环保

由于荧光灯含汞、铅等重污染源，目前在隧道照明中已有被淘汰的趋势。目前，高压钠灯均为氖气加压，使用过程中虽然不产生有害物质，但其光谱中含有紫外线和红外线，会对环境产生光辐射污染，使用范围受限。荧光灯、高压钠灯及其它传统光源一般都为交流驱动，产生高压、高频，光线实质上是一闪一闪发出的，存在频闪危害；再者，光照的均匀度一般，会产生不同程度的眩光。这些缺点，不论是行车及其它用户，会增加用眼疲劳以及精神疲惫感，达不到绿色、人文的需求。

而LED光源因持续直流电源所以无闪频，因冷光源所以无辐射，因为可由大量灯珠任意组合，所以均匀度好、眩光也相对小，基本上可达到了绿色环保的要求。并且，随着LED技术高速发展，目前市场常见LED芯片的光效已经接近170 lm/w，并且随着技术的发展，还有增加的空间。从节能角度来说，这将是一笔很大的电力节省。

（4）启动调节性能

传统灯具对于电压、电流都较为敏感，任何的异常都会在照明功能上反应出来，如高压钠灯在电压不稳定的情况下，光源的功率也会随着电压的变化而变化，电压太低时灯具启动不了；电压太高时光源超过额定功率工作，影响光源的寿命。而LED灯具在一定的范围内可以通过调整电流，实现平滑的光输出变化，这也为无级调光提供可能。利用好这一点，LED灯在隧道照明中将有更为优异的表现。

图1单向交通隧道高压钠灯、LED灯照明系统分段图

图2双向交通隧道高压钠灯、LED灯照明系统分段图

如图1和图2所示，为公路隧道照明设计细则中关于单向和双向交通隧道照明系统的分段图，高压钠灯不宜调光，需要在不同照明段设置不同功率灯具，相邻两个照明段之间亮度阶梯型过渡，这种亮度的突变（如图1a和2a所示），在一定程度上也大大增加了隧道内的交通安全隐患，而LED灯具可以无级调光，根据隧道设计参数和人眼的适应曲线，设定好整条隧道的调光模式（如图1b和2b所示），进入隧道后亮度会有个平滑的过渡，有效的解决了高压钠灯的不足，让驾驶员在隧道内行驶会有更好的驾驶体验，大大减少了交通事故。

（5）运营质量

对比以上分析，LED灯故障率低，使用寿命长，能有效降低隧道照明的管养费用。另外，在工程实践中，LED灯具有分级配置功率、无级调光、自动化智能控制等特性，能做到不同车流、不同自然光线下，自动提供对应的照明需求，将最大限度节省电能，提供更为舒适的行车用户服务。同时，LED灯有助于将隧道照明纳入远程监控系统，整体上实现信息化、智能化的运营管理模式。

1.3 其它关键指标对比

除以上5个方面以外，显色能力、不均匀度、眩光、闪频等指标直接关系行车用户的用眼疲劳及精神亢奋度，显然，LED灯在这些方面均有优势，能给用户带来更好的使用体验。

目前，用于照明的白光LED光源，显色能力与荧（日）光灯接近，远优于高压钠灯；并且LED可提供全色温段。这些优势，使LED光源对于物体本来颜色的还原性更强，更趋向于白天照明。LED为电场发光，加上光源为一系列灯珠发光，光线均均度较好，对行车用户产生的眩光较低。LED灯为直流驱动，不存在闪频。

2 隧道照明配置方案分析

2.1 分级配置亮度

鉴于LED光源的优越性能，为了实现隧道最好的照明效果，针对隧道照明中众多灯具，可以从亮度（功率）的分级配置上，进行合理设计，以达到最优的配置方案。

隧道照明设计的目的在于解决驾驶员驶入或驶出隧道时所产生的黑洞和白洞效应，而机动车驾驶员行车时，视觉感受到的是路面亮度，因此以路面亮度作为照明指标较为科学合理。驾驶员在白天驶入隧道后，隧道亮度应该逐渐减弱，驶出出口段之前要逐渐增强，隧道整体的照明梯度应当呈现个内凹形分布，这样才更符合驾驶员的视觉特性。

（1）入口段照明

入口段作为驾驶员驶入隧道的第一个阶段，也是最易产生黑洞效应的一段，其对于照明的要求也是整条隧道中最高的。入口段照明亮度和长度跟洞口亮度、设计车流量和设计速度有直接关系，一般会划分为TH1、TH2两个照明段，对应的亮度分别为

Lth1=K×L20(S),Lth2=0.5×K×L20(S),其中Lth1为入口段1亮度，Lth2为入口段2亮度，L20(S)为洞外亮度，K为入口段亮度折减系数。

（2）过渡段照明

过渡段根据隧道长度一般划分为1到3个区段，各段的长度基本上沿着CIE有关标准规定的适应曲线划分。

（3）中间段照明

驾驶员经过入口段和过渡段后，已经完全适应隧道灯内环境，中间段只需要提供隧道内基础照明即可，但为了给驾驶员提供更好的能见度和视觉舒适性，还是要保证隧道亮度的均匀度，标准要求总亮度均匀度U0不小于0.4，路面中线亮度纵向均匀度Ul不小于0.6。

（4）出口段照明

驾驶员从暗环境中走出适应明亮环境的速度相对较快，但在出口附近，前车背后的小型车辆常难以发现、视认，容易发生车祸。设置出口加强照明后，更有助于消除此类时间问题。

（5）洞外引道照明

以下路段可设置洞外引道照明：隧道外引道曲线半径小于一般值的路段；隧道设夜间照明且处于无照明路段的洞外引道；隧道与桥梁连接处、连续隧道间的路段。

2.2 自动化智能调光

在设置分级亮度的基础上，为得到更适应行车中人眼对光线需求的亮度配置，隧道照明中，还应达到更加柔和的光线变化、更加智能的控制方式，才能更好保障隧道内的行车安全。

通过电力载波+分段供电，或者信号线控制等方式，采取照明系统的无级调光，甚至单灯控制，得平滑的亮度曲线；设置光强检测器，通过PLC编程，进行自动化智能控制。根据隧道参数、设计行车速度与车流量、当地地理位置与自然条件等，设置控制参数，整体可以实现自动化智能调光，隧道的亮度曲线可控可调，实现不同车流、不同自然光线下，提供最适合行车用户的照明效果。

3 LED灯隧道照明案例分析

为了进一步检验LED隧道灯在隧道照明设计中的实际应用效果，以某隧道为实际案例展开了具体分析。该隧道为机场连接市区的主要城市隧道，隧道中采用的LED隧道灯为光学PC、铝合金等材料制成，整灯光效120 lm/w以上，防护等级IP 65。隧道为双洞单向三车道12 m宽度，灯具双向对称布置，安装高度5.9 m，基本照明间距6 m，在入口段、过渡段和出口段分别增加加强照明。各段照明严格按照隧道照明标准计算，利用专业照明仿真软件DIALux对整条隧道做照明设计，如图3所示，选出合适功率和配光。实际应用一段时间后，采用此LED隧道灯之后不仅隧道照明品质明显提升，隧道内的亮度均匀度也达到了0.9以上，如表3所示，视觉效果更好。

图3隧道入口仿真效果图

表2 隧道各段仿真数值计算结果

经过计算，在仅是替换的情况下，整条隧道的节电率为66%，总的节电功率达到250080 W。在本条隧道中引入了智能调光系统，根据隧道的基本参数和人眼适应曲线设定如图4a所示的调光曲线，并按照此曲线对整条隧道亮度进行调光设置，从而实现整条隧道的智能调光。对比图4b中传统灯的功率调整曲线，可以看出LED有明显的优势，更接近人眼的适应曲线，这样的照明效果才能更好的保障隧道内的行车安全。

图4隧道各段亮度调整曲线

4 结语

照明专业化、照明设备智能化将是全球高速公路隧道照明发展的方向，而LED隧道灯具有优越的使用性能。此外，结合隧道照明的配置方案，LED灯具有更广阔的应用价值，更应在今后的隧道照明中推广使用。

参 考 文 献

1. 张亚林. 高速公路中短隧道照明研究[D].湖南大学,2008.

Zhang Yalin. Research on illumination of medium and short tunnels in expressway[D]. Hunan Universitty, 2008.

2. 曾洪程. 基于LED灯应用的高速公路隧道节能照明研究[D].长安大学,2012.

Zeng Hongcheng. Research on energy saving lighting of expressway tunnel based on application of LED lamp [D]. Chang’an Universitty, 2012.

3. 姚梦明.体育照明发展趋势——从2008年北京夏季奥运会到2022年北京冬季奥运会[J]. 照明工程学报, 2020, 31(03): 176-184.

Yao Mengming. Development Trends of Sports Lighting: From Beijing 2008 Summer Olympic Games to Beijing 2022 Winter Olympic Games [J]. Zhaoming Gongcheng Xuebao, 2020, 31(03): 176-184.

4. 中华人民共和国行业推荐性标准，《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01-2014），人名交通出版社。2014年.

5. 韩剑，计春华，LED隧道灯在城市道路隧道照明设计中的应用及评价，《城市建筑》，2015（35）：310-310；

6. 陈斌，庞云，汤健，LED隧道灯在隧道照明中的应用研究，上海国际新光源&新能源照明论坛，2010

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基金项目：中交一公局集团有限公司科技项目（YGJKT-BIM201907）

作者简介：柴少强(1987–)，男，汉族，工程师。