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公路隧道LED照明技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵問題探討
公路建設(shè)的發(fā)展，特別是山區(qū)高速公路建設(shè)的發(fā)展，帶來了公路隧道在規(guī)模和長度上的快速增長。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國公路隧道建設(shè)里程已突破2500km。與此同時，隧道運(yùn)營能耗問題，特別是隧道照明能耗問題，已顯得越來越突出，對構(gòu)建安全和和諧交通環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重影響。
以安徽省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司下屬黃塔桃高速公路和六武高速公路為例，即可充分說明問題。
安徽省黃塔桃(黃山至塔嶺和小賀至桃林)高速公路是國家高速公路干線網(wǎng)中京臺(G3)高速公路和杭瑞(G56)高速公路的重要組成部分。路線全長51.3km。其中起點(diǎn)至小賀段長17.5km，為雙向6車道，設(shè)計速度100km/h，路基寬度33.5m;小賀至桃林和小賀至塔嶺兩段分別長18.5km和15.3km，為雙向4車道，設(shè)計速度80km/h，路基寬度24.5m。
全線共設(shè)置15處隧道，單洞全長28.3km，占全線的27.6%。如采用高壓鈉照明系統(tǒng)，隧道照明燈具總功率達(dá)2076kW，日耗電費(fèi)約2.1萬元，年耗電費(fèi)約7580萬元。
安徽省六武高速公路是國家新規(guī)劃的滬漢蓉高速公路(G42)的重要路段。路線全長90.9km，為雙向4車道，設(shè)計車速100km/h，路基寬度26m。
全線共設(shè)置8處隧道，單洞全長18.4km，占全線的10.1%。如采用高壓鈉照明系統(tǒng)，隧道照明燈具總功率達(dá)1734kW，日耗電費(fèi)約1.7萬元，年耗電費(fèi)約6330萬元。
如何響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，在隧道照明方面最大限度地節(jié)能，是山區(qū)高速公路建設(shè)和營運(yùn)急待解決的問題。
1隧道節(jié)能照明方式
目前，隧道照明可采用的燈具有高壓鈉燈、熒光燈、高頻無極燈、LED燈等。其中，高壓鈉燈和熒光燈基于氣體放電，無極燈基于氣體放電和高頻電磁感應(yīng)的結(jié)合，LED(LightEmittingDiode)即半導(dǎo)體發(fā)光二極管基于注入式電致發(fā)光。
高壓鈉燈是我國目前高速公路隧道照明主要采用的燈具。但新型LED燈具有高效節(jié)能、使用壽命長、維護(hù)方便、工作電壓范圍寬、工作溫度低、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)，是目前高速公路隧道照明強(qiáng)有力的競爭產(chǎn)品。國際上單芯片大功率白光LED在技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)上發(fā)展較為成熟，以其為光源的燈具是市場上的主流產(chǎn)品。本次調(diào)研和比選的結(jié)果限于該類型燈具(表1)。
2LED節(jié)能照明集成技術(shù)
公路隧道照明節(jié)能技術(shù)應(yīng)體現(xiàn)出集成性和原創(chuàng)性，重點(diǎn)通過“環(huán)境節(jié)能、模式節(jié)能、控制節(jié)能”三大環(huán)節(jié)實現(xiàn)。
(1)控制內(nèi)外環(huán)境實現(xiàn)基礎(chǔ)性節(jié)能。一是洞外環(huán)境的把握，要求測定現(xiàn)場洞外亮度，制定洞外減光措施，復(fù)核完工后的洞外亮度，進(jìn)行具針對性的照明設(shè)計和實施前的設(shè)計修正，切實控制隧道照明節(jié)能上的洞外環(huán)節(jié)。二是洞內(nèi)環(huán)境的營造，要求結(jié)合洞內(nèi)裝飾，以分段的方式采在洞內(nèi)涂料上采用高反光材料、自發(fā)光材料等，實現(xiàn)功能與形式的完美結(jié)合。
(2)優(yōu)選照明模式實現(xiàn)核心層節(jié)能。包括照明光源的選擇(高壓鈉燈、高頻無極燈、LED燈等及其組合)、照明方式的選擇(隧道長≤100m、≤300m、≤1000m、>1000m條件下，“不設(shè)照明、誘導(dǎo)照明、標(biāo)準(zhǔn)照明”等的論證)、照明參數(shù)的選擇。
(3)建立控制系統(tǒng)實現(xiàn)高端級節(jié)能。針對洞外亮度、洞內(nèi)交通量和行車速度對洞內(nèi)亮度的影響特點(diǎn)，洞內(nèi)照明控制系統(tǒng)擬由以洞外亮度為標(biāo)準(zhǔn)的無級控制和以洞內(nèi)交通量和行車速度為標(biāo)準(zhǔn)的分級控制組成。
根據(jù)在控制系統(tǒng)與LED照明技術(shù)的結(jié)合上取得的突破性研究成果，以洞外亮度為標(biāo)準(zhǔn)的無級控制由0～5V低壓信號實現(xiàn)。0V和5V分別對應(yīng)燈具最大和最小功率，即燈具的最大和最小照度。白天，初始系統(tǒng)控制電壓設(shè)至5V，置燈具在最小功率狀態(tài)下。此后，系統(tǒng)控制電壓隨洞外亮度的增大或降低而相應(yīng)降低或增大，控制燈具照度和洞內(nèi)亮度的增大或降低。直至轉(zhuǎn)換為夜間照明模式。
以黃塔桃高速公路為例，初步測算通過“環(huán)境節(jié)能”和“模式節(jié)能”環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)隧道照明節(jié)能約50%。用電功率降至1044kW減少1032kW，每年節(jié)省用電費(fèi)用約377萬元。如再通過“控制節(jié)能”環(huán)節(jié)，可進(jìn)一步降低照明能耗。
3LED照明燈具的實用性
使LED燈具在適當(dāng)密度下的照度滿足隧道各段，尤其是加強(qiáng)段亮度要求，在應(yīng)用中受到重點(diǎn)關(guān)注。其中，LED的發(fā)光效率起到關(guān)鍵作用。
(1)LED技術(shù)近年快速發(fā)展，商業(yè)產(chǎn)品發(fā)光效率不斷提高，已達(dá)100～140Lm/W，基本突破大功率、高照度與小體積之間的實用技術(shù)瓶頸。
(2)LED燈具采用白色LED為光源，顯色指數(shù)超過80Ra。在實用中，較低亮度可達(dá)到顯色指數(shù)低的光源的同樣照明效果，即等效亮度。如與顯色指數(shù)60Ra，照度相對值1.6的高壓鈉燈比較，顯色指數(shù)80Ra，照度相對值1.41的LED燈采用的亮度標(biāo)準(zhǔn)可為其的1.41/1.6=0.88倍。
4LED照明燈具的可靠性
LED燈具在公路隧道照明中還處于試驗階段，市場上無統(tǒng)一的定型產(chǎn)品，在型式、組織、結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)上參差不齊。調(diào)研和實驗的初步結(jié)果表明，針對LED技術(shù)特點(diǎn)，對公路隧道LED燈具的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)提出控制要求是十分必要的。
(1)LED模塊品質(zhì)的可靠性。兩種情況下認(rèn)為LED模塊品質(zhì)不可靠，一是在正常工作環(huán)境下LED模塊突然失效，二是在正常工作環(huán)境下LED模塊短時間內(nèi)嚴(yán)重光衰。要求控制貨源以保證質(zhì)量，制定標(biāo)準(zhǔn)并實施檢測。
(2)LED燈具回路的可靠性。LED模塊組合方式有串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)三種，要求以恒流源供電的串聯(lián)電路為基礎(chǔ)，輔助以并聯(lián)斷路導(dǎo)通技術(shù)，以保證LED燈具各回路的可靠性。
(3)LED燈具散熱的有效性。LED燈具良好的散熱可為模塊提供持續(xù)穩(wěn)定的工作環(huán)境，在防止LED模塊工作性光衰，控制LED模塊壽命性光衰上起關(guān)鍵作用。由此要求LED燈具應(yīng)注意“優(yōu)化結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)散熱，保持低溫”。
(4)LED燈具壽命的協(xié)調(diào)性。LED燈具壽命雖然以LED模塊50000h光衰<30%為基礎(chǔ)，但同時也受到燈具導(dǎo)熱件、鋁基板、電路板、反射器等部件的影響。由此要求LED燈具應(yīng)做到“燈具結(jié)構(gòu)模塊化，光源電源分離式”。
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