工程概述

　　随着公路建设的发展，公路隧道会日益增多。为了节约能源、保护环境，提高公路隧道照明质量，同时也是为了适应公路隧道营运管理的可持续发展，因此结合隧道特殊的照明环境和视觉现象，寻找合理新型的照明理论和技能光源就显得十分必要。

　　望天堡隧道位于沪蓉国道主干线支线分水岭(鄂渝界)至忠县高速公路上，是《山区高速公路隧道节能型照明系统研究与应用》科研项目的依托工程之一，该隧道的平纵主要参数见表1

　　表1 隧道基本参数表

　　本方案设计

　　1、以单一行车下坡的右洞基本照明为对象;

　　2、运用可见度、中间视觉、等效亮度等国际新照明理论;

　　3、隧道中间段采用新型照明光源(如LED灯和LVD无级灯)与隧道传统照明光源(高压钠灯HPS)比较;

　　4、隧道加强照明仍选用穿透能力墙、发光效率高的250W、150W、100W高压钠灯分别对隧道入口段、过渡段1、过渡段2和出口段照明。

　　隧道营运照明系统方案

　　根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999)和重庆高发司发布的《重庆高速公路隧道运营通风照明供配电设计指导意见》，结合《子课题1：照明设计参数研究》之《隧道等效亮度研究》中间成果。课题组对望天堡隧道右洞基本照明拟定了以下三个照明方案：

　　方案一：隧道专用LED照明;

　　方案二：隧道专用LVD(无级灯)照明;

　　方案三：隧道专用100W高压钠灯(HPS)。

　　方案一：隧道专用LED照明

　　1、LED照明基本原理

　　LED灯(发光二极管)是由p型和n型半导体组成的二极管。在LED的p-n结附近，n型材料中多数戴流子是电子，p型材料中多数戴流子是空穴。p-n结上未加电压时构成一定的势垒，当加正向偏压时，在外电场作用下，p区的空穴和n区的电子就向对方扩散运动，构成少量载流子的注入，从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合，同时释放处相对应的能量hv(h为普朗克常数，v为光子频率)而发光。

　　2、LED等效亮度研究主要结论

　　根据《子课题1：照明设计参数研究》之《隧道等效亮度研究》中间成果，将拟合得到的LED照明条件下反应时间与背景亮度之间的关系式求出反应时间相等时LED对HPS的亮度对比系数R(L)。见表2

　　表2 LED对HPS的亮度对比系数R(L)值

　　对实验采用的各种视标对比度平均效果而言，LED仅需产生2.00.4777=0.9554(cd/m2)亮度值即可获得HPS产生2.0cd/m2亮度时的反应时间，即LED产生0.9554(cd/m2)亮度的照明效果与HPS产生2.0cd/m2亮度的照明效果是等效的。

　　根据算出的亮度对比系数R(L)和灯具光效灯基本参数，结合ERS=ηs/ηnps/R(L)S，ηsrs=ηhpsERs，可算出LED对HPS的相对光效，即折算光效。见表3

　　表3 LED对HPS的相对光效和折算发光效率

　　注：LED灯为固体发光光源，不同于高压钠灯等气体发光光源。因此不同厂家生产的LED光源在色温、发光颜色均有很大差别，这样会直接导致视觉反应时间不同。以上表格只能反映课题组对实验测试某LED光源的数据。

　　3、系统设置

　　望天堡隧道基本照明设计选用50W的LED灯具。

　　由于实验采用LED与本方案的灯具功率不同，所以考虑一定的灯具换算系数。具体参数见表4

　　表4 方案一LED照明设计参数

　　4、隧道照明控制

　　在深夜交通量较小时，可采用回路控制开启基本照明2/3或者1/3的灯具，也可采用光带连续无级调光。其余时间段，开启所有的基本照明灯具。

　　5、LED照明的优缺点

　　优点

　　(1)高显色性：可用于隧道照明的大功率白光LED显色指数可达80以上，比较接近白热光色，更有利于洞内路面障碍物的识别和判断，缩短反应时间，提高行车安全性。

　　(2)高节能性：其中包含两个方面，一是灯具本身的电光功率转换接近100%;二是根据基于反应时间的等效亮度科研结论，在路面照明效果而言，若提供2.0cd/m2的路面等效亮度，LED灯具比传统高压钠灯节能约50%;

　　(3)长寿命：LED灯为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达(6-10)万小时，比传统光源寿命长10倍以上;

　　(4)响应时间短：其白炽灯的响应时间为毫秒级;LED的响应时间为纳秒级，可以高频操作;传统高压钠灯从启动到100%光输出需要(6-10)min左右;

　　(5)高健康性：LED灯光线稳定性好，灯具光线本身无频闪;LED光谱中没有紫外线和红外线，不产生有害辐射;比普通荧光灯、高压钠灯和金卤灯等比较，LED灯不容易导致视觉疲劳;

　　(6)高环保性：由于采用电致发光的远离，没有有害金属汞污染问题，废物抗议回首。冷光源发热量低，没有热辐射;

　　(7)体积小，结构紧凑，配套设施少，安装维护方便。

　　缺点

　　(1)温度猝灭效应：LED灯最怕高温，室内普通照明一般采用5W以下的小功率LED灯。而隧道内照明需要使用大功率的LED灯，如30W、50W、100W等，如果没有解决好散热问题，就会导致LED灯发光效率急剧下降，甚至产生温度猝灭效应;

　　(2)封装技术要求高：目前LED工程照明应用的通常做法是将几十甚至几百个小功率(一般不超过1W)LED单颗小灯拼装而成，叠影多，容易引起视觉疲劳，而隧道照明每盏灯需要单独光源，大功率单独光源的LED灯封装技术要求高;

　　(3)需要解决配光问题：目前市场上多数宣称可用于工程照明的LED灯，都还需要面临即决灯具配光问题;

　　(4)价格昂贵：初始投资成本高，目前市场基本能用于隧道照明的LED灯，其价格是传统高压钠灯的3倍左右;

　　(5)灯具使用末期需要整体更换灯具，不能象高压钠灯那种仅更换光源即可。

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　　方案二：隧道专用无级灯(LVD)照明

　　1、LVD照明基本原理

　　无级荧光灯故名思就是不带电极的光源。该光源由高频发生器、功率耦合线圈、无级荧光灯管组合而成的。通常其灯管是一个真空放电腔体，一段设置汞齐(固汞)，放电腔内填充缓冲放电气体，形成连续的闭合放电环路，通过线圈电流产生交变磁通量，进而又沿放电腔产生感应电场来维持放电，使汞原子激发和电离产生的紫外线激发稀土三基色荧光粉发出可见光。其发光原理与荧光灯没有本质的区别。

　　2、LVD等效亮度研究主要结论

　　根据《子课题1：照明设计参数研究》之《隧道等效亮度研究》中间成果，将拟合得到的LVD照明条件下反应时间与背景亮度之间的关系式求出反应时间相等时LVD对HPS(高压钠灯)的亮度对比系数R(L)。见表5。

　　表5 LVD对HPS的亮度对比R(L)值

　　对实验采用的各种规标对比度平均效果而言，LVD需产生2.2408(cd/m2)亮度值方可获得HPS产生的2.0(cd/m2)亮度的照明效果是等效的。

　　根据算出的亮度对比系数R(L)和灯具光效等基本参数，结合ERS=ηs/ηnps/R(L)S，ηsrs=ηhpsERs，可算出LVD对HPS的相对光效，即LVD光源的折算光效。见表6

　　表6 LVD对HPS的相对光效和折算发光效率

　　3、系统设置

　　望天堡隧道基本照明设计选用100W的LVD灯具。

　　由于实验采用LVD与本方案的灯具功率不同，所以考虑一定的灯具换算系数，具体参数见表7。

　　表7 方案二LVD照明设计参数

　　4、隧道照明控制

　　在深夜交通量较小时，可采用回路控制开启基本照明2/3或者1/3的灯具，也可采用光带连续无级调光。其余时间段，开启所有的基本照明灯具。

　　5、LVD照明的优缺点

　　优点

　　(1)高显色性：显色指数达88，高亮度、低眩光、光色度接近太阳光，光线柔和，能真实的呈现出被照物体的自然光泽;

　　(2)长寿命：无级灯没有灯丝和惦记，激励源在灯泡外，使自身的发热量仅为高压钠灯、金卤灯的1/4以下，灯泡寿命仅决定于荧光粉的自然衰减，以上的诸多优点使无级灯的寿命达60000小时以上;

　　(3)良好的可调光性：通常随交通量和时间的变化，隧道内中间段照明应该相应地改变照明亮度，而LVD感应无级荧光灯具备在其额定功率30%～100%的范围内，都可稳定工作的良好调光性能，不单可以节约能源，同时也能减少光污染的产生;

　　(4)高环保性：低重金属污染;由于LVD感应无级荧光灯内是使用特制主汞齐和辅助汞齐技术，而不是直接充入液体汞，极大地降低了生产过程中的汞污染;而它的超长工作寿命，使实际应用的汞消耗量和废弃光源数量都较荧光灯大大减少，从而有效降低了对环境的汞污染。

　　(5)启动快：瞬间启动，只要0.5秒，无须预热，并可以重复启动。

　　(6)环境适应性强：工作温度在-20℃～+50℃，输入电压自阿88V～265V范围内波动，灯泡能照常启动工作，并且输出的光通量恒定。

　　缺点

　　(1)本科研实测的LVD等效亮度远远不及LED灯，在相同的反应时间下，需要LVD提供高于HPS的亮度水平;

　　(2)价格昂贵;初始投资成本高，目前市场上隧道照明LVD灯，其价格是传统高压钠灯的2.5倍左右;

　　(3)电磁干扰：实验证明，无级灯容易受到其他电磁干扰;同时，由于LVD灯内是采用无线电电磁波，其工作原理决定附属产物会或多或少产生电磁波。加上隧道特殊的封闭环境，使得这些电磁波不能很快的散发，隧道内其他供配电设备与无级灯会存在相互干扰，影响。

　　(4)灯具使用末期需要整体更换灯具，不能象高压钠灯那样仅更换光源即可。

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　　方案三：传统的隧道专用高压钠灯(HPS)照明

　　1、设备选型与系统设置

　　本方案基本照明采用功率为100W的HPS高压钠灯，具体参数见表8。

　　表8 方案三HPS照明设计参数

　　2、隧道照明控制

　　在深夜交通量较小时，可采用回路控制开启基本照明2/3或者1/3的灯具。其余时间段，开启所有的基本照明灯具。

　　3、HPS照明的优缺点

　　优点

　　(1)发光效率高：HPS灯的发光效率高达(100～130)lm/W，而LED灯为(65～80)lm/W，LVD灯为(75～85)lm/W;

　　(2)穿透能力强：对隧道内的烟雾具有很强的穿透性，特别适用于重交通隧道照明;

　　(3)寿命相对较长：一般的高压钠灯寿命可达2400h;

　　(4)价格便宜：隧道专用100W高压钠灯一般工地价格在800元/套，是LED灯和LVD灯的(1/3～1/2)。

　　缺点

　　(1)低显色性：高发光效率的黄色光源高压钠灯的显色指数一般为25～30;

　　(2)启动慢：高压钠灯在通电(5～10)min左右的时间，才能达到正常的亮度，再次启动的时间间隔一般要大于5min;

　　(3)功率因素低，需要配置电感镇流器，灯具配套的电器元件在线电力损耗大;

　　(4)一般不能单灯连续无级调光;

　　望天堡右线基本照明方案比选：

　　各方案主要经济比较见表9。

　　表9 望天堡隧道右线基本照明方案经济比较表

　　备注：表中三种照明方案营运费用均是按照电费0.8元/度、一年365天计算。其中方案一和方案三中基本照明灯具的一半按全天开启、另一半按每天开启16小时计。LVD感应无级荧光灯具备在其额定功率30%～100%的范围内，都可稳定工作的良好调光性能，所以方案二照明灯具的一般按100%额定功率全天开启、另一半只按40%额定功率开启。

　　根据科研结论和商标可知：

　　(1)在满足隧道照明功能要求、保证行车安全的前提下，方案一LED灯照明系统的总功率最小，年耗电量也最小;方案二无级灯(LVD)次之;方案三高压钠灯(HPS)灯的照明年耗电量最大;

　　(2)由于目前LED灯、LVD灯的价格昂贵，因此在灯具的初期投资方面，方案一方案二的均较高，为方案三的3.8倍;

　　(3)在照明系统的配套设施方面，方案一比方案二、方案三具有明显优势;

　　方案一、方案二的灯具作为新型照明产品，在刚投入市场初期，鉴于生产技术成本、市场竞争环境等各方面因素，存在一定程度和一定时间段的高价是可以理解的。虽然按照现行市场价格而言，方案一的总体造价和10年运营费用比方案三相对较高，但由于方案一的节能效果比方案二、方案三具有明显优势，同时作为《山区高速公路隧道节能型照明系统研究与应用》科研项目的依托工程，可通过具体工程时间来进一步验证方案一的实际节能效果和照明系统的综合可靠性。

　　因此，本设计推荐方案一作为望天堡隧道节能照明。

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