LED光源在城市隧道照明中的應用與分析

摘要：LED 光源在功能照明中的應用目前是我國照明發(fā)展的熱點(diǎn)，技術(shù)上存在著(zhù)許多需要解決的問(wèn)題。本文通過(guò)對LED 光源在城市隧道照明工程中試驗及具體應用實(shí)例的跟蹤數據，結合LED 光源的性質(zhì)和城市隧道照明的特點(diǎn)，與熒光燈等傳統光源進(jìn)行對比，分析LED 光源隧道燈實(shí)際使用的效果，總結應用中取得的經(jīng)驗及問(wèn)題，闡述其在城市隧道照明中應用的優(yōu)點(diǎn)與存在瓶頸，客觀(guān)*價(jià)其實(shí)際使用壽命及節能效益回報等問(wèn)題，對LED 光源在城市隧道照明中的推廣提出一些建議。

1 前言

自2003 年中國啟動(dòng)國家半導體照明工程以來(lái)，LED 照明產(chǎn)業(yè)被列為國家優(yōu)先發(fā)展的第一重點(diǎn)領(lǐng)域( 能源) 的第一優(yōu)先主題。我國的LED 照明產(chǎn)業(yè)在政策的引導下，政府的大力推動(dòng)下，得到了跨越式的發(fā)展。LED 光源以其環(huán)保、節能、安全、長(cháng)壽命、點(diǎn)光源等優(yōu)點(diǎn)，在信號、顯示、背光源和景觀(guān)照明等領(lǐng)域迅速替代傳統光源，占領(lǐng)了市場(chǎng)。

為了有效引導我國半導體照明應用的健康快速發(fā)展，擴大半導體照明市場(chǎng)規模，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)研發(fā)與創(chuàng )新能力的提高，科技部在21 座城市開(kāi)展LED “十城萬(wàn)盞”應用試點(diǎn)示范活動(dòng)，推動(dòng)LED 光源在城市道路、隧道、橋梁、小區等城市功能照明領(lǐng)域的應用，希望通過(guò)試點(diǎn)工作發(fā)現問(wèn)題、取得經(jīng)驗。2008 年初，我市開(kāi)始在城市功能照明中研究、試驗及應用LED 光源，其中城市隧道LED 光源照明應用已運行近一年，取得大量經(jīng)驗，也發(fā)現不少問(wèn)題。

2 工程項目情況

“隧道LED 光源照明系統應用”課題研究由南京城建項目建設管理公司和南京市路燈管理處共同進(jìn)行，選擇LED 光源照明的隧道既是南京市快速內環(huán)的組成部分，也是城市主干道緯三路的一段，承擔著(zhù)快速交通和城市主干道交通的功能，起點(diǎn)位于金川河，終點(diǎn)位于古平崗。該隧道按雙向雙洞六車(chē)道標準設計，其中暗埋段長(cháng)度1147 米。單洞設計寬為11. 5 米，單向三車(chē)道，按交通流量大于2400 輛/小時(shí)、最大車(chē)速為60 公里/ 小時(shí)標準設計，每隔50～ 80 米設有直通地面的采光通風(fēng)井，根據《公路隧道通風(fēng)照明設計規范》( JTJ026. 1—1999 ) 及《公路隧道設計規范》( JTG D70—2004) 的要求，中間段照明設計亮度不小于2. 5cd /m2 ， 均勻度不小于0. 4。

3 試驗情況

為確保工程應用的效果，課題組在6 月先行進(jìn)行了掛燈試驗，試驗段位于隧道北側洞，施工樁號310 米至440 米處，為該隧道的典型路段，在320、380 及440 米處的南側有三處采光通風(fēng)井，每個(gè)井由2 個(gè)約為7m × 5m 的通風(fēng)口組成。試驗共采用LED 隧道燈54 盞，南北兩側各27 盞，按布燈間距5m 和6m 兩種方式分兩段設置。進(jìn)行對比測試。光源標稱(chēng)功率60W/ 盞，實(shí)測燈具功率73W/ 盞，同時(shí)結合調光，每盞燈按雙驅動(dòng)模式配置?，F場(chǎng)設專(zhuān)用表箱4 回路供電，南北側各2 回路。測試中期對驅動(dòng)運行的模式進(jìn)行了調整，7 月8 日的數據為調整后數值。因為最后選定的方案為布燈間距5m，故只列出5m 的檢測數據?，F場(chǎng)照片如圖1 至圖4，測量數據見(jiàn)表1。

根據測試的情況，我們進(jìn)行了認真的研究和分析，得出以下結論:

(1) 白天采光通風(fēng)井處直射入的光線(xiàn)對測量值影響很大，照明效果難以達到均勻度及縱向均勻度的要求，課題研究?jì)热菔荓ED 光源在隧道照明中的應用，相關(guān)計算宜去除其影響。

表1 試驗段測試數據

說(shuō)明1: 測量時(shí)，因工程施工，南側每隔6m 有臨時(shí)照明用15W 節能燈未關(guān)閉，對測量值有一定影響。

說(shuō)明2: 照度計型號: TES1339，編號: 071013786。

(2) 6 月5 日現場(chǎng)在施工，隧道內雜物多、灰塵大、地面臟，照度低。7 月8 日隧道內路面水泥澆鑄完畢，施工垃圾已清除，反射條件好，照度上升12. 56lx。預計在瀝青攤鋪完、側面裝飾板安裝完畢之后，照度會(huì )上升10% ～ 20% ，亮度即使因為瀝青的反射系數下降，也能滿(mǎn)足規范要求。

(3) LED 光源隧道燈現有技術(shù)完全可以根據需要進(jìn)行調光節能，這是其重要的特點(diǎn)，也是其節能的主要手段。

(4) LED 光源隧道燈從34 天測試數據看， 衰減較小。

(5) LED 光源在城市隧道照明系統中應用是可行、可實(shí)施的，初期達到的技術(shù)參數能夠滿(mǎn)足國家相關(guān)規范的要求。

(6) LED 光源隧道燈屬電子產(chǎn)品， 結構精密，生產(chǎn)環(huán)節多，一盞燈有幾十顆LED 芯片，產(chǎn)品質(zhì)量需嚴格把關(guān)，產(chǎn)品維護技術(shù)要求較高，模塊化生產(chǎn)將提高維修效率。

圖1 2008 /6 /4 10∶ 00

圖2 2008 /6 /5 20∶ 00

圖3 2008 /7 /8 20∶ 30

(7) 為確保運行可靠，線(xiàn)路及電源等按照可實(shí)施原熒光燈方案的容量預留。同時(shí)，考慮到高功率LED 光源隧道燈在價(jià)格、質(zhì)量、壽命方面的不足，加強照明仍采用金鹵燈方案。

(8) LED 芯片選用限定在國際一流名牌的優(yōu)質(zhì)等級產(chǎn)品，芯片的性能及產(chǎn)品一致性必須滿(mǎn)足課題組提出的技術(shù)要求。

圖4 配電表箱照片

4 應用情況

根據對試驗結果的研究，課題組對在隧道中使用LED 光源有了較為明確的認識， 結合LED 光源在道路照明中的試驗及LED 光源的自身特點(diǎn)，進(jìn)行了多次論證，制定了合理的工程設計和實(shí)施方案，共安裝LED 光源隧道燈910 套，在隧道通車(chē)前完成了調試，并投入使用。課題組對實(shí)施結果進(jìn)行了跟蹤檢測，現場(chǎng)照片如圖5 至圖6，測量數據見(jiàn)表2。

表2 應用測試數據

圖5 2008 /10 /28 20: 00

圖6 2009 /8 /6 00: 30

5 情況分析

根據近一年的運行測量數據并結合城市隧道照明及LED 光源的特點(diǎn)，我們對LED 光源在城市隧道照明中應用情況與熒光燈光源在節能、經(jīng)濟、運行、維護等方面進(jìn)行了對比，對其應用優(yōu)勢及存在瓶頸進(jìn)行以下幾點(diǎn)的分析與思考。

5. 1 LED 光源在隧道照明中應用優(yōu)勢

(1) 配光

由于城市隧道照明對均勻度及縱向均勻度的要求較高，且燈具安裝高度一般只有5 ～ 6 米，若采用高壓鈉燈、金鹵燈等大功率點(diǎn)光源，靠燈具的配光達到要求比較困難，故目前城市隧道大都采用熒光燈光源進(jìn)行照明。但熒光燈作為360 度發(fā)光的線(xiàn)性光源，其合理的配光是個(gè)技術(shù)瓶頸。LED 光源作為小功率點(diǎn)光源，可以從顆粒排列、照射方向、發(fā)射角等多方面進(jìn)行綜合調節，達到理想的配光，滿(mǎn)足城市隧道照明的需要。

(2) 光源光效

光效是*價(jià)光源是否節能的基本參數，從上一點(diǎn)可以知道在城市隧道照明中，LED 光源光效的競爭對手不是高壓鈉燈等高光效光源，是相對光效較低的熒光燈。目前T8 熒光燈管的光效在80 ～ 90lm /w。LED 發(fā)展速度是驚人的，去年裝燈時(shí)市面上產(chǎn)品級的大功率高色溫白光LED 芯片的光效在107lm /w (350mA，標準狀態(tài)) ， 現在已經(jīng)達到139lm /w，即使考慮實(shí)際應用中的折減，LED 光源的理論光效也略大于熒光燈，本項目技術(shù)要求明確燈具生產(chǎn)廠(chǎng)家在國際一流品牌CREE、LUMILEDS、OSRAM 中選擇光效不小于80lm /W 的高等級芯片。

(3) 燈具效率

由于熒光燈管360 度發(fā)光且自身發(fā)光面較大，加上其光源本身對反射光的遮擋及反射、折射損耗等原因，熒光燈光源隧道燈的燈具效率普遍較低，一般在55 ～ 65%。另外，考慮光源腔的防護等級、透明罩的老化等原因， 燈具的維護系數取值只有0. 6 左右。而LED 隧道燈由幾十顆小功率的點(diǎn)光源組成，其配光主要依靠各點(diǎn)光源的布置位置、方向及發(fā)射角來(lái)實(shí)現，光源腔無(wú)需打開(kāi)更換光源，密封性能好，故燈具效率一般在75% ～ 85% ，維護系數可以在0. 75 左右取值，相對而言，LED 隧道燈比熒光燈隧道燈具有更高的效率。

(4) 調光節能

LED 光源屬于直流驅動(dòng)、快速響應的光源，響應時(shí)間僅為納秒級，芯片驅動(dòng)電流在一定范圍內均能有效發(fā)光，通過(guò)調節正向電壓、驅動(dòng)電流、脈沖電流、高頻調制、位角調制等方法均可實(shí)現大范圍的調光節能。雖然熒光燈的調光節能技術(shù)在近幾年得到了迅速發(fā)展和應用，但其實(shí)現技術(shù)與效果沒(méi)有LED 理想。本工程每隔50 ～ 80 米設有可以直接采光的通風(fēng)井，其兩側一定范圍內在白天可實(shí)施局部調光節能，晚上可根據需要進(jìn)行整體調光節能。

(5) 節能

從上面的詳細分析可以得出LED 光源隧道燈比熒光燈光源隧道燈節能的結論， 由于是新建項目，且加上本項目白天采用了部分人工采光等節能措施及電能計量、調光、維護系數等各方面原因，兩者之間無(wú)法進(jìn)行準確的實(shí)測節能數據對比，只有采用理論計算及類(lèi)比的方法進(jìn)行節能分析。對比工程設計單位前后兩種光源的裝燈功率進(jìn)行簡(jiǎn)單計算可以得出節電38. 6% 的結論。為得到更加合理的數據，課題組根據熒光燈光源及LED 光源的設計方案，分別應用DIALUX 和CALCULUX 軟件對隧道照明的情況進(jìn)行了理論計算，同時(shí)對工程情況類(lèi)似的玄武湖隧道( 運行40 個(gè)月) 進(jìn)行了實(shí)測， 并綜合考慮光源運行時(shí)間及燈具維護系數等多方面因素進(jìn)行修正，研究認為在折算到同等照度下，本項目LED 光源和熒光燈相比的節能率在30% 左右。

(6) 壽命

隨著(zhù)這兩年LED 技術(shù)水平的飛速發(fā)展，大功率白光LED 芯片的壽命正大幅提高，雖然還遠遠達不到一些廠(chǎng)家宣傳的5 ～ 10 萬(wàn)小時(shí)的壽命，但從本隧道的應用跟蹤測量數據看，實(shí)際使用狀態(tài)下，LED光源照明的隧道5000 小時(shí)(282 天，每天開(kāi)燈約18小時(shí)) 路面照度下降16. 5% ， 這個(gè)降幅表面看較大，但其由光源光衰、燈具老化及燈具清潔水平以及墻面變臟等三方面因素造成，考慮一定的維護系數，本項目采用的LED 隧道燈壽命可以基本滿(mǎn)足《道路照明LED 燈( 報批稿)》中“燃點(diǎn)6000 小時(shí)，燈具光通維持率不低于88%”的要求及《公路隧道通風(fēng)照明設計規范》中光源壽命大于1 萬(wàn)小時(shí)的規定，也大于T8 稀土三基色粉熒光燈1 ～ 1. 5萬(wàn)小時(shí)的壽命，基本能讓用戶(hù)接受。

5. 2 LED 光源在隧道照明中應用瓶頸

(1) 運行工況要求高

LED 光源及其驅動(dòng)均為電子元器件構成，對電氣參數及環(huán)境條件要求較高，LED 的電壓-電流曲線(xiàn)反應出其對電壓的敏感度高，極易反向擊穿或正向燒毀，雖然廠(chǎng)家在防雷電波、過(guò)電壓、浪涌保護等方面做了大量的工作，且城市隧道的環(huán)境條件遠遠優(yōu)于城市道路，可以不考慮雨雪、光線(xiàn)、霧靄、直擊雷電等惡劣氣候條件的影響，但仍存在溫度、振動(dòng)、灰塵、雷電波、過(guò)電壓及線(xiàn)路故障等不利因素的作用。從本項目跟蹤情況看，裝燈40 多天開(kāi)始出現壞燈，5000 小時(shí)損壞率在2. 6% ，且損壞率呈上升趨勢，長(cháng)期運行情況需要進(jìn)一步跟蹤。

(2) 運行工況下光衰大

從一些實(shí)驗室測試數據看，LED 光源發(fā)光效率曲線(xiàn)是先升后降，再趨于水平的過(guò)程。LED 光源的光衰與其溫升及散熱有著(zhù)直接關(guān)系，工程實(shí)際應用的電氣和環(huán)境條件遠遠比實(shí)驗室惡劣，隨著(zhù)運行后LED 光源的光效衰減、熒光粉效率降低、封裝材料的老化及熱阻增大等不利情況出現，都會(huì )給LED 芯片的發(fā)光效率帶來(lái)不良影響，導致光效下降，光效的降低又引起溫升，溫升會(huì )再促使不利情況的惡化，這種循環(huán)帶來(lái)的后果是顯而易見(jiàn)的。雖然從實(shí)際應用5000 小時(shí)的測量數據看，光衰在可以接受的范圍內，但結合我們在LED 光源在道路中的試驗跟蹤數據分析，LED 光源隧道燈在實(shí)際運行工況下的光衰曲線(xiàn)不會(huì )像實(shí)驗室測試數據那樣理想的趨于水平，仍將維持一定的下降幅度。以“效能低于初始效能70%”為壽命終止條件計算時(shí)間的話(huà)，估計難有3 萬(wàn)小時(shí)的壽命。

(3) 配套電氣性能不穩定

LED 光源具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但畢竟是高科技電子產(chǎn)品，對電壓、電流的變化敏感，對驅動(dòng)電路的要求很高，驅動(dòng)方式或驅動(dòng)電路設計選擇不當，會(huì )使LED 光源損壞。LED 燈具中串聯(lián)回路較多，一個(gè)芯片的損壞就會(huì )導致一串光源或一個(gè)模塊的失效。驅動(dòng)電路自身的質(zhì)量缺陷也會(huì )導致燈具的失效，嚴重的會(huì )導致光源的損壞。從跟蹤測試檢查情況看，驅動(dòng)電源模塊的損壞率遠遠高于光源模塊，其標稱(chēng)和實(shí)際使用壽命均低于光源模塊，一般產(chǎn)品的壽命達不到3 萬(wàn)小時(shí)。

目前熒光燈節能型電感鎮流器或電子整流器的自身?yè)p耗約為額定輸出功率的8% ～ 12% ，符合國家對能效因數( BEF) 的限定值或節能*價(jià)值。相比之下，本項目采用的LED 隧道燈驅動(dòng)的自身?yè)p耗為額定輸出功率的20% ，高于國家的限定值，能耗大，市場(chǎng)上LED 燈具驅動(dòng)的自身?yè)p耗在8% ～ 12%的產(chǎn)品，價(jià)格高，壽命短，性?xún)r(jià)比不高。

(4) 維護困難、成本高

熒光燈結構簡(jiǎn)單，各組成配件性能相對穩定，維修工作主要內容是配件壽命到期或損壞更換及燈具清潔，主要配件燈管及鎮流器等產(chǎn)品經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，完全實(shí)現標準化生產(chǎn)，不同品牌之間可以相互替代，價(jià)格透明，不存在壁壘。燈具接線(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)特殊設備、人員要求及技術(shù)障礙，一般電工及經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓的人員均能對其故障進(jìn)行判斷和快速現場(chǎng)維修，維護成本低，且可以迅速恢復燈具功能到初期水平。LED 光源隧道燈號稱(chēng)5 ～ 10 年免維護，但實(shí)際不可能，其為電子產(chǎn)品，結構精細，一盞燈由幾十顆LED 和幾十個(gè)電子元器件組成，燈具或驅動(dòng)中的電子元器件受干擾損壞的概率大，壽命長(cháng)短不一，一個(gè)元器件或一個(gè)線(xiàn)路節點(diǎn)的故障就有可能造成全套燈具的損壞。其結構復雜，檢測需要專(zhuān)門(mén)的高精尖設備，技術(shù)人員都無(wú)法在現場(chǎng)進(jìn)行判斷維修。目前LED 功能燈具市場(chǎng)還不成熟，缺少標準規范，各廠(chǎng)家燈具形狀各異， 實(shí)現技術(shù)方案、手段、途徑各不相同，配件之間缺乏兼容性，產(chǎn)品無(wú)相互替代性，一般只有更換燈具，維護成本很高。本項目將驅動(dòng)和光源部分分開(kāi)，實(shí)施模塊化設計，相對方便了維護，但還是由原生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行整模塊的更換。

(5) 經(jīng)濟效益不理想

目前我國LED 生產(chǎn)產(chǎn)值80% 以上為封裝產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，外延芯片生產(chǎn)雖有很大發(fā)展和進(jìn)步，但仍停留在中低檔水平，高光效大功率白光LED 應用產(chǎn)品依賴(lài)于美國、日本、歐盟等地進(jìn)口的高檔外延芯片，他們依靠擁有的核心技術(shù)和專(zhuān)利壟斷了高端產(chǎn)品市場(chǎng)，價(jià)格較高。本項目采用的LED 隧道燈使用了美國CREE 的芯片，單燈價(jià)格約高于國際品牌隧道燈( 雙管熒光燈2* 36W) 2000 元。節能的成本投入是需要經(jīng)濟效益回報的，為了順利推廣應用，廠(chǎng)家采用了合同能源管理模式來(lái)進(jìn)行管理，大量的前期投入要通過(guò)節約電費來(lái)彌補。按照廠(chǎng)家的樂(lè )觀(guān)估計，節電率50% 來(lái)計算，每年節約電費也僅在264 元/盞( 每天運行18 小時(shí)、電費0. 55 元/ 度) ，不考慮資金時(shí)間價(jià)值，靜態(tài)投資回收期在7. 58 年，即運行近5 萬(wàn)小時(shí)。若按照課題組分析的節電率30% 來(lái)計算，則只有158 元/ 盞，回收期在12. 7 年，即運行近8. 34 萬(wàn)小時(shí)。另外，熒光燈的燈具維修基本是光源或鎮流器的更換，價(jià)格均十分低廉，而LED 燈具為整個(gè)模塊化的更換，光源或驅動(dòng)的價(jià)格均高，特別是光源要貴近百倍，其節電的經(jīng)濟價(jià)值回報無(wú)法彌補其高成本。

(6) 光環(huán)境

LED 光源的發(fā)光面積很小， 光源本身亮度較大，隧道環(huán)境下燈具布置較低，一旦設置不當就會(huì )產(chǎn)生眩光。本項目設計原采用側面布燈方式，在試驗階段就發(fā)現眩光嚴重，特別在隧道轉角處，側面光成了正面逆向光，光線(xiàn)直射駕乘人員，成為眩光源，眩光嚴重影響駕駛安全。為解決問(wèn)題，技術(shù)人員將燈具向車(chē)輛前進(jìn)方向偏轉一定角度，形成順側光，并根據隧道走向調整前傾角度，有效解決了眩光問(wèn)題，但燈具偏轉使到達地面的光斑不再對稱(chēng)，既造成路面均勻度下降，也造成部分光投射在墻壁側板上，導致側墻亮度不均及光線(xiàn)誘導性差等問(wèn)題。

同時(shí)，由于節電收益和廠(chǎng)家利益的結合，為了提高收益，運行中廠(chǎng)家采取了間隔關(guān)閉部分燈的運行模式，造成隧道中形成一圈圈的“斑馬線(xiàn)圈”， 加上采光井直射光等不利因素，造成本工程的路面照明縱向均勻度差，整體光環(huán)境不如做類(lèi)比的采用熒光燈的玄武湖隧道。

6 結論

LED 光源是一種節能、環(huán)保、長(cháng)壽的新型光源，未來(lái)將可能緩解人們正遇到的能源短缺、環(huán)境破壞等問(wèn)題，成為照明發(fā)展方向。其在城市隧道照明中的運用具有一定的優(yōu)勢，我們已著(zhù)手在南京的幾條老隧道中進(jìn)行LED 光源改造，進(jìn)一步掌握LED光源隧道照明的相關(guān)技術(shù)。同時(shí)，我們應看到，任何一種光源都具有區別于其他光源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，完美無(wú)缺的光源還不存在，LED 光源隧道燈具也還不是成熟的產(chǎn)品，芯片生產(chǎn)、燈具配光、傳導散熱、電力電子驅動(dòng)技術(shù)、無(wú)極調光節能技術(shù)、應用技術(shù)、維護管理等各方面還要進(jìn)行大量的技術(shù)研究，只有大幅度降低其成本，實(shí)現產(chǎn)品與應用的標準化管理，提高保障能力，LED 光源在城市隧道照明中的應用才會(huì )更加成熟。