新规范下LED灯在隧道照明中的应用

新规范下LED灯在隧道照明中的应用 新规范下LED灯在隧道照明中的应用

陈腾

（广东省冶金建筑设计研究院，广东广州510080）

【摘要】分析比较新规范《公路隧道照明细则》（以下简称细则）和旧规范《公路隧道通风照明设计规范》（以下简称规范）在隧道照明区段和照明参数设置上的不同。分析传统光源（高压钠灯）与LED光源的光效和能耗对两种方案设计进行对比。根据新规范并结合LED光源进行具体照明优化设计。结论：利用新规范和LED光源进行隧道照明设计，同原规范相比，每个照明区段的照明能耗都有不同程度降低，同时使用LED光具能达到降低长期运营成本和节能减排的效果。

【关键词】隧道照明；LED；高压钠灯；节能设计

引言

近几年来，随着我国社会经济的快速发展，高速公路逐年增多。根据交通部数据统计，截止2015年底，全国高速公路里程12.35万km，比上年末增加1.16万km。其中，国家高速公路7.96万km，增加0.65万km。全国高速公路车道里程54.84万km，增加5.28万km（如图1）。[1]

图1 2011～2015年全国高速公路里程

随着公路隧道建设的加快，隧道能耗问题日益突出。据不完全统计，在公路隧道机电系统中，照明负荷约占总负荷的30%左右，已成为公路隧道运营中的最大开支。[2]2014年8月，交通运输部发布了《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01-2014）（以下简称《细则》），本细则是在总结是近年来工程实践经验和可研成果的基础上，引进吸收了新理论、新技术、新材料和新设备，对2000年颁布的《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999）（以下简称《规范》）进行了全面的修订。与此同时国家提出节能减排的工作部署，倡导绿色低碳设计理念，推广新材料和新工艺在工程项目中的应用。LED作为新一代光源，具有低功耗、无污染、适用性强、高可靠性和长寿命等优点，被认为是一种符合环保和节能的绿色照明光源。[3]2013年广东省交通运输厅发布《广东省高速公路隧道LED照明设计与施工技术指南》，为进一步规范广东省高速公路隧道LED照明工程设计、施工、检测和验收的相关技术标准，并自发布之日起在全省交通运输行业内施行。

1 新旧规范设计标准分析比较

《细则》在《规范》的基础上，对于隧道照明的各照明区段设计标准进行了调整，主要调整如下[4，5]：

1.1 入口段

《规范》：入口段亮度按Lth=KL20（S）；

入口段长度Dth=1.154DS-（h-1.5）/tan10；

《细则》：入口段分为th1和th2两个照明段，其亮度分别按Lth1=KL20（S）；Lth2=0.5KL20（S）；

入口段长度Dth1=Dth2=[1.154DS-（h-1.5）/tan10]/2。

1.2 过渡段

《规范》：过渡段分为三个照明段，亮度分别按Ltr1=0.3Lth；Ltr2=0.1Lth；Ltr1=0.035Lth；

《细则》：亮度分别按Ltr1=0.15Lth1；Ltr2=0.05Lth1；Ltr1=0.02Lth1。

1.3 中间段

表1 《规范》所列中间段亮度表

计算行车速度（km/h）Lin（cd/m2）双车道单向交通N＞2400辆/h双车道单向交通N700辆/h双车道双向交通N＞1300辆/h双车道双向交通N360辆/h 1009.04 804.52 602.51.5 401.51.5

表2 《细则》所列中间段亮度表

设计速度Vt（km/h）Lin（cd/m2）单向交通N1200veh/（h·ln）350veh/（h·ln）＜N＜1200veh/（h·ln）N350veh/（h·ln）双向交通N650veh/（h·ln）180veh/（h·ln）＜N＜650veh/（h·ln）N180veh/（h·ln）12010.06.04.5 1006.54.53.0 803.52.51.5 602.01.51.0 20～401.01.01.0

1.4 出口段

《规范》：出口段亮度按Lex=5Lin；

出口段长度为60m；

《细则》：出口段分为ex1和ex2两个照明段，其亮度分别按Lex1=3Lin；Lex2=5Lin；

出口段长度都为30m。

2 传统光源（高压钠灯）与LED光源分析比较

高压钠灯是一种高压钠蒸气放电灯泡，其放电管采用抗钠腐蚀的半透明多晶体氧化铝陶瓷制成，工作时发出金白色光。

LED是一种半导体发光二极管，利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合发出过剩的能量，从而引起光子发射产生可见光。

150W的高压钠灯初始光通量为15000流明，采用半截光行的灯具其应用到照射方向的光只有一部分，非应用方向的光只有通过设置反射板采集反射到照射方向上，所有实际照射面的光通量为8120流明；75W LED灯初始光通量为9000流明，由于LED光源为指向性光源，灯具效率较高，灯具损失基本为10%，实际照射面的光通量为8100流明。同时高压钠灯理论光效值很高，但是有一部分光是不可见光，实际上的光效比LED灯要低。

通过150W高压钠灯与75WLED灯的光效分析对比，2种灯具按照达到相同照度（亮度）水平时，75W的LED灯可替换150W的高压钠灯，120W的LED灯可替换250W的高压钠灯，2×160W的LED灯可替换400W的高压钠灯。

3 具体工程实例

现以广东省内一座近1公路的江罗高速鸦髻岭隧道为例，从而具体说明使用LED灯和施行《细则》的节能效果，该隧道双洞六车道，洞外亮度（L20）=3500cd/m2，k=0.04；其为双向交通且交通量为180veh/（h·ln）＜N＜650veh/（h·ln）；设计速度：100km/h；

该隧道设计在2012年采用高压钠灯光源按照《规范》的设计方案如下：

入口段：入口段亮度（Lth）=140cd/m2，入口段长度（Dth）=162m；

过渡段：过渡段Ⅰ亮度（Ltr1）=42cd/m2，过渡段Ⅰ长度（Dtr1）=100m；

过渡段Ⅱ亮度（Ltr2）=14cd/m2，过渡段Ⅱ长度（Dtr2）=110m；

中间段：基本段亮度（Lin）=9cd/m2，长度（Din）=403m；

出口段：出口段亮度（Lout）=45cd/m2，出口段长度（Dout）= 60m。

应急照明：应急照明亮度为基本照明的1/4。

隧道照明分基本照明、入口段照明、过渡段Ⅰ照明、过渡段Ⅱ照明、出口段照明、应急照明六种。基本照明采用150W高压钠隧道灯双侧对称布置，间距为6m；入口段加强照明采用400W高压钠灯双侧对称布置，间距为1.25m；过渡段Ⅰ加强照明采用250W高压钠灯双侧对称布置，间距为2m；过渡段Ⅱ加强照明采用250W高压钠灯双侧对称布置，间距为6m；出口段加强照明采用250W高压钠灯双侧对称布置，间距为2m。

2013年广东省交通运输厅发布《广东省高速公路隧道LED照明设计与施工技术指南》后，将原有的高压钠灯设计修改为LED灯。

表3 按照《规范》高压钠灯和LED灯方案比较

照明阶段高压钠灯具数总功率（kW）LED灯具数总功率（kW）入口段260×400W+54×150W112.1520×160W+54×75W87.25过渡段1 100×250W+34×150W30.1100×120W+34×75W14.55过渡段2 38×250W+38×150W15.238×120W+38×75W7.41中间段132×150W19.8132×75W9.9出口段60×250W+20×150W1860×120W+20×75W8.7合计-195.2-127.81

由表3可见，通过对两种设计方案的比较，采用LED灯具比高压钠灯方案耗电功率可减少35%。

那么，2014年该隧道设计按照《细则》的标准进行重新优化设计，设计方案如下：

入口段：入口段1亮度（Lth1）=144cd/m2，长度（Dth1）=81m；

入口段2亮度（Lth2）=72cd/m2，长度（Dth2）=81m；

过渡段：过渡段1亮度（Ltr1）=21.6cd/m2，过渡段Ⅰ长度（Dtr1）=106m；

过渡段Ⅱ亮度（Ltr2）=7.2cd/m2，过渡段Ⅰ长度（Dtr1）=111m；

中间段：基本段亮度（Lin）=2.5cd/m2，长度（Din）=396m；

出口段：出口段1亮度（Lout）=7.5cd/m2，长度（Dex1）=30m；

出口段2亮度（Lout）=12.5cd/m2，长度（Dex2）=30m。

各功能段灯具布置形式见表4。

该隧道的原设计以《规范》为依据，现对该隧道采用《细则》提出的方法结合最优化算法对隧道照明进行优化设计，所得的隧道每一区段的所选用灯具的数量和功率与原《规范》相比如表5所示。

由表5可见，通过对两种设计方案的比较，根据人眼视觉特点对长隧道按《细则》方法进行节能优化设计后，与原《规范》的设计结果相比，每一照明区段的灯具数和总功率都有不同程度降低。总体而言，采用《细则》的方法灯具数比原方案可减少15%，耗电功率可减少25%。

表4

出口段1（Dex1）LED灯光源160W160W120W40W40W40W40W功能段入口段1（Dth1）入口段2（Dth2）过渡段1（Dtr1）过渡段2（Dtr2）中间段（Din）出口段1（Dex1）安装距离1.0m1.0m3m3m6m2m1.2m安装方式两侧四排两侧二排两侧二排两侧二排两侧二排两侧二排两侧二排

表5 按照《细则》与《规范》方案比较

照明阶段按照《细则》优化设计按照《规范》设计LED灯具数总功率（kW）LED灯具数总功率（kW）入口段1324×160W51.84520×160W+54×75W87.25入口段2162×160W25.92过渡段172×120W8.64100×120W+34×75W14.55过渡段274×40W2.9638×120W+38×75W7.41中间段132×40W5.28132×75W9.9出口段130×40W1.260×120W+20×75W8.7出口段250×40W2合计-97.84127.81

4 结论

通过江罗高速鸦髻岭隧道的照明设计的两次调整，可以看出第一次调整是将高压钠灯更换为LED灯，得出了LED灯的光效高，光衰小，能耗低，与原高压钠灯耗电功率可减少35%，从而肯定了LED灯在隧道照明领域的优越性。而第二次调整是针对交通部颁布的《细则》进行分析，根据隧道亮度等级划分的思想，得出新《细则》与原《规范》相比在隧道照明方面的节能性，耗电功率可减少25%。该分析比较表明，通过LED灯的使用和新《细则》的颁布将原有设计的耗电功率减少了51.25%，有效解决高速公路隧道照明能耗高的问题，可以指导我国高速公路隧道的安全与节能管理方法的建立，对于提高我国公路隧道运营安全，降低高速公路隧道运营成本起到积极的作用。

参考文献：

[1]中华人民共和国交通运输部综合规划司．2015年交通运输行业发展统计公报．2016，5．

[2]季佳俊．三车道大断面公路隧道照明节能参数优化研究[D]．重庆：重庆交通大学，2012.

[3]苏庆华.韩立成.基于绿色设计思想的LED灯具产品全生命周期开发模型[J].照明工程学报，2014（6）.

[4]《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999）[S]．北京：人民交通出版社，2000．

[5]《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01-2014）[S]．北京：人民交通出版社，2014．

【中图分类号】TM923.34

【文献标识码】A

【文章编号】2095-2066（2017）02-0156-02

收稿日期：2017-1-3