文｜合肥源輝光電子有限公司

1 背景介紹

按需照明一直是照明的理想形式，然而傳統(tǒng)光源亮度難以控制，而照明系統(tǒng)在設(shè)計時又必須考慮足夠的設(shè)計冗余，因此使用傳統(tǒng)光源的照明系統(tǒng)普遍存在過度照明、電能浪費巨大的現(xiàn)象。對于隧道照明系統(tǒng)而言，有70%左右的能耗是被過度照明消耗掉的。因此，隧道照明節(jié)能，必須從減少過度照明著手。

要減少過度照明，單純減小燈具設(shè)計功率的方法是不可取的。因為，如果采用這種方法，照明系統(tǒng)的亮度會在系統(tǒng)運營一段時間后低于規(guī)范要求。到那時，除非增加燈具數(shù)量，否則就只能采用降低隧道的行車速度或頻繁更換光源的方法來解決。

因此，合理的減少過度照明的手段，應(yīng)當是根據(jù)需要調(diào)整照明強度，即按照需要調(diào)整燈具的功率。調(diào)整照明強度有兩種方式，一是采用多回路分級調(diào)光，二是采用無級調(diào)光。分級調(diào)光通常最多只分到6級，即白天4級，夜晚2級。這種簡單分級的方式依舊存在較為嚴重的過度照明。無級調(diào)光是基于LED光源實現(xiàn)的，只需要兩個回路，即基本照明回路和加強照明回路。采用這種方式可以根據(jù)需要任意調(diào)整燈具亮度，在滿足規(guī)范要求的前提下避免過度照明，最大限度地節(jié)約電能。

2 無級調(diào)光控制技術(shù)的節(jié)能原理

過度照明存在的根本原因，可以簡單概括為照度需求和傳統(tǒng)照明系統(tǒng)能耗的不可控性。對于公路隧道來說，影響照度需求和照明系統(tǒng)能耗的因素主要有光源規(guī)格、光源維護系數(shù)、洞外亮度、電源和路面類型。本文主要從前四個因素的角度分析無級調(diào)光系統(tǒng)的節(jié)能原理。

2.1 光源規(guī)格與維護系數(shù)

光源的規(guī)格與維護系數(shù)對使用傳統(tǒng)光源的照明系統(tǒng)能耗的影響有相似之處，都表現(xiàn)為因傳統(tǒng)光源的亮度難以控制，造成隧道單側(cè)開燈亮度不夠，雙側(cè)開燈過度照明嚴重的現(xiàn)象。

相關(guān)的行業(yè)標準中對隧道照明有著具體的規(guī)定，許多高速公路隧道的基本照明燈具僅需40W～120W即可，若大幅超出行業(yè)標準，則屬過度照明。然而目前市場上技術(shù)成熟的通用型高壓鈉燈光源的功率規(guī)格只有100W、150W、250W和400W幾種，不能緊密貼合公路隧道照明的需要，再加上亮度控制不便，應(yīng)用于隧道時單側(cè)開燈亮度不夠，雙側(cè)開燈過度照明嚴重的現(xiàn)象便難以避免。LED燈具的設(shè)計功率一般在20W～70W之間，過度照明較鈉燈要低得多，若采用隧道LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)，更可根據(jù)標準要求進行照明，緊密貼合實際需要，能夠有效地減少過度照明造成的電能浪費。

維護系數(shù)是在設(shè)計燈具功率時，為確保運營過程中，因衰減和燈具受到污染而使光源亮度下降30%以上后，其照明強度依舊能夠滿足規(guī)范要求而設(shè)定的指標。在《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》中，維護系數(shù)取0.7，即100W的燈具亮度剛好滿足規(guī)范要求時，必須選用功率大于143W的燈具。在實際設(shè)計中，為了防止因光源光效的細微差異造成運營一段時間后亮度低于規(guī)范要求，確保隧道照明始終能夠滿足規(guī)范要求，通常還需要在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上再考慮一定的設(shè)計冗余，一般取規(guī)范要求值的20%。也就是說，100W的燈具亮度剛好滿足規(guī)范要求時，燈具的實際功率應(yīng)在170W左右。這同樣會造成單側(cè)開燈亮度不夠，雙側(cè)開燈過度照明嚴重的情況。這是恒定亮度燈具的一大缺陷，而如果采用LED亮度無級控制系統(tǒng)，則可有效地防止出現(xiàn)為保證設(shè)計維護系數(shù)和冗余造成的電能浪費現(xiàn)象。

2.2 洞外亮度

我們知道，隧道內(nèi)加強照明的標準值都是根據(jù)隧道洞外的亮度乘以一個系數(shù)得來的。以80km/h的雙車道單向交通為例，若設(shè)計交通量不低于每小時2400輛，其入口段的亮度折減系數(shù)為0.035。圖1展示出了不同的洞外亮度情況下加強照明能耗相對百分比，從圖中可以看出，洞外亮度對隧道照明能耗的影響相當大，這也給節(jié)能帶來了相當大的空間。

根據(jù)《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，入口段亮度可按下式計算：

圖1 洞外亮度與照明能耗百分比的關(guān)系圖

式中，Lth為入口段亮度，k為入口段亮度折減系數(shù)，L20（S）為洞外亮度。隧道照明設(shè)計要求取夏天中午時的最大洞外亮度來計算加強照明的亮度，并考慮到足夠的冗余，以確保在任何天氣條件，以及燈具的亮度衰減到額定值下限的情況下，洞內(nèi)照明強度始終能夠滿足規(guī)范要求。但是，在實際運營期間，洞外亮度會隨著天氣、季節(jié)和時辰的變化而變化。也就是說， L20（S）時刻在變化，它會從幾十坎德拉變化到幾千坎德拉。對于一個合理的照明方式而言，當L20（S）發(fā)生變化時，Lth也應(yīng)隨之變化。而如果L20（S）變化而Lth不變或者僅簡單地按幾個等級進行變化，便會造成巨大的電能浪費。

圖2所展示的即是這種巨大的電能浪費。其中LED燈設(shè)計功率線與夏至功率需求曲線中午時最大值之間的差額為維護系數(shù)和設(shè)計冗余。圖中曲線以上的面積即為高壓鈉燈照明系統(tǒng)浪費的電能，它達到了實際需求能耗的三倍以上。而即使是四級調(diào)光的LED燈照明系統(tǒng)，其晴天的能耗也是實際需求的2倍。因此，隧道加強照明只有采用智能無級控制系統(tǒng)對洞外亮度進行跟蹤，實時調(diào)整洞內(nèi)亮度，才能實現(xiàn)按需照明的目標。

圖2 不同季節(jié)晴天洞內(nèi)加強照明功率變化圖

對于東西走向的隧道而言，若入口位于隧道的東側(cè)，則上午陽光照射到東面山體時，洞口亮度較高，午后東面山體轉(zhuǎn)為陰暗面時，洞外亮度急劇下降，這使得入口段加強照明的強度需求在上下午存在巨大的變化。采用亮度智能無級控制后，洞內(nèi)照明就會順應(yīng)這種變化。如圖3所示，智能無級控制系統(tǒng)夏至晴天照明能耗僅為高壓鈉燈系統(tǒng)的18%，而冬至時僅為12%，節(jié)能量高達80%以上。

圖3 東向入口隧道晴天洞內(nèi)加強照明功率變化圖

2.3 電源

電源對使用傳統(tǒng)光源的照明系統(tǒng)能耗的影響，主要表現(xiàn)為電源電壓晝夜波動造成傳統(tǒng)光源能耗波動。包括高壓鈉燈在內(nèi)的氣體放電燈對電源電壓的穩(wěn)定度要求較高，如果電源電壓的波動超過6%，光源的能耗將大幅增加，壽命也將大幅縮短。圖4所示為250W高壓鈉燈與200W的LED燈的電源功率與輸入電壓的關(guān)系。從圖中可見，當夜晚電源電壓升高至250V左右時，鈉燈（含鎮(zhèn)流器）的功率為378W，較額定值增加了40%。這就是鈉燈用作路燈時，實際功耗遠遠超出額定功耗的主要原因。此外，在這種電壓下，鈉燈的壽命（亮度衰減50%時的工作時間，額定狀態(tài)下一般為2萬小時）會大幅折減，幾乎不足額定壽命的30%。而LED燈的功耗幾乎不隨電源電壓變化，這也成了LED照明無級調(diào)光控制系統(tǒng)在節(jié)能方面的又一大優(yōu)勢。

圖4 光源的電源功率與輸入電壓的關(guān)系圖

3 無級調(diào)光控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5所示為合肥市壽春路隧道LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)實施方案。洞外亮度監(jiān)測裝置將檢測到的隧道洞外亮度信號傳送至控制裝置上，控制裝置對信號加以換算后輸出0V～5V直流模擬信號控制LED燈具的輸出功率，從而達到控制被照場所的亮度的目的。

4 無級調(diào)光控制系統(tǒng)的控制方式

下面以合肥市壽春路隧道照明項目為例，介紹LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)的控制方式。

4.1 基本照明控制

圖5 壽春路下穿隧道LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隧道內(nèi)基本照明的特點是工作時間長，需要24小時持續(xù)照明。針對這一特點，我們在為壽春路隧道照明項目設(shè)計基本照明亮度時預(yù)留了足夠的冗余量。但這并不意味著要在使用時將設(shè)計冗余全部用上，即滿功率工作；而是需要多少功率就提供多少功率。在未來若干年內(nèi)，當燈具出現(xiàn)一定的光衰時，可通過控制系統(tǒng)相應(yīng)增加燈具的輸出功率，使隧道內(nèi)的基本照明強度始終都能滿足規(guī)范要求而又不會產(chǎn)生過度照明。

4.2 加強照明控制

隧道加強照明燈具早晨開啟和晚上關(guān)斷的時間以及燈具開啟后的亮度調(diào)節(jié)均由控制裝置進行控制?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)檢測到的洞外亮度數(shù)據(jù)進行運算，按照運算的結(jié)果控制洞內(nèi)燈具的輸出功率。這種自動跟蹤洞外亮度，調(diào)節(jié)洞內(nèi)亮度的照明方式，有效避免了過度照明，實現(xiàn)了按需照明的目標，最大限度地節(jié)約了電能。

4.3 應(yīng)急照明控制

隧道的應(yīng)急照明燈具又兼做基本照明燈具，均由EPS電源供電。當市電斷電時，控制裝置瞬間將基本照明燈具的功率同步控制到額定功率的15%左右。這使得在市電斷電情況下，系統(tǒng)能夠保證應(yīng)急照明的配光特性與原先的基本照明相同，最大限度地避免了交通事故的發(fā)生。

5 無級調(diào)光控制系統(tǒng)的優(yōu)越性

5.1 節(jié)約能源

如前文所述，LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)可以很好地適應(yīng)洞外亮度等因素引起的照明需求變化，有效地避免過度照明，在確保照明滿足規(guī)范要求的前提下最大限度地節(jié)約電能。應(yīng)用了亮度無級控制技術(shù)的LED燈具可以比應(yīng)用分級控制的同類燈具節(jié)能40%，比鈉燈節(jié)能70%～90%。

除此之外，LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)還可以在隧道車流量未達到設(shè)計標準時，依據(jù)規(guī)范對洞內(nèi)照明強度進行相應(yīng)的折減（折減量可根據(jù)需要任意設(shè)定），真正實現(xiàn)設(shè)計師們追求的按需照明的設(shè)計理念。

5.2 其他優(yōu)越性

節(jié)能只是LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)諸多優(yōu)越性中的一個，除此以外，它還有很多其他的優(yōu)越性：

（1）LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)的加強照明燈具只有在夏季的中午才接近滿功率工作，在一年中的大多數(shù)時間里，則均在10%～60%的功率下工作；而基本照明燈具的近期工作功率也是低于額定功率的（設(shè)計冗余留到遠期再用）。這使得燈具和電源的長期工作溫度非常低，不僅可大幅減小LED的光衰，還可延長LED和電源的壽命。

（2）LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)可在下半夜時令燈具的功率同步減半，配光特性保持不變，從而避免了單側(cè)關(guān)燈造成的危及行車安全的斑馬效應(yīng)的出現(xiàn)。

（3）LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)設(shè)計簡單，只需2個回路，即一個基本照明回路和一個加強照明回路。基本照明又兼作應(yīng)急照明；當市電斷電時，所有基本照明的功率均降至額定功率的10%，從而確保照度的均勻性。

（4）與分級調(diào)光系統(tǒng)相比，LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)可節(jié)約相當數(shù)量的電纜、控制箱及相應(yīng)的電氣費用。

6 經(jīng)濟性分析

下面，我們以一條長2km，水泥路面，單向2車道，設(shè)計時速80km/h，設(shè)計車流量每小時700輛，隧道路面寬度10.5m的隧道為模型，計算并對比鈉燈分級調(diào)光照明系統(tǒng)與LED智能無級控制系統(tǒng)的投資運營費用。（天氣情況按每年晴天165天，云天100天，陰天50天和重陰天50天進行計算；電費按商業(yè)用電價，即每千瓦時1元計算）

如圖6所示，鈉燈分級調(diào)光照明系統(tǒng)與LED智能無級控制系統(tǒng)的投資費用包括燈具、電纜和電氣設(shè)備（包括變電站、應(yīng)急電源、配電箱/柜以及燈具以外的電器等）的費用。

從圖中可以看出，兩種方案一次性投資費用相差并不大，但LED智能無級控制系統(tǒng)每年可節(jié)省近40萬元電費，若隧道在設(shè)計車流量條件下按規(guī)范要求開燈，則不到3年即可收回增加的投資。

7 結(jié)束語

綜上所述，在公路隧道項目中應(yīng)用LED無級調(diào)光控制有以下優(yōu)勢：

（1）LED調(diào)光控制可實現(xiàn)基于洞外亮度與交通量的按需照明，大大減少照明能耗。

（2）采用LED隧道照明可簡化供電回路設(shè)計，節(jié)約電纜與變壓器的投資。

（3）雖然目前LED隧道燈的價格高于高壓鈉燈，但LED隧道燈在實現(xiàn)調(diào)光控制后具有顯著的經(jīng)濟效益，投資回收期一般為3年左右。

圖6 LED與鈉燈照明系統(tǒng)投資營運費用對比圖