涂耘 王少飛 鄧欣 李科 陳建忠

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 隧道建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067;2.國(guó)家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心，重慶 400067)

1 引言

截至2010年，全國(guó)公路隧道為 7384處、512.26萬(wàn)m(如圖1所示)，其中，特長(zhǎng)隧道265處、113.80萬(wàn) m，長(zhǎng)隧道1218處、202.08萬(wàn) m。公路隧道作為能源消耗大戶，其照明節(jié)能問(wèn)題逐漸得到相關(guān)行政機(jī)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)公司、科研院所和社會(huì)團(tuán)體的高度重視。作為技術(shù)性節(jié)能［1－2］的一項(xiàng)重要措施，公路隧道照明采用“綠色光源”已為業(yè)界廣泛認(rèn)同，并得到示范工程應(yīng)用。本文對(duì)公路隧道LED燈的工作原理及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合中間視覺(jué)反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，提出公路隧道LED燈等效亮度計(jì)算方法與照明標(biāo)準(zhǔn)，并以廣樂(lè)高速公路4座LED燈應(yīng)用示范隧道工程為例，對(duì)其節(jié)能效益進(jìn)行分析，以期為公路隧道LED燈推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

圖1 我國(guó)公路隧道發(fā)展?fàn)顩r (2000～2010)

2 LED燈工作原理及其優(yōu)點(diǎn)

LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)被稱為“第四代光源”，也是未來(lái)“綠色照明”的主角［3］。與白熾燈和氣體放電燈發(fā)光原理迥異，LED自發(fā)性的發(fā)光是由于電子與空穴的復(fù)合而產(chǎn)生的 (如圖2所示)。白光LED的出現(xiàn)為半導(dǎo)體照明打開(kāi)了一扇嶄新的大門(mén)，目前獲得白光LED主要有兩大途徑:一是通過(guò)熒光粉轉(zhuǎn)換得到白光;另一是把不同顏色的LED芯片封裝到一起，多芯片混合發(fā)出白光。

LED照明產(chǎn)品之所以受到重視，主要由于其具有以下優(yōu)點(diǎn):①壽命長(zhǎng)，國(guó)外有學(xué)者認(rèn)為其使用壽命可長(zhǎng)達(dá)20年;②更節(jié)能，利于環(huán)保;③光方向性強(qiáng)，光通量利用率高;④白光色溫可調(diào);⑤瞬時(shí)啟動(dòng)，立即獲得100%的光和色;⑥光源中無(wú)汞;⑦低壓直流工作，更安全;⑧顯色性高;⑨抗震動(dòng)沖擊性好;⑩為點(diǎn)光源，有利于燈具設(shè)計(jì)。

圖2 LED工作原理

具體至公路隧道工程應(yīng)用而言，LED燈則具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì):①為定向光，燈具利用系數(shù)可高達(dá)0.8～0.9;②顯色指數(shù)高，有利于保障公路隧道行車安全;③可無(wú)級(jí)調(diào)光，實(shí)現(xiàn)“按需照明”;④使用壽命較長(zhǎng)，可節(jié)約大量養(yǎng)護(hù)管理費(fèi)用;⑤全壽命周期成本最低。

3 公路隧道LED燈等效亮度［4］

3.1 中間視覺(jué)實(shí)驗(yàn)方法

夜間道路照明水平屬于中間視覺(jué)范疇，目前研究中間視覺(jué)的實(shí)驗(yàn)方法主要有:①基于視亮度(Brightness)的異色視亮度匹配法;②基于亮度(Luminance)的閃爍光度測(cè)量法;③基于反應(yīng)時(shí)間(Reaction Time)的視覺(jué)功效法;④基于光源的暗視覺(jué)光通量與明視覺(jué)光通量之比 (S/P)研究法。

上述方法中，視覺(jué)功效法被認(rèn)為更具合理性，其測(cè)試在不同照明環(huán)境下 (背景亮度、視標(biāo)對(duì)比度、視標(biāo)偏心角等)，人眼對(duì)背景中隨機(jī)出現(xiàn)目標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間。視覺(jué)功效法可模擬實(shí)際視覺(jué)作業(yè)環(huán)境，以直接評(píng)價(jià)不同照明條件下操作者視覺(jué)作業(yè)能力和建立以反應(yīng)時(shí)間為基礎(chǔ)的視覺(jué)模型，從而評(píng)價(jià)人眼真實(shí)的視覺(jué)功效。在中間視覺(jué)范圍內(nèi)，反應(yīng)時(shí)間與亮度水平、視標(biāo)對(duì)比度、視標(biāo)偏心角等因素有關(guān)。但當(dāng)背景亮度、視標(biāo)對(duì)比度、視標(biāo)偏心角一定，以與光源光譜成分直接相關(guān)的光源色溫為唯一變量時(shí)，反應(yīng)時(shí)間是否會(huì)隨之變化還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

3.2 照明光源色溫影響

通過(guò)模擬夜間駕駛條件下的視看環(huán)境，測(cè)量人眼在隧道照明條件下觀測(cè)視標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間，以獲得反應(yīng)時(shí)間與各種隧道照明因素 (實(shí)驗(yàn)參數(shù))之間的變化關(guān)系。

1)反應(yīng)時(shí)間與背景亮度關(guān)系

在6種不同背景亮度 (Lb=0.32、1.0、1.5、2.0、2.5、4.5cd/m2)、2種不同亮度對(duì)比 (C=0.2、0.5) 和3種不同視標(biāo)偏心角 (θ=0°、10°、20°)下，測(cè)試者對(duì)金屬鹵化物燈 (MH)、高壓鈉燈 (HPS)、LED燈、緊湊型熒光燈 (CFL)和低頻無(wú)極燈 (LVD)的反應(yīng)時(shí)間如圖3所示。研究結(jié)果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，測(cè)試者反應(yīng)時(shí)間沒(méi)有明顯區(qū)別，相對(duì)于MH和LED，反應(yīng)時(shí)間都較長(zhǎng);五種光源中，在LED下反應(yīng)時(shí)間最短，其次是MH。這說(shuō)明若以反應(yīng)時(shí)間作為參考指標(biāo)，LED燈照明效果最好，其次是 MH，而 HPS、CFL和LVD的照明效果沒(méi)有明顯差別，都比LED和MH差一些。

圖3 五種光源下的反應(yīng)時(shí)間與背景亮度的關(guān)系

2)視標(biāo)對(duì)比度對(duì)反應(yīng)時(shí)間影響

在視標(biāo)對(duì)比度C為0.2和0.5時(shí)，反應(yīng)時(shí)間與背景亮度的關(guān)系如圖4～圖5所示。研究結(jié)果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，測(cè)試者反應(yīng)時(shí)間沒(méi)有明顯區(qū)別，相對(duì)于MH和LED，反應(yīng)時(shí)間都較長(zhǎng);五種光源中，在LED下反應(yīng)時(shí)間最短，其次是MH。這說(shuō)明無(wú)論視標(biāo)對(duì)比度C為0.2還是0.5，若以反應(yīng)時(shí)間作為參考指標(biāo)，都是LED燈照明效果最好，其次是MH;而HPS、CFL和LVD的照明效果沒(méi)有明顯差別，都比LED和MH差一些。

圖4 C=0.2時(shí)五種光源下的反應(yīng)時(shí)間與背景亮度的關(guān)系

3)偏心角對(duì)反應(yīng)時(shí)間影響

圖5 C=0.5時(shí)五種光源下的反應(yīng)時(shí)間與背景亮度的關(guān)系

視標(biāo)偏心角為0°、10°和20°時(shí)，測(cè)試者在五種光源下的反應(yīng)時(shí)間如圖6～圖8所示。研究結(jié)果表明，在光源HPS、CFL和LVD下，測(cè)試者反應(yīng)時(shí)間沒(méi)有明顯區(qū)別，相對(duì)于MH和LED，反應(yīng)時(shí)間都較長(zhǎng);五種光源中，在LED下反應(yīng)時(shí)間最短，其次是MH。這說(shuō)明對(duì)于周邊視覺(jué)，無(wú)論視標(biāo)偏心角θ為10°還是20°，若以反應(yīng)時(shí)間作為指標(biāo)，都是LED燈照明效果最好，其次是MH;而HPS、CFL和LVD的照明效果沒(méi)有明顯差別，都比LED和MH差一些。對(duì)于中央視覺(jué) (視標(biāo)偏心角θ為0°)，仍然是在LED下反應(yīng)時(shí)間最短，在HPS、CFL和LVD下測(cè)試者反應(yīng)時(shí)間沒(méi)有明顯區(qū)別;在低亮度 (背景亮度低于2.5cd/m2)時(shí)，在MH下反應(yīng)時(shí)間大于LED，但明顯小于在另外三種光源下的反應(yīng)時(shí)間，當(dāng)背景亮度在2.5cd/m2及以上時(shí)，在MH下的反應(yīng)時(shí)間大于在LED下的反應(yīng)時(shí)間，但已與在其他三種光源下的反應(yīng)時(shí)間沒(méi)有明顯區(qū)別。

圖6 θ=0°時(shí)五種光源下的反應(yīng)時(shí)間與背景亮度的關(guān)系

3.3 隧道照明等效亮度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的各種照明條件下反應(yīng)時(shí)間與背景亮度之間的關(guān)系可求出反應(yīng)時(shí)間相等時(shí)，MH、LED、CFL和LVD對(duì)HPS的亮度對(duì)比系數(shù)R(L)，見(jiàn)表1。即基于視覺(jué)功效法，LED燈產(chǎn)生2.5×0.4613=1.15cd/m2的照明效果與高壓鈉燈產(chǎn)生2.5cd/m2的照明效果是等效的。

圖7 θ=10°時(shí)五種光源下的反應(yīng)時(shí)間與背景亮度的關(guān)系

圖8 θ=20°時(shí)五種光源下的反應(yīng)時(shí)間與背景亮度的關(guān)系

表1 MH、LED、CFL和LVD對(duì)HPS的亮度對(duì)比系數(shù)R(L)

4 公路隧道LED燈照明標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外公路隧道LED燈照明理論研究與工程應(yīng)用［5－8］，建議通風(fēng)狀況良好、能見(jiàn)度高的長(zhǎng)大公路隧道中間段照明可采用LED光源，其亮度值取中間段正常設(shè)計(jì)亮度值［9］的50%，但最低亮度值不得低于1.5cd/m2，見(jiàn)表2。公路隧道加強(qiáng)照明 (入口段、過(guò)渡段、出口段)宜采用高壓鈉燈［10］。

表2 LED燈照明中間段亮度Lin(cd/m2)

5 公路隧道LED燈應(yīng)用示范

正在建設(shè)之中的廣東廣樂(lè)高速公路大瑤山1號(hào)特長(zhǎng)隧道 (單洞長(zhǎng)4220m)、大拉山長(zhǎng)隧道 (單洞長(zhǎng)1790m)、沙口中隧道 (單洞長(zhǎng)642m)和茶山短隧道 (單洞長(zhǎng)261m)，已作為國(guó)家發(fā)改委、住建部和交通運(yùn)輸部組織實(shí)施的“半導(dǎo)體照明產(chǎn)品應(yīng)用示范工程”。采用本文理論研究成果，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的隧道中間段照明經(jīng)濟(jì)效益分析見(jiàn)表3。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每節(jié)約1度 (kW·h)電，就相應(yīng)節(jié)約0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少排放0.272kg的碳粉塵、0.997kgCO2、0.03kgSO2、0.015kg 氮氧化物［11］。經(jīng)計(jì)算分析可知，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)年運(yùn)營(yíng)節(jié)電296.77萬(wàn)度，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1187.08t，減排碳粉塵807.21t、CO22958.80t、SO289.03t、氮氧化物 44.51t。不僅經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益相當(dāng)可觀，生態(tài)效益也極為明顯。

表3 高壓鈉燈設(shè)計(jì)方案與LED燈設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比表 (基本照明)

6 結(jié)語(yǔ)

(1)LED作為“第四代光源”，與傳統(tǒng)光源相比具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，將LED燈應(yīng)用于公路隧道，對(duì)于降低用電能耗、緩解用電壓力、建設(shè)“資源友好型”公路隧道具有非常重要的社會(huì)意義。

(2)基于視覺(jué)功效法，明確提出公路隧道LED燈等效亮度計(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)研究表明LED燈產(chǎn)生1.15cd/m2的照明效果與高壓鈉燈產(chǎn)生2.5cd/m2的照明效果是等效的。

(3)在理論研究成果的基礎(chǔ)上，首次明確提出公路隧道LED燈照明標(biāo)準(zhǔn)，并建議通風(fēng)狀況良好、能見(jiàn)度高的長(zhǎng)大公路隧道中間段照明可采用LED光源。

(4)理論分析計(jì)算表明，將LED燈應(yīng)用于公路隧道基本照明，不僅經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益相當(dāng)可觀，生態(tài)效益也極為明顯。

(5)由于公路隧道照明的特殊需求及應(yīng)用環(huán)境，目前國(guó)產(chǎn)大功率公路隧道LED燈技術(shù)上還存在諸多瓶頸問(wèn)題［12］。作為新興產(chǎn)品的公路隧道LED燈由于配光設(shè)計(jì)、散熱、色溫、維護(hù)、性價(jià)比等方面的不足限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用，目前尚不能完全取代傳統(tǒng)高壓鈉燈。

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