节能灯具在高速公路隧道照明系统中的应用

卢 桢

(湖南省衡桂高速公路建设开发有限公司,湖南衡阳 421001)

1 隧道照明系统概述

1)照明工程是高速公路不可分割的一部分,其不仅在功能上保障高速公路高效率,顺畅运营,同时在一定程度上标志着一个国家地区高速公路建设水平乃至整个经济的发展水平。近几年随着国家拉动内需对高速公路资金的大量投入,各地建设单位对高速公路建设水平要求越来越高,尤其在节能环保等新科技产品方面逐步向发达国家水平看齐。

2)隧道照明系统的组成。

隧道照明系统按设计规范要求分为入口段、过渡段、中间段、出口段、接近段减光设施、应急照明、洞外引道照明。各段长度和照度根据车速及当地隧道洞外亮度进行划分制定,各段灯具的功率和灯具分布密度根据全年洞外最大亮度和最高行车时速进行确定。在正常情况下,照明系统分三级进行控制,第一级为照明的光强检测值自动控制,第二级为照明的时序自动控制,第三级为手动控制。见图1。

图1 隧道的各区域和亮度要求情况

2 隧道照明节能技术

目前隧道灯具大多采用高压钠灯,但其使用寿命短,通常只有1.8万h,且其在电压高于一定数值时,亮度几乎不变,不能完全适应电压易波动的隧道应用场合,以至考虑采用降压设备达到节能的效果。电磁感应无极灯是基于电磁感应的原理;光效高,大于110 lm/W;可随时立即启动、可在低温状态下启动(零下26℃)、发光平稳且无频闪;可用于交直流电源,是一款将灯泡与智能芯片结合,没有电极,不用灯丝,集电、磁、光技术于一体,因为没有电极,所以不存在由于电极溅散或失效而造成灯寿命终止的可能,因此比传统气体放电光源的寿命长(见表1),寿命在60 000 h。长寿命不但能够减少灯损坏造成的经济损失,同时使其维护更换的费用大大减少,通车运营的隧道,更换灯具困难,因此电磁感应无极灯是比较理想的隧道照明光源。另外长寿命的光源可以减少制灯材料损耗,减少灯废弃物对环境的污染,也是符合绿色环保的要求。

表1 常用灯具基本参数对比

2.1 无极灯主要技术指标及工作原理

1)功率因素:无极灯的功率因素最高达到0.99以上。

2)谐波含量:无极灯的谐波含量达到国际的L级标准,对公共电网的危害程度小。

3)电磁兼容:无极灯符合美国FCC标准;是安全的电子电工产品。

4)全光谱:无极灯是完整光谱的类似日光的光源;物体色彩还原度高、逼真而饱和。

无电极荧光灯系统是基于电磁感应的原理,使等离子体与电路磁力线耦合,利用套在灯管外面的一对铁芯在灯管内形成感应电流,而不像普通荧光灯一样,利用电极将外部的电能转化为灯内部工作所需要的能量。套在灯管外面的一对铁芯的作用犹如变压器的初级线圈,而闭合的灯管的作用犹如变压器的次级线圈。电子镇流器可根据需要,与灯管分开安装。在接通电源后,电子镇流器会产生大于1.5MHz以上工作频率的交变电流,从而在放电区产生交流磁场。根据法拉第电磁感应定律,变化的磁场会在灯管内产生感应电流,从而使低压汞和惰性气体的混合蒸汽产生放电,辐射出253.7 nm的紫外线,再通过荧光粉转化为可见光。

无极灯没有电极,灯管部分不存在有易损元件,整个系统的寿命主要取决于电子镇流器,所以这类灯的寿命非常长,可达到6万h以上。特别适用于换灯困难、节约能源、节约运营费用,以及对安全要求极高的重要场所。如隧道、交通复杂地带、地铁站、天花板很高的厂房、危险地域照明、大厅、运动场等。

无电极荧光故不受频繁开关限制;方或长的几何形状可满足不同灯具设计的需要;无极灯所用材料99.6%都可以循环再利用,特别符合环保的需要。

2.2 节能对比分析

见表2,表3。

表2 常用光源用电量计算

表3 无极灯光源用电量计算

3 邵怀高速隧道节能照明的应用

湖南省邵怀高速公路全长约168 km,共设有14座隧道,其中1 km以上的隧道有4座,其中雪峰山隧道单洞长约7余km,如此大的隧道群照明灯具设计布置量也很大,因此对隧道照明的技术要求较高,对隧道照明的节能运行和长寿命运行有着非常苛刻的要求,对照明灯具的布置和照明灯具的选择特别需要重视。

虽然无极灯有寿命长,无频闪,不会造成眼睛疲劳,显色指数高于85,低眩光、光色度接近太阳光,启动时间0.5 s,可重复启动等特点,但是目前无极灯寿命6万h只是理论寿命,实际寿命还有待研究;再者无极灯“电子镇流器”成本高,一只185W无极灯一旦损坏,全灯替换,成本高达300～500元/只,而钠灯损坏,只需要更换一只40～60元的灯管。

邵怀高速为了对照明节能课题进行深入研究,经各方专家讨论研究决定对大湾隧道、月溪隧道、雪峰山隧道、鸡公界隧道采用综合照明方案,即:

1)在大湾隧道、雪峰山隧道、鸡公界隧道运用高压钠灯作为入口段、基本段照明以满足设计照度要求,运用无极灯作为应急照明以节省能源。若采用普通荧光灯作应急灯光源,由于普通荧光灯的发光效率仅为无极灯的一半,而普通荧光灯达不到规范对应急照明的照度要求,更达不到正常时作为基本照明的照度要求,只能通过增加应急灯的数量,缩短其间距,同时还需在应急灯处加装一盏光效高的其他气体放电灯,才能满足照度要求,邵怀高速公路为此还需增加大量的投资。此外,若采用高压钠灯作为应急灯的光源灯,断电时,应急高压钠灯会出现短暂熄灭,无法满足断电时规范对应急灯不间断供电的要求。为此采用100W无极灯,作为隧道的应急照明灯,该灯光效高(80 lm/W,接近高压钠灯的光效),正常时可作为基本照明灯使用,满足照度要求。同时,克服了高压钠灯的断电间隙问题,满足应急灯的不间断供电要求。

2)在月溪隧道运用分布式UPS供电方式的低压钠灯作为应急照明灯具以节省能源和便于供电控制。

近几年随着国家经济的飞速发展,对能源能需求也越来越高,乃至2004年度全国有24个省市区严重缺电,历来党中央、国务院将节约资源作为基本国策,2008年4月1日《节能法》开始实施。目前我国的照明用电约占社会总用电量的12%,随着高速公路的不断发展和特长隧道的不断出现,对节能技术及节能灯具的需求将越来越高,为此如何设计一个节能的照明系统,还需认真研究与思考。