公路隧道LED灯照明系统设计应用及效益分析

尤三伟

（中铁一局集团电务工程有限公司，陕西 西安 710054）

1 概述

近年来，我国的公路建设规模不断扩大，全国各地的高速公路建设项目日益增多，其中隧道耗电占高速公路运营中的很大一部分，在实际运营中电能的浪费十分严重，运营过程中为了节约电能产生了运照明与行车安全和隧道监控之间的矛盾。在高速公路建设中采用隧道节能照明技术可以节约电能，降低运营成本，提高高速公路的经济效益和社会效益。

2 工程概况

磨黑至思茅高速公路是国道213线兰州—成都—昆明—磨憨中的一段，兰州至磨憨高速公路是国家西部大开发确定的八大通道之一，是昆明至曼谷国际大通道的重要路段，也是我国连接东南亚、南亚的重要通道，其路网地位十分重要。

宁洱隧道为双洞隧道，右洞起点桩号为K12+960，止点桩号为K15+105，隧道长2 145m；左洞起点桩号为K13+105，止点桩号为K15+165，隧道长2 150m。隧道双洞总长为4 295m。

3 系统方案设计

3.1 灯具选型

从各种灯具的基本参数来看，LED隧道灯具在光源功率、光源寿命、工作电压、调光功能、出光效率及灯具功率等方面都有很好的表现。

3.2 调光方案

选择隧道内和隧道外各一段为试验段，分别对平均照度、均匀度和纵向均匀度进行测试对比，如表1所示。

从表中数据可看出，采用LED灯的隧道内平均照度、均匀度及纵向均匀度高于隧道外60%亮度模式和5%的亮度模式的数值；隧道灯在60%亮度模式下的测试数据可以达到隧道内的照明效果，在25%的亮度模式下测试数据达到国家标准要求。经对数据对比分析可以得出相应的调光方式：在白天（6:00～18:00）情况下，隧道照明根据智能调光系统调节隧道照明效果；在晚间（18:00～21:00），考虑照明采用60%亮度模式；在夜间（21:00～次日6:00），行车较少的时段可考虑照明采用25%亮度模式，在达到标准要求的条件下使系统的功耗最低。

表1 隧道内和隧道外试验段平均照度、均匀度和纵向均匀度测试对比表

3.3 调整灯具布局

以宁洱隧道右线出入口共253m为试验段，对灯具布局进行分析，如表2～4所示。

表2 改造前高压钠灯布置情况表

表3 改造后LED灯布置情况表

表4 改造前后的对比表

改造后路面亮度测试数据：平均照度（亮度）为5.78 cd/m2；总均匀度0.79；纵向均匀度0.84；每月照度为5.75 cd/m2；故障率为0，满足《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1—1999要求。

从以上对比分析可知，LED灯具的使用在降低运营成本的同时，为驾驶员营造了良好舒适的视觉环境，进一步提高了高速公路运营安全性。

4 效益分析

隧道左右线全长2 145m，单洞双车道，照明设计计算速度为60 km/h，洞外环境亮度按照4 000 cd/m2设计，洞内区段划分亮度要求根据《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1—1999进行计算。对原设计高压钠灯照明方案和现计划LED隧道灯方案，从工程建设阶段的早期投资，工程使用阶段的后期投资两项综合分析比较（按照隧道单洞分析）。

4.1 高压钠灯照明方案

4.1.1 工程建设阶段的早期投资

4.1.1.1 灯具费用

表5 灯具费用表

4.1.1.2 电缆费用

高压钠灯使用VV4×35＋1×16电力电缆（160元/m，长度3 000m）电缆总造价48万元。

4.1.1.3 箱变费用

该隧道采用高压钠灯照明方案，需要配置1台150 kVA箱变，市场价格约为28万元/台。

以上仅为设备主材料费用，不含施工费（未考虑材料费用的涨价因素）。

4.1.2 工程使用阶段的后期投资

4.1.2.1 用电费用

①该隧道照明控制方案为：白天12 h，所有灯具均工作；夜间12 h，只有一半灯具工作。电费按0.6元/k W·h计算。设隧道使用高压钠灯照明，灯具总功率为：（250W×72＋150W×80＋100 W×444）×1.2÷1 000＝89.28 kW.（注：1.2为钠灯功耗系数。）6年用电费总计为：89.28 kW×12 h×1.5×0.6元/kWh×365×6÷10 000＝233.87万元。②洞外路灯每天工作时间12 h，电费0.6元/k W·h计算，总功率为：250W×32×1.2÷1 000＝9.6 kW。6年用电费用总计为：9.6 kW×12 h×0.6元/k W·h×365×6÷10 000＝15.14万元。

4.1.2.2 维护费用

①高压钠灯的维护费用主要指更换灯管时产生的费用，该费用包括购买灯管的费用和更换时设备的投入和人力费用。高压钠灯的灯管使用寿命一般为1年左右，如果不考虑电压波动对灯管寿命的影响，按照6年计算，则有（72＋80＋444）×6＝3576只灯管需更换。购买灯管费用平均为100元/只，更换费用为100元/次。设隧道6年高压钠灯维护费用合计为：3 576×（100＋100）÷10 000＝72.52万元。②洞外高压钠灯路灯6年维护费用合计为：32×6×（100＋100）÷10 000＝3.84万元。

4.2 LED光源隧道灯照明方案

4.2.1 施工阶段的早期投资

4.2.1.1 灯具费用

用1盏100W的LED隧道灯代替250W高压钠灯（洞外路灯用110W的LED路灯代替250W高压钠灯）；用1盏70W的LED隧道灯代替150W高压钠灯；用1盏50W的LED隧道灯代替100W高压钠灯，灯具费用如表6所示。

表6 LED灯具费用表

4.2.1.2 电缆费用

采用LED光源隧道灯，实际功率远远小于高压钠灯，因此选择的电力电缆型号完全可以降低规格。LED灯使用VV4×16＋1×10电力电缆（55元/m，长度3 000m）电缆总造价16.50万元。

4.2.1.3 箱变费用

该隧道如采用LED光源照明方案后，由于功率只有高压钠灯方案的35%左右，因此只需配置1台50 kVA变压器即可，该箱变市场价格约为12万元/台。

以上仅为设备主材料费用，不含施工费（未考虑材料费用的涨价因素）。

4.2.2 工程使用阶段的后期投资

4.2.2.1 用电费用

①该隧道照明控制方案为：白天12 h，所有灯具均工作；夜间12 h，只有一半灯具工作，电费按照0.6元/度计算，设隧道使用LED光源隧道灯，灯具总功率为：（100W×72＋70W×80＋50W×444）÷1000＝35 kW。6年用电费用总计为：35 kW×12h×1.5×0.6元/k W·h×365×6÷10 000＝82.78万元。②洞外路灯每天工作12 h，电费0.6元/度计算，总功率为：110W×32÷1 000＝3.52 kW·6年用电费用总计为：3.52 kW×12 h×0.6元/k W·h×365×6÷10 000＝5.55万元。

4.2.2.2 维护费用

LED光源隧道灯由于采用LED发光管为光源，其使用寿命可达50 000 h，即可以连续使用6年，因此在使用寿命期限内，基本上不需要进行维护。

4.3 两种灯具照明方案对比

两种灯具照明方案对比，如表7所示。

表7 两种灯具照明方案对比表

通过上面计算可以看出，LED光源隧道灯虽然在早期投入比高压钠灯多75.56万元，但是由于其耗电量少，维护费用低在连续使用6年后，LED光源隧道灯比高压钠灯至少要节约161.48×2=322.96万元（双洞）。

5 结束语

从灯具选型、调光方案、灯具布局等方面叙述了系统的方案设计，LED灯具的使用在极大降低营运成本的同时，为驾驶员营造了良好舒适的视觉环境，进一步提高了高速公路运营安全性。通过高压钠灯和LED灯的采购、安装及后期使用维护等方面的费用比较，说明LED灯光源虽然在早期投入比高压钠灯多，但是由于其具有耗电量少、维护费用低等特点，在连续使用6年后，LED灯光源比高压钠灯具有明显节约费用优势，给隧道运营方带来较大的经济效益。因此，LED灯光源节能技术将有巨大的应用前景和社会、经济价值。

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