高速公路隧道照明系统节能的研究

马俊

【摘 要】隧道照明系统是保证隧道安全运营的重要组成部分。目前隧道照明系统主要采用高压钠灯，需要大量的电力资源，造成后期运营过程中需要支付高昂的电费，消耗大量的电能资源。本文旨在根据隧道照明系统特性，比较高压钠灯和LED灯的优缺点，阐述无级调控系统的的优点，讨论高速公路隧道照明系统的节能研究。

【关键词】LED灯具 无级调控

由于公路隧道具有缩短公路里程、提高运输效益、利用地下空间、节省用地和保持生态环境等优越性，公路隧道方案被广泛采用，公路隧道项目日益增多。但是，隧道机电设施的规模增大、数量增多，隧道后期的运营电费日趋增高，消耗的电力资源日益多。为响应国家“节能减排”的号召，必须开辟一条新的道路，既能满足越来越庞大的隧道照明设施的规模，同时又能做到减少资源的消耗。本文结合设计规范及设计项目，重点考虑隧道照明系统中灯具选择、控制方式2个重要因素，讨论高速公路隧道照明系统的节能研究，。

1 灯具选择

（1）高压钠灯。目前，由于高压钠灯具有穿透性好、技术成熟、造价低等特点，隧道照明系统灯具主要采用高压钠灯，其功率规格主要是400W、250W、150W和100W等。但许多高速公路隧道照明灯具实际仅需40W～140W即可，当道路需要60W时，由于高压钠灯光源没有这些规格型号，只能选取100W的规格，因此造成灯具选用功率较高，形成单侧开灯亮度不满足要求、双侧开灯照明过度，这是造成隧道照明后期运营费用昂贵的原因之一。其次，高压钠灯工作电路主要是灯泡+镇流器，因此高压钠灯实际的功率损耗除了灯泡的功率损耗外，还应增加镇流器的功率损耗，这一部分损耗增加了整个系统的功率损耗，也是造成隧道照明后期运营费用昂贵的原因。隧道大多远离市区，供电一般采用稳定性较差的农电，夜晚供电电压升高，当电源电压高达250V左右时，功率为250W的高压钠灯（含镇流器）功率为378W，较额定值增加了50%。在这种电压下，高压钠灯的寿命（亮度衰减50%时的工作时间，一般为额定状态下为20000小时）会大幅减少，这也是高压钠灯实际功耗远远超出额定功耗、夜晚越点越亮的原因。

（2）LED灯。LED灯具可根据实际需要选取合适的功率规格，当道路需要60W时，LED灯具就可以选取60W的规格，从而减少因灯具功率规格选取偏大造成的电能浪费，减少后期的运营费用。其次，LED灯具没有镇流器，因此LED灯具的实际功率就只有灯泡的功率，不会有额外的损耗，同样降低后期运营的费用。此外，LED灯具对电源电压的要求不高，一般在170V～250V之间，LED灯具大多采用恒流供电，即流过LED灯具的电流不受电源电压变化的影响，只取决于出厂时的设定值，因此它的功率是几乎不变的。由于不受电源电压变化影响，LED灯具在夜晚工作时不受影响，不会出现越点越亮的现象，这样既消除了因亮度增加驾驶人员带来的眩光效应，保证了行车的安全，同时又不会损耗额外的电力资源，减低运营费用。

（3）对比。隧道右线全长2494米，左线全长2427米，根据计算，若隧道采用高压钠灯照明，需要各类高压钠灯1048套，灯具费用为74万元；需要各类电缆41347m，电缆费用为351万元，灯具电缆费用总计425万元。若隧道采用LED灯照明，需要各类LED灯具1704套，灯具费用为324万元；需要各类电缆43315m，电缆费用为210万元，灯具电缆费用总计534万元。综上比较，LED灯具前期投入较高压钠灯多109万元。目前，高压钠灯寿命为2万小时，LED寿命为5万小时。由于隧道照明基本段灯具常亮，现将所有灯具折算为每天平均工作18小时，则钠灯寿命约为3年，LED寿命约为7.6年。现对今后5年和10年的运营费用做一个对比：高压钠灯：总功率为234千瓦，5年用电量约为769万度，5年电费总价为461万元，5年灯具更换灯具1次，5年维护费用为90万元；10年用电量为1537万度，10年电费总价为922万元，10年更换灯具3次，10年维护费用269万元。LED灯：总功率为106.3千瓦，5年用电量为349万度，5年电费总价为209万元，5年灯具更换灯具0次，5年维护费用为0元；10年用电量为698万度，10年电费总价为419万元，10年更换灯具1次，10年维护费用323万元。由上可知，5年的运营费用（电费+灯具更换费用），LED灯具比高压钠灯节省约342万元；10年的运营费用（电费+灯具更换费用），LED灯具比高压钠灯节省449万元。通过以上的对比，LED灯具虽然在前期投入时费用较高，但在后期的运营过程中，大大降低运营费用，减少能源的消耗。

2 无极调控

无级调控方式就是通过亮度检测仪对隧道外亮度进行实时采集，通过规范中规定的比例关系，结合隧道管理站给定的车流量信息，计算出隧道内亮度的需求，通过DC 0～5V的模拟电压信号进行传输去同步控制加强照明，基本照明亮度根据隧道管理站提供的车流量信息和路面照度要求等信息通过控制器计算后去控制相应回路，使其满足隧道内亮度要求且各照明段平滑过渡，不会造成过度照明，形成资源浪费。在设计隧道照明时，我们要求按照夏天中午时的最大洞外亮度进行计算加强照明的亮度，并考虑到足够的冗余，以确保运营期间的每一天且灯具的亮度衰减到额定值的下限时，洞内照明强度依旧能够满足规范要求。然而在实际运营期间，洞外亮度会随着天气、季节和时辰的不同发生变化，即L20（S）时刻在变化，它会从几十坎德拉变化到几千坎德拉。L20（S）变化，公式中的Lth也应随之变化，这种照明方式才是合理的。如果L20（S）变化而Lth不变或者仅简单地分几个等级进行变化，都会造成巨大地电能浪费。无级调控可以利用亮度仪实时采集隧道外亮度的信息，并通过控制器改变隧道内相应的亮度。根据规范要求，加强照明主要依靠隧道外亮度决定，基本照明可根据规范设定，因此采用无级调控方式只需将灯具划分为2个回路，较目前控制方式，减少回路数，减少电缆数量，相关的供配电设备数量相应减少，变电所规模减小，从而降低了前期的投资和占地规模。

3 结语

虽然在现阶段的设计是合理的，但由于现有调光方式无法适应隧道外亮度，传统灯具亮度无法实现按需照明，传统灯具的缺点从而浪费大量的电力资源，形成能源的浪费。通过LED灯具和无级调控方式的结合，可以大大减少隧道照明系统在运营过程中产生的运营费用，降低电力资源的浪费，从而相应国家“节能减排”的号召。

参考文献：

[1]公路隧道通风照明设计规范（JTJ 026.1-1999）.人民交通出版社.

[2]周健，吕晓峰，杨洋.公路隧道LED灯照明系统无级调光控制方式研究.endprint