关于云南LED隧道照明节能应用初探

刘毅峰，李承金，金瑞雪

（1.云南省电子工业行业协会，云南 昆明 650031；2.云南聚诚科技有限公司，云南 昆明 650100；3.云南大学滇池学院，云南 昆明 650100）

关于云南LED隧道照明节能应用初探

刘毅峰1，李承金2，金瑞雪3

（1.云南省电子工业行业协会，云南 昆明 650031；2.云南聚诚科技有限公司，云南 昆明 650100；3.云南大学滇池学院，云南 昆明 650100）

文章针对近年来逐渐进入公路隧道照明的LED灯各种节能应用的调光范围、调光方法、电源效率、信号传输性能等影响因素进行对比分析，提出了目前最适合云南LED隧道照明的最佳方式。

公路隧道照明；LED灯；自动照明装置；按需照明

目前，隧道照明几乎都是采用高压钠灯作为光源。但是高压钠灯在辐射形式、显色性、视觉敏感特性、功率规格、亮度控制等方面都存在许多不足，而新兴的LED公路（隧道）照明灯具以其优异的性能，克服了高压钠灯的诸多不足，正在成为当今世界公路（隧道）照明灯具的主流。公路（隧道）照明电费是运营成本的重要组成部分。特别是在西部云、贵高原地区，因海拔较高、气候多变、地形复杂，导致公路隧道较多，给公路运营增加了更高的成本。为此，相关专家及云南聚诚科技有限公司相关工程技术人员研发了：“高原型LED公路（隧道）自动照明系统控制装置”（现以申请国家专利），能在完全满足公路（隧道）照明规范的前提下，克服亮度不可控光源过度照明造成的电能浪费现象，最大限度地降低公路（隧道）照明能耗，节约的运营费用，为实现西部经济的可持续发展，保护环境，减少碳排放提供了较为可行的方法。

1 洞外亮度对隧道照明的能耗影响

洞外亮度L20（S）是指在接近段起点S处，距地面1.5m高正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度。它是隧道照明系统设计的基准之一，一般是在夏季（7、8月份）晴天中午测得。由于洞外亮度随季节、气象和每日早、晚等因素影响，通常洞外的实际亮度均远低于夏季晴天中午的亮度，而隧道内加强照明的标准值又都是根据隧道洞外的亮度L20（S）乘以一个系数得来的，因此在一年的大多数时间里，加强照明强度远高于洞内的实际需要，形成过渡照明，电能浪费相当巨大。以80KM/h的双车道单向交通为例，若设计交通量大于等于2400辆/h时，其入口段的亮度折减系数为0.035。

光源在某一方向的亮度是光源在同一方向的光强与发光面在该方向上投影表面积之比。单位：坎德拉/平方米（cd/m2）。

表1 不同洞外亮度与洞内亮度的关系（cd/m2）

从表1可以看出，洞外亮度对隧道照明能耗影响相当大。洞外亮度超高，洞内照明强度越要高。洞外亮度超低，洞内照明强度也随之降低。由于一年中绝大部分时间洞外亮度远低于设计基准洞外亮度L20（S），因此若能够采用“高原型LED公路（隧道）自动照明系统控制装置”，根据隧道洞外实际亮度对洞内加强照明进行跟踪控制，就能有效地避免过度照明，在完全满足规范的前提下最大限度地节约电能。

2 洞外天气对隧道照明能耗的影响

洞外亮度对加强照明能耗的影响很大，而天气、季节和时辰的不同，其洞外亮度更是大不相同。以一个洞外亮度为3000cd/m2的隧道为例，其夏天洞外中午的亮度为 3000 cd/m2，秋分时洞外中午的亮度为1860cd/m2，冬至时洞外中午的亮度为842cd/m2，早、晚和阴天的洞外的亮度可低至200 cd/m2以下。目前我国隧道照明白天大多按照四级调光方式，即晴天、多云、阴天、和重阴天四个亮度等级。这四个亮度等级大多不分季节以及上午、上午和下午，因此能耗的浪费仍旧相当巨大。图1为高压钠灯晴天洞内加强照明功率线和实际功率需求曲线。图2为LED灯具洞内加强照明功率线。图3为“高原型LED公路（隧道）自动照明系统控制装置”跟踪晴天洞外亮度人洞内加强照明功率曲线。每条线下面的面积即为该种灯具当日加强照明的总功耗。图中最上面一条均是高压钠灯的晴天照明功率线，所标的能耗百分制均指与钠灯晴天照明能耗进行的比较。

从图1中看出，夏至白天钠灯加强照明功率需求曲线下部的面积（即能耗，下同）只占设计照明功率线下部面积的37%，而年平均白天钠灯功率需求线曲线下部的面积占设计照明功率线下部面积的22.7%。如果钠灯的输出功率在大范围内是可控的，那么仅按每日的照明功率线进行跟踪控制，对于加强照明而言，每年即可节能77.3%。实现公路（隧道）照明洞内亮度跟踪洞外亮度实时变化的目标，人类已追求了一个多世纪。但由于传统光源的局限性，人类一直未能如愿以偿。白炽灯虽可进行无级调光，但由于其低下的光效使得其调光变得毫无意义。气体放电灯（如高压钠灯）目前只能在很小范围内实现调光。这种调光，白天对公路（隧道）照明能耗影响并不大。就高压钠灯而言，比较好的节能方法是采用多回路分级控制方式。根据检测到的洞外亮度，对洞内回路进行调整。这种分级控制洞内亮度的方式可产生一定的节能效果。但随着科学技术的发展，LED以其优异的性能正在成为照明领域的主流光源，其控制方式也越发先进。

图2 LED灯具洞内加强照明功率线

图2为LED洞内加强照明功率线。从图中可以看出，LED晴天照明的功率线仅有高压钠灯的50%，这主要是因为LED公路（隧道）灯具有较高的灯具效率、维护系数、显色指数、有效照度以及可任意设置的功率规格等特点，使得其在满足规范要求的条件下能耗大幅下降。

LED光源与其他光源不同，它的工作电流在额定范围内可大可小。这一特性为LED灯具实现亮度无级控制奠定了基础。目前，“高原型LED公路（隧道）自动照明系统控制装置”已经发完毕，（现以申请国家专利），如果该技术能得到推方应用，必将对公路（隧道）照明节能产生重大影响。

3 自动照明系统控制器节能分析

图3 跟踪晴天洞外亮度人洞内加强照明功率曲线

图3绘出了采用“高原型LED公路（隧道）自动照明系统控制装置”跟踪的加强照明功率曲线。从图中可以看出，年平均照明功率需求比夏至时要小，冬至功率最低。如采用“高原型LED公路（隧道）自动照明系统控制装置”以后，不论是一年中的哪一天，它都会按照实际的功率需求去照明，而无须多付出照明能耗。通过计算可得，其年平均白天照明能耗比钠灯光源的公路（隧道）和恒定亮度的LED公路（隧道）照明要低得多，约为钠灯的16.5%，LED灯具的33%，实现了真正意义上的按需照明。该系统装置用于公路（隧道）照明，无论何种天气，其相对节能百分比并无太大差异。用它替代高压钠灯的加强照明，可以实现83.5%的节能目标，比亮度不可控的LED公路（隧道）照明灯具节能67%。因此，这一系统装置的节能效果相当显著，将是当今及至今后相当长一段时间内公路（隧道）照明灯具节能的理想方案。

4 电源电压对照明能耗的影响

气体放电灯对电源电压的稳定度要求较高，一般变化在6%以内，否则能耗将大幅增加，光源寿命大幅减小。

在晚上，荧光灯、金卤灯和高压钠灯通常会越点越亮。为什么会出现这种情况呢？这主要有如下两方面原因：首先是因为上半夜的电源电压通常在220V～230V左右；而在下半夜电源电压会达到额定值的150%，高达250V以上，使得功率加大，亮度增加。其次是气体放电灯光源具有负阻特性，当市电电压升高时，光源两端的电压不仅不会升高，反而下降，而此时的光源的工作电流却会急剧增加；这使得光源和镇流器的功耗均大幅增加。如一盏150W的高压钠灯，在250V电压下工作时包括镇流器在内增至300W。在这种电压下，钠灯的寿命会大幅折减，几乎不足额定寿命的30%。这就是钠灯用于路灯时实际功耗远远超出额定功耗的主要原因，也是其越点越亮的原因。

LED灯具对电源电压的要求并不高，一般在170～250V之间。好的LED灯具大多采用恒流供电，即流过LED的电流不受电源电压变化的影响，而只取决于出厂时的设定值，因此它的输出功率几乎是不变的；带有亮度控制功能的LED灯具的工作电流还取决于控制信号，它可根据实际应用场所的照明需求实时调整照明强度，以达到理想的节能效果。在基本照明方面，若采用LED光源，通过先进的调光技术，可以使下半夜照明能耗同步一半，这样在原有节能的基础上再减少25%的能耗，使得LED光源总节能率高达75%；由于功率同步减半，工作温度降低，使得LED光源的寿命进一步延常，可谓一举多得。

由于LED灯具的工作电压很宽，因此在设计线路时允许采用线径较细的电缆而不会出现熄灯或无法启动之现象。因此采用LED光源可节省大量的电缆费用，在综合投资与钠灯相当的情况下每年综合节能在80%以上。

5 自动照明系统控制装置简介

实现公路（隧道）自动照明系统控制是一个系统工程，它涉及到光源特性、电源功率的可控性、控制信号传输、数据采集、数据处理、与中控室通讯告等诸多技术，并涉及相应在控制程序的上位机软件。

图4 自动照明系统控制装置”原理图

图4是“高原型LED公路（隧道）自动照明系统控制装置”的原理图。洞外亮度监测装置对隧道洞外亮度进行实时监测，再将监测的结果实时传送到“高原型LED公路（隧道）自动照明系统控制装置”中。控制装置根据洞外的亮度及中控室提供的车流量等参数，对输入数控进行相应地折减后，转换成0～5V的标准信号，去控制LED隧道灯的亮度。

解决LED公路（隧道）照明亮度可控的关键是研制一种高效地、电流可控的驱动电源。为了让控制装置能够同时长距离控制数千盏LED公路（隧道）灯具，其输入端采用了高阻形式，以确保控制信号的长距离传输。由于高阻抗的控制输入端会产生干扰使得灯具闪烁而无法消除，因此我们采用了特殊的抵消式电路设计，从而确保了电源的高搞干扰性和灯具亮度的稳定性以及亮度变化的同步性。装置在同时控制5000盏LED公路（隧道）灯具的情况下，用1.5m2导线为控制线，其传输距离可达15km。由于高速公路的特殊性，车流量没有规律，中午和夜晚长时间没有车辆通行，因此我们设计了车辆监测装置。当没有车辆时，装置将使洞内维持最低亮度；当有车辆到来时，装置瞬间将洞内亮度增至需要的亮度，从而避免了公路（隧道）长时间无车照明。

公路（隧道）照明电费是运营成本的重要组成部分。在公路（隧道）照明中，隧道出、入口处的照明更是公路（隧道）基本照明的几十倍。特别是在西部云、贵高原地区，因海拔较高、气候多变、地形复杂，导致公路隧道较多，给公路运营增加了更高的成本。由于存在高额的运营费用，使得许多运营商不堪重负，不得不采用关灯节电，牺牲安全的老办法，以降低运营成本。因此，如何解决在满足规范的前提下降低公路（隧道）的能耗，特别是入口的能耗，已是所有拥有公路（隧道）的运营商迫切需要解决的问题。

“高原型LED公路（隧道）自动照明系统控制装置”能在完全满足公路（隧道）照明规范的前提下，克服亮度不可控光源过度照明造成的电能浪费现象，最大限度地降低公路（隧道）照明能耗，节约的运营费用，为实现西部经济的可持续发展，保护环境，减少碳排放提供了较为可行的方法。

About LED Tunnel Lighting Energy Application in Yunnan

LIU Yi-feng1，LI Chen-jin2，JIN Rui-xu3
（1Yunan Electronic Industry Association，Kunming，Yunnan 650031，China；2.Yunnan Jucheng Science and Technology Co. Ltd，Yunnan，Kunming 650100，China；3.Dianchi College of Yunnan University，Kunming，Yunnan 650100，China）

This paper in recent years gradually into the highway tunnel lighting dimming range of various energy-saving LED lighting applications，dimming method，power efficiency，such as signal transmission performance influence factors were analyzed,proposed themost suitable for the bestway to yunnan LED tunnel lighting.

highway tunnel lighting；LED lights；automatic lighting；lighting as needed

U453.7

A

2095-980X（2015）08-0055-03

2015-07-11

刘毅峰（1976-），男，云南昆明人，大学本科，工程师，主要研究方向：计算机及应用、电子工程、光伏照明。