LED 光源在公路隧道照明设计中的创新

2015-11-18刘辉，翁季，杜峰，

灯与照明 2015年3期

刘辉，翁季，杜峰，

(1.福建工程学院建筑与城乡规划学院，福建福州 351018;2.重庆大学建筑城规学院，重庆 400044)

1 LED 光源的特点介绍

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种可以将电能转化为光能的半导体发光器件，属于固态光源。伴随着LED 发光效率的提高，特别是20世纪90年v代末白光LED 的发明，为LED 在照明领域的应用打开了空间，使之成为继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后的新一代光源。LED 光源具有以下优势和特点。

(1)光效提高迅速。如今LED 产品的实用光效可达70～90 lm/W，美国的实验室曾经测得高达160 lm/W的数据，预期在未来更短时间内，实用光效甚至可以达到150～200 lm/W，那时LED 有可能成为最高效的光源。

(2)启动性能好，可靠度高，只有毫秒级的响应时间，能达到全光通输出。

(3)调光方便，可控性强。

(4)耐震动，耐候性良好，寿命长。

(5)不含汞，环保性能优。

(6)LED 在一定光束角内定向辐射，用于射灯、筒灯等灯具时，有利于提高下射光通比。

(7)用于景观、装饰、广告、信号等场合，有多重彩色光LED，加上良好的启动和调光性能，容易实现数字化控制，以达到多彩、动态变化，在商业性、娱乐性场所极具渲染性。

当然，目前LED 也存在着一些缺点，如芯片主要依赖进口，缺乏统一标准，灯具测试方法没有统一，散热不佳，色温偏高，难于设计配光和控光系统，驱动电路待优化等。

2 公路隧道照明特点介绍

既不同于室内外照明，尤其是景观照明着重体现艺术效果，也不同于道路照明大部分路段强调的是照明的数量和均匀度，公路隧道照明有自身独特的特点，由于公路隧道中存在着白天由公路隧道洞外进入洞内的“黑洞效应”，人的眼睛要经历一个较长时间的“暗适应”过程，而这个过程较长，人眼在这段时间里产生“视盲”，此时刚刚进入隧道，根据我国的相关规定，一般进入隧道车速都要变慢，所以此时发生事故，尤其是恶性事故的先例比比皆是。与之相似的是，隧道出口处要经历一个“明适应”过程，所以也会存在一个视盲期。另外，单向行驶的公路隧道照明依次分为接近段、入口段、过渡段、中间段和出口段。每一个分段的亮度是不同的，其中中间段的亮度要求最低，其他段按照更好的适应考虑，依次从入口段到过渡段降低，降低的趋势在我国的照明规范和国际照明规范中是不同的。

3 公路隧道照明设计的特点分析

3.1 国际上的照明设计

国际上的照明设计规定情况如下:虽然很多国家有自己的规范，但是欧美国家主要还是参照和借鉴国际照明委员会CIE 的《公路隧道和地下通道照明指南》88-1990 和88-2004。当然，各个国家和CIE 是互相借鉴的。日本比较特殊，其采用的是折线分布图，执行比较简单，但是国际上较少有采用。在这里，从典型性的角度，选取CIE 的规范作为论述的出发点。

图1 公路隧道入口段和过渡段亮度级

从图1 中可以看出，横坐标0 点之前是接近段的停车视距，0 点之后是车辆行驶的时间，当然在不同的车速情况下也具体代表了行驶的距离。纵坐标是亮度百分比的值。根据该图设计师就可以在公路隧道行驶的不同段落，如:接近段、入口段、过渡段(图1)，设计相对应的长度和亮度，该图是CIE 的研究成果，其可以很好地实现公路隧道照明安全、舒适、节能。尤其是安全性和舒适性的问题。通过这样的曲线，可减少视盲现象，尽快完成视觉适应过程。其中要说明的是，所有亮度的起点是由洞外景物亮度L20乘以一定的系数k 来(根据不同的情况)完成的。其他具体各段的亮度是曲线变化的，乘以一定初始数值的比例来确定。

3.2 国内的照明设计

国内照明设计标准也参考了CIE 的照明规范，如《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-99)，《公路隧道照明设计细则》(2010)和最新版的《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01-2014)(见图2)。下面以最新版的公路隧道照明设计细则来说明。

从隧道分段的角度来讲，我国借鉴了CIE 的分段方法，而且L20的规定也是类似的，但是跟CIE 不同的是，由于平滑的曲线在实际应用于设计的时候选取灯具经常很麻烦，也就是说，需要在设计时选用很多不同功率的灯具，导致灯具在制造时不容易定型。国家最新的实施细则把各段又进行了更为详细的折线处理，将入口段分成了亮度比为2 ∶1的两段，把过渡段划分为3 ∶1的三段，出口段划分为中间段亮度3 倍和5 倍的两段，并且对长度也进行了详细的规定，这样执行时更加方便，增加了可行性。一方面更好地满足了安全性和舒适性的要求，另一方面也满足了节能性的要求。

图2 2014 版公路隧道照明设计细则对于亮度的规定

4 LED 在公路隧道照明设计中的应用创新

在公路隧道中常用的传统光源包括高压钠灯、金属卤化物灯等，现在随着LED 光源的进步，在公路隧道设计和实践中我们经常使用的光源进入了LED 的时代，之所以LED 的使用越来越广泛，并非仅仅在于节能性，还在于更加重要的安全性和舒适性。

下面就从安全性、舒适性和节能性等角度论述LED 在隧道设计中的应用创新。

4.1 光效高

LED 的高光效可使光源的性能达到最大限度的释放，能以更低的电能获取最大限度的发光强度，从而满足公路隧道照明所需要的路面亮度。

4.2 调光方便，可控性强，响应迅速

通过规范我们知道，公路隧道每一段的亮度是不同的，而传统的高压钠灯、金卤灯等灯具点燃都需要时间，调节也需要一定的稳定时间。根据我国的公路隧道照明规范，可以通过很多分段来生产和选用不同功率的灯具，但是按照CIE 规范的规定，如果需要平滑曲线形式的亮度变化则非常难以达到。另外，如果其他光源在生产不同功率的光源时(由于需要太多套不同功率的设备)则需要多套模具，生产效率低，成本高。

现在的公路隧道照明设计都是以公路隧道外部洞口20°视角范围内的景物亮度L20来确定的，由于太阳高度角和方位角不停地变化，而且天气状况和云量等因素也随时不同，导致公路隧道洞外景物亮度是不断变化的。如果严格按照公路隧道洞口景物亮度来确定内部各段的亮度则需要实现洞口的亮度感应和内部的无极调光，这时LED 的调光方便，可控性强和响应迅速的优点就显得不可或缺了。

4.3 光色容易调节

从驾驶安全舒适的角度考虑，光源的光色(包含光源的相关色温和显色指数)对驾驶的安全舒适性存在着非常重要的作用。刘英婴采用视觉功效法的理论，通过公路隧道入口段和中间段的光源光色分析指出，综合视觉功效和光生物效应的影响，色温在5 000 K左右，光谱分布偏向蓝绿光的LED 光源最适宜公路隧道的入口段照明，而色温在3 600 K 左右，光谱分布偏向黄绿光的LED 光源最适宜公路隧道中间段照明。因此，公路隧道光源形式要求光源的光色易于调节。