LED光源在城市隧道照明中的应用与分析

摘要：LED 光源在功能照明中的应用目前是我国照明发展的热点，技术上存在着许多需要解决的问题。本文通过对LED 光源在城市隧道照明工程中试验及具体应用实例的跟踪数据，结合LED 光源的性质和城市隧道照明的特点，与荧光灯等传统光源进行对比，分析LED 光源隧道灯实际使用的效果，总结应用中取得的经验及问题，阐述其在城市隧道照明中应用的优点与存在瓶颈，客观*价其实际使用寿命及节能效益回报等问题，对LED 光源在城市隧道照明中的推广提出一些建议。

1 前言

自2003 年中国启动国家半导体照明工程以来，LED 照明产业被列为国家优先发展的第一重点领域( 能源) 的第一优先主题。我国的LED 照明产业在政策的引导下，政府的大力推动下，得到了跨越式的发展。LED 光源以其环保、节能、安全、长寿命、点光源等优点，在信号、显示、背光源和景观照明等领域迅速替代传统光源，占领了市场。

为了有效引导我国半导体照明应用的健康快速发展，扩大半导体照明市场规模，促进产业核心技术研发与创新能力的提高，科技部在21 座城市开展LED “十城万盏”应用试点示范活动，推动LED 光源在城市道路、隧道、桥梁、小区等城市功能照明领域的应用，希望通过试点工作发现问题、取得经验。2008 年初，我市开始在城市功能照明中研究、试验及应用LED 光源，其中城市隧道LED 光源照明应用已运行近一年，取得大量经验，也发现不少问题。

2 工程项目情况

“隧道LED 光源照明系统应用”课题研究由南京城建项目建设管理公司和南京市路灯管理处共同进行，选择LED 光源照明的隧道既是南京市快速内环的组成部分，也是城市主干道纬三路的一段，承担着快速交通和城市主干道交通的功能，起点位于金川河，终点位于古平岗。该隧道按双向双洞六车道标准设计，其中暗埋段长度1147 米。单洞设计宽为11. 5 米，单向三车道，按交通流量大于2400 辆/小时、最大车速为60 公里/ 小时标准设计，每隔50～ 80 米设有直通地面的采光通风井，根据《公路隧道通风照明设计规范》( JTJ026. 1—1999 ) 及《公路隧道设计规范》( JTG D70—2004) 的要求，中间段照明设计亮度不小于2. 5cd /m2 ， 均匀度不小于0. 4。

3 试验情况

为确保工程应用的效果，课题组在6 月先行进行了挂灯试验，试验段位于隧道北侧洞，施工桩号310 米至440 米处，为该隧道的典型路段，在320、380 及440 米处的南侧有三处采光通风井，每个井由2 个约为7m × 5m 的通风口组成。试验共采用LED 隧道灯54 盏，南北两侧各27 盏，按布灯间距5m 和6m 两种方式分两段设置。进行对比测试。光源标称功率60W/ 盏，实测灯具功率73W/ 盏，同时结合调光，每盏灯按双驱动模式配置。现场设专用表箱4 回路供电，南北侧各2 回路。测试中期对驱动运行的模式进行了调整，7 月8 日的数据为调整后数值。因为最后选定的方案为布灯间距5m，故只列出5m 的检测数据。现场照片如图1 至图4，测量数据见表1。

根据测试的情况，我们进行了认真的研究和分析，得出以下结论:

(1) 白天采光通风井处直射入的光线对测量值影响很大，照明效果难以达到均匀度及纵向均匀度的要求，课题研究内容是LED 光源在隧道照明中的应用，相关计算宜去除其影响。

表1 试验段测试数据

说明1: 测量时，因工程施工，南侧每隔6m 有临时照明用15W 节能灯未关闭，对测量值有一定影响。

说明2: 照度计型号: TES1339，编号: 071013786。

(2) 6 月5 日现场在施工，隧道内杂物多、灰尘大、地面脏，照度低。7 月8 日隧道内路面水泥浇铸完毕，施工垃圾已清除，反射条件好，照度上升12. 56lx。预计在沥青摊铺完、侧面装饰板安装完毕之后，照度会上升10% ～ 20% ，亮度即使因为沥青的反射系数下降，也能满足规范要求。

(3) LED 光源隧道灯现有技术完全可以根据需要进行调光节能，这是其重要的特点，也是其节能的主要手段。

(4) LED 光源隧道灯从34 天测试数据看， 衰减较小。

(5) LED 光源在城市隧道照明系统中应用是可行、可实施的，初期达到的技术参数能够满足国家相关规范的要求。

(6) LED 光源隧道灯属电子产品， 结构精密，生产环节多，一盏灯有几十颗LED 芯片，产品质量需严格把关，产品维护技术要求较高，模块化生产将提高维修效率。

图1 2008 /6 /4 10∶ 00

图2 2008 /6 /5 20∶ 00

图3 2008 /7 /8 20∶ 30

(7) 为确保运行可靠，线路及电源等按照可实施原荧光灯方案的容量预留。同时，考虑到高功率LED 光源隧道灯在价格、质量、寿命方面的不足，加强照明仍采用金卤灯方案。

(8) LED 芯片选用限定在国际一流名牌的优质等级产品，芯片的性能及产品一致性必须满足课题组提出的技术要求。

图4 配电表箱照片

4 应用情况

根据对试验结果的研究，课题组对在隧道中使用LED 光源有了较为明确的认识， 结合LED 光源在道路照明中的试验及LED 光源的自身特点，进行了多次论证，制定了合理的工程设计和实施方案，共安装LED 光源隧道灯910 套，在隧道通车前完成了调试，并投入使用。课题组对实施结果进行了跟踪检测，现场照片如图5 至图6，测量数据见表2。

表2 应用测试数据

图5 2008 /10 /28 20: 00

 

图6 2009 /8 /6 00: 30

5 情况分析

根据近一年的运行测量数据并结合城市隧道照明及LED 光源的特点，我们对LED 光源在城市隧道照明中应用情况与荧光灯光源在节能、经济、运行、维护等方面进行了对比，对其应用优势及存在瓶颈进行以下几点的分析与思考。

5. 1 LED 光源在隧道照明中应用优势

(1) 配光

由于城市隧道照明对均匀度及纵向均匀度的要求较高，且灯具安装高度一般只有5 ～ 6 米，若采用高压钠灯、金卤灯等大功率点光源，靠灯具的配光达到要求比较困难，故目前城市隧道大都采用荧光灯光源进行照明。但荧光灯作为360 度发光的线性光源，其合理的配光是个技术瓶颈。LED 光源作为小功率点光源，可以从颗粒排列、照射方向、发射角等多方面进行综合调节，达到理想的配光，满足城市隧道照明的需要。

(2) 光源光效

光效是*价光源是否节能的基本参数，从上一点可以知道在城市隧道照明中，LED 光源光效的竞争对手不是高压钠灯等高光效光源，是相对光效较低的荧光灯。目前T8 荧光灯管的光效在80 ～ 90lm /w。LED 发展速度是惊人的，去年装灯时市面上产品级的大功率高色温白光LED 芯片的光效在107lm /w (350mA，标准状态) ， 现在已经达到139lm /w，即使考虑实际应用中的折减，LED 光源的理论光效也略大于荧光灯，本项目技术要求明确灯具生产厂家在国际一流品牌CREE、LUMILEDS、OSRAM 中选择光效不小于80lm /W 的高等级芯片。

(3) 灯具效率

由于荧光灯管360 度发光且自身发光面较大，加上其光源本身对反射光的遮挡及反射、折射损耗等原因，荧光灯光源隧道灯的灯具效率普遍较低，一般在55 ～ 65%。另外，考虑光源腔的防护等级、透明罩的老化等原因， 灯具的维护系数取值只有0. 6 左右。而LED 隧道灯由几十颗小功率的点光源组成，其配光主要依靠各点光源的布置位置、方向及发射角来实现，光源腔无需打开更换光源，密封性能好，故灯具效率一般在75% ～ 85% ，维护系数可以在0. 75 左右取值，相对而言，LED 隧道灯比荧光灯隧道灯具有更高的效率。

(4) 调光节能

LED 光源属于直流驱动、快速响应的光源，响应时间仅为纳秒级，芯片驱动电流在一定范围内均能有效发光，通过调节正向电压、驱动电流、脉冲电流、高频调制、位角调制等方法均可实现大范围的调光节能。虽然荧光灯的调光节能技术在近几年得到了迅速发展和应用，但其实现技术与效果没有LED 理想。本工程每隔50 ～ 80 米设有可以直接采光的通风井，其两侧一定范围内在白天可实施局部调光节能，晚上可根据需要进行整体调光节能。

(5) 节能

从上面的详细分析可以得出LED 光源隧道灯比荧光灯光源隧道灯节能的结论， 由于是新建项目，且加上本项目白天采用了部分人工采光等节能措施及电能计量、调光、维护系数等各方面原因，两者之间无法进行准确的实测节能数据对比，只有采用理论计算及类比的方法进行节能分析。对比工程设计单位前后两种光源的装灯功率进行简单计算可以得出节电38. 6% 的结论。为得到更加合理的数据，课题组根据荧光灯光源及LED 光源的设计方案，分别应用DIALUX 和CALCULUX 软件对隧道照明的情况进行了理论计算，同时对工程情况类似的玄武湖隧道( 运行40 个月) 进行了实测， 并综合考虑光源运行时间及灯具维护系数等多方面因素进行修正，研究认为在折算到同等照度下，本项目LED 光源和荧光灯相比的节能率在30% 左右。

(6) 寿命

随着这两年LED 技术水平的飞速发展，大功率白光LED 芯片的寿命正大幅提高，虽然还远远达不到一些厂家宣传的5 ～ 10 万小时的寿命，但从本隧道的应用跟踪测量数据看，实际使用状态下，LED光源照明的隧道5000 小时(282 天，每天开灯约18小时) 路面照度下降16. 5% ， 这个降幅表面看较大，但其由光源光衰、灯具老化及灯具清洁水平以及墙面变脏等三方面因素造成，考虑一定的维护系数，本项目采用的LED 隧道灯寿命可以基本满足《道路照明LED 灯( 报批稿)》中“燃点6000 小时，灯具光通维持率不低于88%”的要求及《公路隧道通风照明设计规范》中光源寿命大于1 万小时的规定，也大于T8 稀土三基色粉荧光灯1 ～ 1. 5万小时的寿命，基本能让用户接受。

5. 2 LED 光源在隧道照明中应用瓶颈

(1) 运行工况要求高

LED 光源及其驱动均为电子元器件构成，对电气参数及环境条件要求较高，LED 的电压-电流曲线反应出其对电压的敏感度高，极易反向击穿或正向烧毁，虽然厂家在防雷电波、过电压、浪涌保护等方面做了大量的工作，且城市隧道的环境条件远远优于城市道路，可以不考虑雨雪、光线、雾霭、直击雷电等恶劣气候条件的影响，但仍存在温度、振动、灰尘、雷电波、过电压及线路故障等不利因素的作用。从本项目跟踪情况看，装灯40 多天开始出现坏灯，5000 小时损坏率在2. 6% ，且损坏率呈上升趋势，长期运行情况需要进一步跟踪。

(2) 运行工况下光衰大

从一些实验室测试数据看，LED 光源发光效率曲线是先升后降，再趋于水平的过程。LED 光源的光衰与其温升及散热有着直接关系，工程实际应用的电气和环境条件远远比实验室恶劣，随着运行后LED 光源的光效衰减、荧光粉效率降低、封装材料的老化及热阻增大等不利情况出现，都会给LED 芯片的发光效率带来不良影响，导致光效下降，光效的降低又引起温升，温升会再促使不利情况的恶化，这种循环带来的后果是显而易见的。虽然从实际应用5000 小时的测量数据看，光衰在可以接受的范围内，但结合我们在LED 光源在道路中的试验跟踪数据分析，LED 光源隧道灯在实际运行工况下的光衰曲线不会像实验室测试数据那样理想的趋于水平，仍将维持一定的下降幅度。以“效能低于初始效能70%”为寿命终止条件计算时间的话，估计难有3 万小时的寿命。

(3) 配套电气性能不稳定

LED 光源具有众多优点，但毕竟是高科技电子产品，对电压、电流的变化敏感，对驱动电路的要求很高，驱动方式或驱动电路设计选择不当，会使LED 光源损坏。LED 灯具中串联回路较多，一个芯片的损坏就会导致一串光源或一个模块的失效。驱动电路自身的质量缺陷也会导致灯具的失效，严重的会导致光源的损坏。从跟踪测试检查情况看，驱动电源模块的损坏率远远高于光源模块，其标称和实际使用寿命均低于光源模块，一般产品的寿命达不到3 万小时。

目前荧光灯节能型电感镇流器或电子整流器的自身损耗约为额定输出功率的8% ～ 12% ，符合国家对能效因数( BEF) 的限定值或节能*价值。相比之下，本项目采用的LED 隧道灯驱动的自身损耗为额定输出功率的20% ，高于国家的限定值，能耗大，市场上LED 灯具驱动的自身损耗在8% ～ 12%的产品，价格高，寿命短，性价比不高。

(4) 维护困难、成本高

荧光灯结构简单，各组成配件性能相对稳定，维修工作主要内容是配件寿命到期或损坏更换及灯具清洁，主要配件灯管及镇流器等产品经过几十年的发展，完全实现标准化生产，不同品牌之间可以相互替代，价格透明，不存在壁垒。灯具接线简单，无特殊设备、人员要求及技术障碍，一般电工及经过简单培训的人员均能对其故障进行判断和快速现场维修，维护成本低，且可以迅速恢复灯具功能到初期水平。LED 光源隧道灯号称5 ～ 10 年免维护，但实际不可能，其为电子产品，结构精细，一盏灯由几十颗LED 和几十个电子元器件组成，灯具或驱动中的电子元器件受干扰损坏的概率大，寿命长短不一，一个元器件或一个线路节点的故障就有可能造成全套灯具的损坏。其结构复杂，检测需要专门的高精尖设备，技术人员都无法在现场进行判断维修。目前LED 功能灯具市场还不成熟，缺少标准规范，各厂家灯具形状各异， 实现技术方案、手段、途径各不相同，配件之间缺乏兼容性，产品无相互替代性，一般只有更换灯具，维护成本很高。本项目将驱动和光源部分分开，实施模块化设计，相对方便了维护，但还是由原生产厂家进行整模块的更换。

(5) 经济效益不理想

目前我国LED 生产产值80% 以上为封装产业产值，外延芯片生产虽有很大发展和进步，但仍停留在中低档水平，高光效大功率白光LED 应用产品依赖于美国、日本、欧盟等地进口的高档外延芯片，他们依靠拥有的核心技术和专利垄断了高端产品市场，价格较高。本项目采用的LED 隧道灯使用了美国CREE 的芯片，单灯价格约高于国际品牌隧道灯( 双管荧光灯2* 36W) 2000 元。节能的成本投入是需要经济效益回报的，为了顺利推广应用，厂家采用了合同能源管理模式来进行管理，大量的前期投入要通过节约电费来弥补。按照厂家的乐观估计，节电率50% 来计算，每年节约电费也仅在264 元/盏( 每天运行18 小时、电费0. 55 元/ 度) ，不考虑资金时间价值，静态投资回收期在7. 58 年，即运行近5 万小时。若按照课题组分析的节电率30% 来计算，则只有158 元/ 盏，回收期在12. 7 年，即运行近8. 34 万小时。另外，荧光灯的灯具维修基本是光源或镇流器的更换，价格均十分低廉，而LED 灯具为整个模块化的更换，光源或驱动的价格均高，特别是光源要贵近百倍，其节电的经济价值回报无法弥补其高成本。

(6) 光环境

LED 光源的发光面积很小， 光源本身亮度较大，隧道环境下灯具布置较低，一旦设置不当就会产生眩光。本项目设计原采用侧面布灯方式，在试验阶段就发现眩光严重，特别在隧道转角处，侧面光成了正面逆向光，光线直射驾乘人员，成为眩光源，眩光严重影响驾驶安全。为解决问题，技术人员将灯具向车辆前进方向偏转一定角度，形成顺侧光，并根据隧道走向调整前倾角度，有效解决了眩光问题，但灯具偏转使到达地面的光斑不再对称，既造成路面均匀度下降，也造成部分光投射在墙壁侧板上，导致侧墙亮度不均及光线诱导性差等问题。

同时，由于节电收益和厂家利益的结合，为了提高收益，运行中厂家采取了间隔关闭部分灯的运行模式，造成隧道中形成一圈圈的“斑马线圈”， 加上采光井直射光等不利因素，造成本工程的路面照明纵向均匀度差，整体光环境不如做类比的采用荧光灯的玄武湖隧道。

6 结论

LED 光源是一种节能、环保、长寿的新型光源，未来将可能缓解人们正遇到的能源短缺、环境破坏等问题，成为照明发展方向。其在城市隧道照明中的运用具有一定的优势，我们已着手在南京的几条老隧道中进行LED 光源改造，进一步掌握LED光源隧道照明的相关技术。同时，我们应看到，任何一种光源都具有区别于其他光源的优点和缺点，完美无缺的光源还不存在，LED 光源隧道灯具也还不是成熟的产品，芯片生产、灯具配光、传导散热、电力电子驱动技术、无极调光节能技术、应用技术、维护管理等各方面还要进行大量的技术研究，只有大幅度降低其成本，实现产品与应用的标准化管理，提高保障能力，LED 光源在城市隧道照明中的应用才会更加成熟。