隧道LED节能照明在江西景鹰高速公路高傍下隧道的应用.docx
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隧道LED节能照明在江西景鹰高速公路高傍下隧道的应用
第二批节能减排示范项目推广材料之十——隧道LED节能照明在
江西景鹰高速公路高傍下隧道的应用
2009-04-28（转载自交通节能网）
项目实施单位 江西省交通厅信息中心
综合点评
公路隧道照明用电费已成为运营单位的巨大负担，节能降耗、保障安全是建设和运营单位迫切需要解决的技术难题。
影响公路隧道照明耗电量的主要因素有灯具效率、灯具布设方式、控制方案等。
目前公路隧道照明广泛使用的高压钠灯、高压汞灯、卤素灯等传统灯具光效低、启动慢、能耗大、不利于智能控制，使用高压汞灯还会带来汞污染等问题，不符合当前我国建设资源节约、环境友好型社会的要求，探求使用新型高效光源是解决问题的关键。
发光二极管（LED）照明灯具是一种新型的照明光源，具有能耗低、光指向性好、寿命长、响应快、无汞污染等优点，目前在城市景观及道路照明等领域得到了广泛应用。
江西省交通厅信息中心在景鹰高速公路黄竹山隧道，实施的LED节能照明示范工程，为公路隧道照明节能降耗探索出了一条新途径。
试验证明该技术方案成熟可靠，比使用传统的高压钠灯可节约电能30～40%，节能效果显著。
LED照明灯具在公路隧道照明领域，具有广阔的应用前景。
该项目的实施也为国家相关部门制订出台有关政策和相应的技术标准，在公路隧道照明领域推广应用LED照明灯具提供了依据。
“隧道LED节能照明在江西景鹰高速公路高傍下隧道的应用”推广材料
——交通部节能减排专家工作组
一、项目实施背景
据不完全统计目前我国建成通车的公路隧道已超过2600延公里，且随着交通基础设施的不断完善，公路建设正向地质环境条件更为恶劣的山区发展，公路隧道将进一步延伸。
为了保障交通安全，隧道照明是公路建设中不可或缺的重要组成部分。
按照我国公路照明设计规范规定，长度大于100m的公路隧道应设置照明设施，且每延公里隧道照明负荷应不小于60kW,按每日平均开通10个小时计，平均年耗电量达21.6万度（折合76吨标准煤），能耗巨大。
再加上维护更新费用，以至于公路隧道照明成了困扰公路运营单位的沉重经济负担。
节能降耗、保障安全是建设和运营单位迫切需要解决的技术难题。
江西省交通厅信息中心针对本省高速公路隧道运营特点，以景（德镇）鹰（潭）高速公路黄竹山隧道（原高傍下隧道，建成后隧道名称改为黄竹山隧道）为依托，采用高效LED照明方案代替传统的高压钠灯方案，通过灯具比选、配光设计、智能控制等技术措施在达到良好的照明效果同时取得了较好的节能效果和经济效益。
二、基本原理
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子和多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二级管叫发光二极管，简称LED。
由此可见LED光源是一种半导体照明光源。
在“十一五”期间，科技部将其纳入“国家高技术研究发展计划（863计划）”进行研究，是一种高新技术产品。
根据照明要求将单粒LED按某种方式排列组装在一起以增加发光亮度或完成其它特定功能的装置叫LED一体化照明灯具，简称LED照明灯具。
和传统的照明灯具相比，LED灯具有光指向性好、寿命长、体积小、重量轻、低电压、响应快、无红外幅射且无汞污染等优点，在同样亮度下，耗电仅为普遍白炽灯的1/10，寿命却可以延长百倍。
目前商用的单粒白光LED效率已达到90～110Lm/W以上，虽然和高压钠灯的发光效率100～150Lm/W相比还有一定差距，但利用LED的指向性可以设计出集光源和灯具于一体的高效LED照明灯具，其总光通量明显优于同等功率的高压钠灯照明装置。
也就是说用小功率的LED灯具替代大功率的高压钠灯，可以获得相同的照明效果。
表1是一组100W高压钠灯和60WLED隧道灯的实测参数比较表。
表1 100W高压钠灯和60WLED隧道灯光效比较表
参数
100W高压钠灯
60WLED隧道灯
光源功率
100W
60W
整机功率
117W
60W
有效光通量
3900Lm
3975Lm
灯具效率
60％
85％
利用系数
65％
75％
光源效率
100Lm/W
105Lm/W
依据上述原理，国内已有多家企业开发成功了LED隧道照明灯具，并配以可靠、高效、低损耗的开关电源，LED隧道照明系统已逐渐达到了实用化程度。
三、实施方案
隧道照明均要依据JTJ026.1-1999《公路隧道通风照明设计规范》，按照隧道等级进行配光及布设设计。
下面以江西省景鹰高速公路黄竹山隧道LED照明试点工程为例予以说明。
（一）了解隧道照明等级，明确各段照明亮度要求
本项目应用于基本段、出口段，依据照明原理和灯具特点，对隧道的照度分布和不同路段的亮度要求进行准确的计算和分析，通过测试手段，对计算数据加以验证，进行优化设计，满足黄竹山隧道LED照明方案不同路段的亮度指标要求及隧道照度分布要求，见表2。
表2隧道亮度要求设计表
序号
隧道段落
段长（m）
设计亮度cd/m2
1
引入段
84
110.0
2
过渡段I
72
33.0
3
过渡段II
96
11.0
4
基本段
L
3.0
5
出口段
60
15.0
7
照明综合均匀度≥0.4 纵向亮度均匀度≥0.7
8
维护系数0.85，换算系数15（按混凝土路面）
（二）依据设计亮度要求，选择LED照明灯具及配套设备
1.LED照明灯具的配光要求
利用光学透镜原理，通过建模和修模手段，得到精确的产品配光图，使得灯具的配光有较大的分配自由度，达到既可提高光效，又能使照度分布均匀的效果。
本项目采用的灯具及配光图见图1～图3。
2.大功率LED照明光源散热器设计
和高压钠灯不同，LED照明灯具使用的LED，在高温条件下其性能迅速下降，甚至损坏。
解决散热问题是保证LED灯具正常工作的重要条件。
项目实施单位结合隧道通风的特点，采用通道式散热器，这种散热器采用带有小型通透结构，有利于照明单元的散热，在热量传到灯具之前，就已经由这个小散热器将热量散发到空间，由这一光源单元组成的灯具也具有通
图1LED照明灯光强分布图
图2LED照明灯照度分布图
图3LED照明灯具实物
透型结构，使散热效率大大提高，有效解决了大功率LED的散热问题，同时还使灯具质量减轻了60%。
3.电源设计的安全及易维护性
考虑到隧道运营维护的方便性，对直流稳压电源需进行可靠性和可维护性设计。
本项目应用的开关电源，采用隔离分体式电源设计，散热好，性能稳定可靠。
需更换电源时徒手即可更换，适应了便于现场维护的需要，并且达到保护灯体和使用者人身安全要求。
4.智能控制系统
根据车流量变化和洞外环境亮度，开发适应不同场合的LED照明智能控制系统，也是节能的有效途径。
在供电线路设计时注意做到每盏灯都可独立控制关闭和开启，为依据车流或亮度控制提供物理条件，做到了自动调节LED照明灯具的亮度以降低能耗。
（三）总体技术指标
经过上述专业设计后本项目所用灯具的总体指标如下：
光源功率：
64W或48W灯具（可选）
光源组成：
大功率白色LED发光管
光源效率：
80Lm／W
色 温：
4500K～6000K
显色指数：
不小于70
灯具可调角：
纵向120°，横向70°
输入电源：
AC100～265V/DC10～30V，50/60Hｚ
功率因数：
＞0.9
平均无故障时间：
20，000小时
光源寿命：
50，000小时（亮度维持率70﹪）
调光性能：
0～100%，8级（可选项）
温度范围：
-30℃～55℃
湿度范围：
10～98%
防护等级：
IP65
抗风速：
36m/s
（四）项目实施后检测验收
项目实施后依据设计规范要求，对各项指标进行了检测，结果见表3。
表3隧道亮度实测指标
照明段
灯具功率
灯具安装情况
平均亮度
总均匀度
纵向均匀度
出口段
48W、64W
48W和64W交替
双侧对称3米
间距布设
10.50cd/m2
0.666
0.946
基本段
48W
双侧对称6米
间距布设
4.65cd/m2
0.698
0.853
检测结果显示各段亮度均满足JTJ026.1-1999《公路隧道通风照明设计规范》的要求。
四、保障措施
（一）严格测试，确保选用节能灯具质量。
由于LED隧道照明灯具是一种新型产品，还没有相应的国家或行业标准对其质量进行规范，各企业生产的产品性能指标参差不齐，建设和运营单位应严格按照设计文件要求甄选具有资质的产品供应商并对其产品的光通量、灯具的配光性能、发光效率、光源衰减特性、电源可靠性等指标进行严格测试，确保所选用产品是节能可靠的。
（二）定期维护监测，使产品始终处于良好的运行状态。
公路隧道内尘土、油渍等污染物较严重，对某些形式灯具的散热和光效会造成严重的影响，运营单位应定期监测路面的照度，并和初始值相比较，发现异常应及时查找原因，避免故障进一步扩大，影响节能效果。
五、效益分析
（一）功耗比较
江西景鹰高速公路黄竹山隧道LED照明项目主要在基本段和出口段安装了LED节能灯具。
原设计方案使用100盏100W和10盏250W的高压钠灯，现改用150盏48W和14盏64WLED灯进行替代，在满足隧道照度要求条件下，LED灯具和高压钠灯相比，功耗减小了5.53kW，用电量节省了36.7%。
（二）运营成本比较
1.计算依据
（1）灯具价格：
高压钠灯250W按1000元/盏，100W按800元/盏计算；
（2）LED灯具：
64W按2500元/盏，48W按2000元/盏计算；
（3）维护成本：
从第二年开始，LED灯具每年维护费按灯具初装费用的1％；
（4）高压钠灯每年维护费按灯具初装费用的25％；
（5）电费价格：
按1元/度；
（6）灯具照明时间每天按加强照明12小时、基本照明12小时计算。
（7）隧道长度按0.5公里计算，费用计算周期为5年。
2.LED灯具和高压钠灯初装及运营成本比较
项目内容
LED照明灯费用
（万元）
高压钠灯费用
（万元）
一次
性总
投入
成本
灯具
33.50
9.00
电缆
30.00
40.00
箱式变电站
--
--
智能照明控制装置
--
--
小计
63.50
49.00
运营
使用
成本
电费
31.31
49.47
维护成本
1.34
9.00
小计
32.65
58.47
按5年使用费用合计
96.15
107.47
（三）结论
从以上数据可以看出，LED照明灯具在功耗、运营成本方面具有明显的优势。
以该项目实测数据简单计算，平均每年比高压钠灯节电3.6万度，折算为延公里为7.2万度，节省电费7.2万元。
以景鹰高速为例，全程共有隧道约24延公里，仅在基本段和出口段采用LED照明灯具，则每年可节约电费24km×7.2万元/km=172.8万元，据黄竹山隧道配电柜监测数据，基本段的用电量为引入段和过度段的22％，若全隧道都用LED灯具，则每年可节省电费172.8/0.22=785万元。
假如全国开通的公路隧道有50%使用LED灯具，则每年可节约电能7.2万度/km×2600km×0.5÷0.22=42545万度，节省电费4亿多元。
景鹰高速黄竹山隧道基本段LED照明灯
景鹰高速黄竹山隧道出口
虽然目前LED灯具的初装成本还比较高，但随着技术的进步和应用数量的增多，光效更加提高、生产规模进一步扩大，LED灯具的价格有望降到高压钠灯以下，其节能综合效益将进一步显现，LED照明在公路领域应用前景广阔。
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