新型照明光源在中國公路隧道照明領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展

目錄

截止2012年底，全國公路總里程達(dá)423.75萬公里，其中高速公路里程達(dá)9.62萬公里。

公路隧道10022處、805.27萬米，其中特長隧道441處、198.48萬米，長隧道1944處、330.44萬米。（1）我國公路運(yùn)輸安全形勢1.中國公路隧道照明簡介

公路隧道照明的主要功能就是為駕駛?cè)藛T提供良好的視覺條件，保障交通安全，其功能主要體現(xiàn)在以下三方面：幫助駕駛?cè)藛T適應(yīng)隧道內(nèi)外強(qiáng)烈的亮度差異；提供識別公路線形，發(fā)現(xiàn)路面異常的必要環(huán)境亮度；緩解駕駛?cè)藛T在隧道封閉空間內(nèi)行駛的視覺疲勞和壓迫感。1.中國公路隧道照明簡介與此同時，隧道照明能耗問題日益突出，對部分省份隧道管理部門的調(diào)查表明，照明能耗已成為公路隧道運(yùn)營中最主要的開支。公路隧道照明的問題1.中國公路隧道照明簡介公路隧道照明的出路新產(chǎn)品新技術(shù)理論研究標(biāo)準(zhǔn)化研究四者的關(guān)系：相輔相成共同實(shí)現(xiàn)公路隧道照明的安全性、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性平衡發(fā)展1.中國公路隧道照明簡介公路隧道照明光源公路隧道常用照明光源包括高壓鈉燈、白光LED、無極燈等，白光LED光源具有如下優(yōu)點(diǎn)：電光轉(zhuǎn)換效率高動態(tài)響應(yīng)特性好使用壽命長綠色環(huán)保技術(shù)提高、成本降低的潛力巨大1.中國公路隧道照明簡介公路隧道照明控制方式公路隧道照明節(jié)能要以保證行車安全為前提，在此條件下常采取的節(jié)能措施包括實(shí)施節(jié)能控制、改善燈具配光結(jié)構(gòu)等，LED燈具良好的動態(tài)響應(yīng)特性和配光設(shè)計使其在節(jié)能應(yīng)用中如魚得水。常見的節(jié)能控制措施主要有：分級控制通過開啟或關(guān)閉照明配電回路的方式減少控制工作燈具數(shù)量。動態(tài)調(diào)光控制通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方法調(diào)節(jié)LED光源亮度。以上節(jié)能措施可根據(jù)洞口亮度、車流量時間分布的統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行編程控制，也可通過光度傳感器和車輛檢測器獲得實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。1.中國公路隧道照明簡介2.新型光源在公路隧道照明領(lǐng)域應(yīng)用案例三部委隧道LED照明示范工程示范工程總體概況：15個隧道LED照明示范項(xiàng)目20個室內(nèi)LED照明示范項(xiàng)目15個城市LED路燈示范項(xiàng)目2.新型光源在公路隧道照明領(lǐng)域應(yīng)用案例2.新型光源在公路隧道照明領(lǐng)域應(yīng)用案例四階段跟蹤測試1）安裝點(diǎn)亮運(yùn)行1000小時2）安裝點(diǎn)亮運(yùn)行3000小時3）安裝點(diǎn)亮運(yùn)行6000小時4）安裝點(diǎn)亮運(yùn)行10000小時具體測試內(nèi)容與要求1）路面亮度及均勻度：滿足設(shè)計規(guī)范要求2）隧道洞壁與路面亮度比：≥0.43）色溫和顯色指數(shù)測試：≤6000K、≥654）燈具節(jié)能效率：48小時現(xiàn)場能耗測試5）燈具光衰或光通維持率2.新型光源在公路隧道照明領(lǐng)域應(yīng)用案例選擇測試區(qū)域

區(qū)域內(nèi)測點(diǎn)選擇幾何還原后的區(qū)域選擇亮度總均勻度計算公式亮度縱向均勻度計算公式隧道中間照明段亮度測試影像隧道路面亮度實(shí)測數(shù)據(jù)分析光衰18.0%左右工程實(shí)際環(huán)境：隧道內(nèi)汽車尾氣和灰塵污染因素（定期清洗）2.新型光源在公路隧道照明領(lǐng)域應(yīng)用案例測試隧道內(nèi)不同區(qū)段色溫與顯色指數(shù)2.新型光源在公路隧道照明領(lǐng)域應(yīng)用案例分段色溫，K顯色指數(shù)備注入口5572.082.21色溫平均值5472.0K，顯色指數(shù)平均值81.625446.081.275398.081.39過渡15556.079.19色溫平均值5675.3K，顯色指數(shù)平均值80.135724.080.675746.080.52過渡25576.078.86色溫平均值5739.3K，顯色指數(shù)平均值80.115890.081.25752.080.28過渡35996.078.64色溫平均值5997.3K，顯色指數(shù)平均值79.055994.078.956002.079.56出口段5892.079.78色溫平均值5890.7K，顯色指數(shù)平均值78.615838.077.745942.078.31000小時3000小時6000小時色溫實(shí)測數(shù)據(jù)分析4.0%左右工程測驗(yàn)數(shù)據(jù)隧道名稱隧道長度（km）24h內(nèi)隧道LED照明系統(tǒng)的能耗（kWh/km）（數(shù)據(jù)升序排列）備注正兜II號隧道0.810398.7朋山嶺隧道2.973460.02桃源隧道2.152497.33前埭隧道2.580517.29熊村隧道0.736543.48無節(jié)能控制格龍隧道（左洞）1.03545.63采用精細(xì)化無級節(jié)能調(diào)光控制洪厝隧道0.740585.34潼湖隧道1.838612.08正兜1號隧道1.405617.83禾荷圍隧道2.308623.92格龍隧道（左洞）852.48采用分級節(jié)能調(diào)光控制清林逕隧道1.015876.852.新型光源在公路隧道照明領(lǐng)域應(yīng)用案例經(jīng)過工程測試可知，隧道照明系統(tǒng)采用調(diào)光模式具有很好的節(jié)能效果。本節(jié)采用理論計算確定出單位隧道長度能耗值，并計算對比調(diào)光與不調(diào)光兩種模式下的能耗對比，獲取調(diào)光模式下的節(jié)能率。路況條件為：洞外亮度：3500cd/m2

，車速：80km/h，車流量：大于700輛/h，小于2400輛/h；路面：瀝青路面。單洞長度（m）白天總功率（w）夜間總功率（w）調(diào)光模式下全天單位長度能耗（kw*h/km）非調(diào)光模式下全天單位長度能耗（kw*h/km）節(jié)電比例1000390209840586.32936.4837.39%500341805000940.321640.6442.69%3003318040001487.22654.443.97%注：調(diào)光模式指采用白天+夜間兩種時序控制，白天時序持續(xù)時間12小時，夜間時序模式12小時。2.新型光源在公路隧道照明領(lǐng)域應(yīng)用案例標(biāo)準(zhǔn)化對于引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，統(tǒng)一技術(shù)要求，規(guī)范市場行為有著重要的推動作用，公路隧道照明相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究涵蓋以下幾個方面：設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等3.公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)化研究設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)JTJ026.1—1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》指標(biāo)、參數(shù)等的確定以高壓鈉燈為基礎(chǔ)3.公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)化研究制/修訂標(biāo)準(zhǔn)JTG/T70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》已考慮白光LED、無極熒光燈等新型光源特點(diǎn)關(guān)鍵指標(biāo)

第9章節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)與措施——當(dāng)顯色指數(shù)Ra≥65，色溫介于3500K~6500K的LED光源用于隧道基本照明時，亮度可按表6.1.1所列亮度標(biāo)準(zhǔn)的50%取值，但不應(yīng)低于1cd/m2。3.公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)化研究——當(dāng)顯色指數(shù)Ra≥65，色溫介于3500K~6500K的單端無極熒光燈用于隧道基本照明時，亮度可按表6.1.1所列亮度標(biāo)準(zhǔn)的80%取值，但不應(yīng)低于1cd/m2。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)JT/T609－2004《公路隧道照明燈具》“一、范圍標(biāo)準(zhǔn)適用于以熒光燈、鈉燈等氣體放電燈為光源的公路隧道用照明燈具。隧道用其它燈具可參照執(zhí)行?！?.公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)化研究

編制/修訂標(biāo)準(zhǔn)

交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（已報批，待頒布實(shí)施）《公路LED照明燈具第1部分：通則》《公路LED照明燈具第2部分：公路隧道LED照明燈具》《公路LED照明燈具第5部分：照明控制器》3.公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)化研究項(xiàng)目名稱技術(shù)要求試驗(yàn)方法型式檢驗(yàn)出廠檢驗(yàn)材料要求5.26.3√√結(jié)構(gòu)尺寸5.36.4√√外觀質(zhì)量5.46.5√√燈具初始光效5.56.6√√噪聲5.66.7√√燈具結(jié)溫5.76.8√√顯色指數(shù)5.86.9√√燈具光度性能5.96.10√√燈具防眩性能5.106.10√√機(jī)械力學(xué)性能5.116.11√×電磁兼容性5.126.12√×絕緣電阻5.13.16.13.1√√電氣強(qiáng)度5.13.26.13.2√×接觸電阻5.13.36.13.3√√電源適應(yīng)性5.13.46.13.4√√防護(hù)性能5.13.66.13.5√×耐低溫性能5.14.16.14.1√×耐高溫性能5.14.26.14.2√×耐濕熱試驗(yàn)5.14.36.14.3√×耐溫度交變性能5.14.46.14.4√×耐機(jī)械振動性能5.14.56.14.5√×耐鹽霧腐蝕性能5.14.66.14.6√×耐候性能5.14.76.14.7√×功能要求5.156.15√√可靠性5.166.16√×注1:本表4~9為發(fā)光燈具的檢驗(yàn)項(xiàng)目，其它項(xiàng)目為通用檢驗(yàn)項(xiàng)目。注2:型式檢驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)樣品的抽樣和數(shù)量在具體產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)部分確定。注3:√為檢驗(yàn)項(xiàng)目，×為不檢驗(yàn)項(xiàng)目。公路LED照明燈具檢驗(yàn)項(xiàng)目項(xiàng)目名稱技術(shù)要求試驗(yàn)方法型式檢驗(yàn)出廠檢驗(yàn)材料要求5.26.3√√外觀質(zhì)量5.36.4√√通用要求5.46.5√√數(shù)字調(diào)光控制器性能要求要求5.56.6√√模擬調(diào)光控制器性能要求5.66.7√√軟件要求5.76.8√√電磁兼容性能5.86.9√О電氣安全性能5.96.10√×耐低溫性能5.106.11√О耐高溫性能5.106.11√О耐濕熱試驗(yàn)5.106.11√О耐溫度交變性能5.106.11√О耐機(jī)械振動性能5.106.11√О耐鹽霧腐蝕性能5.106.11√×注：√為必檢驗(yàn)項(xiàng)目，×為不檢驗(yàn)項(xiàng)目，О為可選項(xiàng)檢驗(yàn)項(xiàng)目。照明控制器檢驗(yàn)項(xiàng)目3.公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)化研究老化時間a

h光通量維持率3000≥96%6000≥92%10000≥86%a老化時間包括燈具老煉試驗(yàn)時間1000h。等級初始光效

lm/W額定相關(guān)色溫≤3500K3500K<額定相關(guān)色溫≤5500KⅠ100110Ⅱ90100Ⅲ8590公路隧道LED照明燈具光通量維持率公路隧道LED照明燈具初始光效等級安裝支架結(jié)構(gòu)尺寸圖質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)JTGF80-2004《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)第二冊

機(jī)電工程》技術(shù)指標(biāo)要求以電氣安全、亮度及其均勻性等為主JTGF80（修訂中）技術(shù)指標(biāo)增加了色溫、顯色指數(shù)的要求3.公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)化研究

應(yīng)用視覺功效法的照明安全性評價光源光譜對人眼視亮度的影響基于公路隧道應(yīng)用條件的燈具能效測試方法公路隧道路面、面層改造對照明指標(biāo)的影響光源光譜對人眼視敏度、疲勞度的影響高穿透性光源及其光譜特性研究……4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究（1）應(yīng)用視覺功效法的照明安全性評價

當(dāng)前公路隧道照明領(lǐng)域的應(yīng)用與研究呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：光源種類日趨多樣化；人眼視覺效應(yīng)研究逐漸深入，影響照明質(zhì)量的考慮因素不斷增加；傳統(tǒng)的亮度、照度指標(biāo)已不能全面、準(zhǔn)確的評價照明質(zhì)量。4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究

本項(xiàng)目擬采用的視覺功效法實(shí)驗(yàn)是通過構(gòu)建仿真環(huán)境，模擬再現(xiàn)公路隧道照明特點(diǎn)，通過測試視標(biāo)觸發(fā)和被試者動作截止的反應(yīng)時間差，分析照明環(huán)境對視標(biāo)視認(rèn)性的影響，進(jìn)而分析、評價照明質(zhì)量。因變量：反應(yīng)時間變量：環(huán)境亮度、照明光源、分辨力閾值等實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計基本流程4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)：以觀察者做為試驗(yàn)“黑箱”；以大樣本量被試者的真實(shí)視覺感知和應(yīng)激反應(yīng)作為照明質(zhì)量評價的“打分器”；以反應(yīng)時間為定量依據(jù)，反推得到相同安全性條件下，不同類型光源所應(yīng)該達(dá)到的最小背景亮度指標(biāo)要求。4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究視覺反應(yīng)時間測試系統(tǒng)示意圖照明反應(yīng)時間實(shí)驗(yàn)流程圖4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究背景亮度，cd/m20.51.01.52.02.53.0HPS，ms525422333301297270MH，ms461402325296283260LED，ms410326285275252248不同光源在不同背景亮度(cd/m2)下的反應(yīng)時間對比度C0.30.50.8HPS，ms504460438MH，ms416371360LED，ms381316308不同光源在不同對比度下的反應(yīng)時間平均值視標(biāo)偏心角0°15°30°HPS，ms460488493MH，ms371412452LED，ms316335360不同光源在不同視標(biāo)偏心角下的反應(yīng)時間平均值高壓鈉燈顯色指數(shù)：19.2金屬鹵化物燈顯色指數(shù)：99.2白光LED顯色指數(shù)：72.44.公路隧道照明領(lǐng)域的研究反應(yīng)時間，ms亮度平均值，cd/m2高壓鈉燈金鹵燈白光LED42510.310.823301.51.450.9530321.871.262992.51.911.694.公路隧道照明領(lǐng)域的研究（2）光源光譜對人眼視亮度的影響中間視覺表征的是人眼介于明視覺和暗視覺狀態(tài)之間的一種情況，一般認(rèn)為對應(yīng)的環(huán)境亮度在0.001cd/m2到幾個cd/m2之間，比較接近于夜間室外照明和公路隧道基本段照明的亮度水平。而在現(xiàn)行公路隧道照明相關(guān)產(chǎn)品、設(shè)計、檢測的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中所指的亮度均為明視覺亮度。4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究光譜效率函數(shù)反應(yīng)了人眼對不同波長輻射的視覺感知能力，也是計算等效亮度的重要參量。

本項(xiàng)目研究以MOVE（MesopicOptimisationofVisualEfficieney）模型作為分析中間視覺光譜效率函數(shù)研究基礎(chǔ)，其簡化線性模型可表示為

x代表了明視覺函數(shù)在中間視覺函數(shù)中所占的權(quán)重，是模型建立的重要參數(shù)4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究計算順序公式表示

在求得的基礎(chǔ)上，通過測試得到光源輻照強(qiáng)度光譜分布即可得到中間視覺條件下的總光通量由于在其他條件相同的情況下，總光通量與亮度的數(shù)值成正比，則可以得到中間視覺相對于明視覺的等效亮度計算公式4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究應(yīng)用公式推導(dǎo)計算得到不同背景亮度條件下的中間視覺等效亮度，其與明視覺亮度的比值如右圖所示：通過數(shù)值擬合，擬合曲線如圖所示，其函數(shù)可表示為：常數(shù)因變量變量

不同光源背景亮度與中間視覺等效亮度比值關(guān)系圖4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究根據(jù)此公式可以方便的計算得到特定光源在中間視覺條件下明視覺亮度與等效亮度的比值關(guān)系。光源編號LED1#LED2#LED3#LED4#色溫4868K5549K5853K6924KGaN藍(lán)色發(fā)光YAG：Ce黃色發(fā)光4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究背景亮度，cd/m2中間視覺等效亮度，cd/m2LED1#LED2#LED3#LED4#0.50.640.680.670.7311.221.271.261.351.51.771.841.831.9422.322.392.382.512.52.852.932.913.0633.373.463.443.5944.394.494.474.6355.45.495.475.63不同色溫白光LED背景亮度與等效亮度關(guān)系曲(a:LED1#,b:LED2#,c:LED3#,d:LED4#)

通過數(shù)值擬合，擬合曲線如圖所示，其函數(shù)可表示為：

根據(jù)此公式可以方便的計算得到不同色溫LED光源在中間視覺條件下明視覺亮度與等效亮度的對應(yīng)關(guān)系。白光LED在不同背景亮度條件下的中間視覺等效亮度對照表4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究（3）基于公路隧道應(yīng)用條件的燈具能效測試方法4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究功率光通量燈具能效通用測試方法隧道現(xiàn)場條件4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究公路隧道建筑限界橫斷面組成最小寬度（單位，m）公路等級：高速公路設(shè)計速度:120km/h公路隧道功能性照明區(qū)域范圍4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究某應(yīng)用高壓鈉燈的公路隧道照明區(qū)域亮度分布圖某應(yīng)用白光LED照明燈具的公路隧道照明區(qū)域亮度分布圖4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究亮度指標(biāo)，cd/m2區(qū)域編號123456平均值8.6692.0272.0232.6483.2862.927最小值3.3140.9241.2801.5922.3752.085最大值18.866.5845.3025.2795.4286.8001654324.公路隧道照明領(lǐng)域的研究照明燈具在公路隧道橫斷面方向的有效照明區(qū)域角度范圍為79.70°，則以燈具光軸方向?yàn)?°，燈具有效照明區(qū)域在隧道橫斷面邊界條件為-28.13°~51.57°。CIETypeCCIETypeB4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究序號總光通量，lm有效光通量，lm光通量利用系數(shù)12102020609.750.9823400032567.750.96375206877.750.9142060018740.750.9152430022036.250.9162049018479.250.9720000177970.89876306663.750.87915821376.750.871065405417.50.83111143289260.781275005725.750.761399007550.750.7614510038390.7615179213130.7316696504.250.72174800031165.50.651832000196800.6219743544280.6205500032439.50.59公路隧道照明燈具光通量利用率測試燈具樣本的總能效與有效能效示意圖4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究（4）公路隧道路面、面層改造對照明指標(biāo)的影響

一定照明條件下某點(diǎn)的亮度值計算方法，公式如下所示Lpi——燈具i在計算點(diǎn)p點(diǎn)產(chǎn)生的亮度，cd/m2；Lp——p點(diǎn)總亮度，cd/m2；Β——觀察面與光入射面間角度，°；

γ——p點(diǎn)對應(yīng)的燈具光線入射角，°；Icγ——燈具在計算點(diǎn)p的光強(qiáng)值，cd；

r（β，γ）——簡化亮度系數(shù)。亮度計算示意圖4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究簡化亮度系數(shù)水泥混凝土路面簡化亮度系數(shù)表瀝青路面簡化亮度系數(shù)表4.公路隧道照明領(lǐng)域的研究簡化亮度系數(shù)可用于照度平均值和亮度平均值的換算瀝青路面：（15~22）lx/cd·m-2水泥混凝土路面：（10~13）lx/cd·m-2240a.u.240a.u.路面材料瀝青水泥白色鋪裝黃色鋪裝亮度系數(shù)lx/cd·m-2151038相同光通量相同路面照度16248030路面亮度，cd/m2白色鋪裝材料：（3~6）lx/cd·m-2黃色鋪裝材料：（8~12）lx/cd·m-24.公路隧道照明領(lǐng)域的研究

照射在隧道功能性照明有效區(qū)域之外的光強(qiáng)會有部分反射到有效照明區(qū)域，對于提高隧道路面的亮度平均值和均勻度有著一定的效果。面層平均反射率有效能效，lm/W12345678910098.0597.2273.1792.6492.7190.1988.9972.240.0282.840.1298.2997.7174.0493.7493.8191.3990.3173.4940.7484.880.3698.7798.6875.7895.9496.0193.8092.9576.0842.1788.9511121314151617181920074.3845.8145.7645.1642.3537.9171.9871.8264.1775.270.1276.9047.5547.