LED隧道照明调光控制系统

LED隧道照明调光控制技术中国合同能源管理网-2010-8-615:52:181、引言按需照明一直是照明科技领域追求的理想形式，由于传统光源亮度难以控制，而设计时又必须考虑足够的设计冗余，因此公路隧道普遍存在过度照明、电能浪费巨大的现象，过度照明能耗高达50%～90%。随着LED照明的发展，明亮度智能无级控制已成为现实。本文结合一些隧道LED照明调光控制的实践，就这一问题进行探讨。2、影响照明能耗的主要因素影响隧道照明能耗的因素主要有洞外亮度、光源、电源、维护系数和路面类型，本文主要对前四个因素进行讨论。2.1洞外亮度我们知道，隧道内加强照明的标准值都是根据隧道洞外的亮度乘以一个系数得来的。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。图(1-1)为不同的洞外亮度情况下加强照明能耗相对百分比，以4000cd/㎡为100%。从图中可以看出，洞外亮度对隧道能耗影响相当大。这也给节能带来了相当大的空间。根据《公路隧道通风照明设计规范》，入口段亮度可按下式计算：Lth=k·L20(S)(式1-1)式中，Lth为入口段亮度，k为入口段亮度折减系数，L20(S)为洞外亮度。虽然在设计隧道照明时，我们要求按照夏天中午时的最大洞外亮度进行计算加强照明的亮度，并考虑到足够的冗余，以确保运营期间的每一天且灯具的亮度衰减到额定值的下限时，洞内照明强度依旧能够满足规范要求。但在实际运营期间，洞外亮度会随着天气、季节和时辰的不同而每时每刻都在变化，即式(1-1)中的L20(S)时刻在变化，它会从几十坎德拉变化到几千坎德拉。L20(S)变化了，依据公式Lth也应随之变化，这种照明方式才是合理的。如果L20(S)变化而Lth不变或者仅简单地分几个等级进行变化，都会造成巨大地电能浪费。下面的图(1-2)示出了晴天隧道洞外亮度的变化情况。图(1-3)示出了晴天分级调光系统与LED无级调光系统的调光功率、能耗对比。其中LED灯设计功率线与夏至功率需求曲线中午时的最大值之差为维护系数和设计冗余。图中曲能耗也是实际需求的2倍。因此，隧道加强照明若能采用智能无级控制系统对洞外亮度进行跟踪，实时调整洞内亮度，即可实现按需照明的目标。对于东西走向的隧道而言，若入口位于隧道的东侧，则上午阳光照射到东面山体，使洞口亮度较高。午后东面山体转为阴暗面，洞外亮度急剧下降，这使得入口段加强照明的强度较上午又大幅减小。采用亮度智能无级控制后，洞内照明就会顺应这种变化，如图(1-4)所示。其夏至晴天照明能耗仅为钠灯的18%，而冬至时仅为12%，节能高达80%以上。2.2光源隧道照明的标准值在行业标准中是有具体规定的。若照度大幅度地超出行业标准，则属过度照明。由于高压钠灯光源的功率规格通用型只有100W、150W，250W和400W几种，而许多高速公路隧道基本照明灯具仅需40～120W即可，但市场上技术成熟的高压钠灯光源并没有这些规格，因此隧道的基本照明不得不选用100W或150W的高压钠灯。这使得隧道单侧开灯亮度不够，双侧开灯过渡照明现象严重。而选用LED灯具，其设计功率一般在20～70W之间，过度照明较钠灯要低得多，但依旧存在着过度照明。若采用隧道LED照明亮度智能无级控制系统，则可根据需要进行照明。标准要求多亮，隧道内就提供多亮。可有效地避免过度照明造成的电能浪费现象。2.3电源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。图(1-5)为250W高压钠灯和200W的LED灯在不同电源电压下的功率曲线图。从图中可以看出，在夜晚电源电压高达250V左右时，高压钠灯(含镇流器)的功率为378W，较额定值增加了40%。在这种电压下，钠灯的寿命(亮度衰减50%时的工作时间，一般额定状态下为2万小时)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，也是夜晚越点越亮的主要原因。而LED灯的功耗几乎不随电源电压变化。这又为节能提供了相当大的空间。2.4维护系数通常在设计灯具功率时，必须考虑一定的维护系数，以确保运营过程中当光源亮度衰减和灯具受到污染而使亮度下降30%以上时，其照明强度依旧能够满足规范要求。在《公路隧道通风照明设计规范》中，维护系数取0.7。如某一隧道基本照明选用100W的灯具亮度刚好满足规范要求，则在实际设计时必须选用功率大于143W的灯具。即使这样，也还是会有风险，因为倘若光源光效稍微差一点，就有可能造成运营一段时间后亮度低于规范要求。因此为了确保隧道照明始终能够满足规范要求，通常设计时还需要考虑一定的设计冗余。一般在1.2倍左右。上面100W刚好满足的灯实际的设计功率应在170W左右才符合要求。在实际运营期间，如果单侧开灯，则亮度不够，如果双侧开灯，则过度照明现象严重，这是恒定亮度灯具的一大弊端。如果采用LED亮度无级控制，即可有效地防止由于设计维护系数和冗余所产生的电能浪费现象。3、合肥寿春路隧道LED照明亮度智能无级控制目前隧道照明的能耗有70%左右是浪费在过渡照明上。因此，隧道照明节能，首先必须从减少过度照明着手。若要减少过度照明，就要求照明灯具的功率能够根据需要进行调控。那种用单纯减小灯具设计功率以减少过度照明的方法是不可取的。因为这种方法会使照明系统运营一段时间后亮度就会低于规范要求。到那时，除非增加灯具数量，否则就只有采用降低行车速度或频繁更换光源的方法来解决了。调整照明强度有两种方式，一是采用多回路进行分级调光。通常最多只分到6级，即白天4级，夜晚2级。这种简单分级方式依旧存在较为严重的过度照明。二是采用无级调光。这种方式只需要二个回路，即基本照明回路和加强照明回路。这种无级调光方式是基于LED光源基础上实现的。它可使灯具亮度根据需要任意调整，隧道内需要多亮，照明灯具就提供多大的亮度，在满足规范的前提下避免了过度照明，最大限度地节约了电能。2008年10月份通车的合肥市寿春路隧道就是采用这一方案的典型工程。3.1系统结构图(2-1)为寿春路隧道LED照明亮度智能无级控制系统实施方案。洞外亮度监测装置将检测到的隧道洞外亮度信号传送至控制装置上，再由其换算后输出0～5V直流模拟信号去控制LED灯具的输出功率，从而达到控制被照场所亮度的目的。图(2-2)为采用LED亮度智能无级控制的合肥市寿春路隧道，为双向4车道。图(2-3)为安景高速公路前家山隧道LED照明亮度智能无级控制现场图片。从图中可以看出采用LED光源光线明快，色彩清晰。3.2控制方式3.2.1基本照明控制隧道内基本照明的特点是工作时间长，需要24小时持续照明。根据这一特点，在设计基本照明亮度时考虑了足够的冗余量。但在使用时，我们并不需要将设计冗余全部用上，即满功率工作;而是需要多少功率就提供多少功率。在未来若干年内，当灯具出现一定的光衰时，可通过控制系统相应增加灯具的输出功率，使隧道内的基本照明强度始终都能满足规范要求而又不会产生过度照明。3.2.2加强照明控制隧道加强照明灯具早晨开启和晚上关断的时间以及灯具开启后的亮度调节均由控制装置进行控制。控制系统根据检测到的洞外亮度数据，经计算后去控制洞内灯具的输出功率。这种自动跟踪洞外亮度，调节洞内亮度的照明方式，有效避免了过度照明，实现了按需照明的目标，最大限度地节约了电能。3.2.3应急照明控制隧道的应急照明灯具又兼做基本照明灯具，均由EPS电源供电。当市电断电时，控制装置瞬间将基本照明灯具的功率同步控制到额定功率的15%左右。这使得系统在市电断电情况下应急照明的配光特性与原先的基本照明相同，最大限度地避免了交通事故的发生。4、LED调光控制的优越性隧道采用LED照明亮度智能无级控制系统后，节能只是其优越性的一个方面。由于节能，它的工作温度绝大部分时间都处在一个较低的水平。而工作温度的降低，又会衍生出其他的效益：(1)亮度无级控制，比分级控制的同类灯具更节能40%，比钠灯照明节能70%～90%。(2)由于一年中只有夏天的中午，加强照明灯具才接近满功率工作，大多数时间均在10%～60%的功率下工作;而基本照明的设计冗余留到远期再用，近期的工作功率也低于灯具的额定功率。这使得灯具和电源的长期工作温度非常低，不仅可大幅减小LED的光衰，还延长了LED和电源的寿命。(3)下半夜功率可同步减半，灯具配光特性保持不变，避免了单侧关灯所产生的危及行车安全的斑马效应。(4)系统设计简单，只须2个回路，即一个基本照明回路和一个加强照明回路。基本照明又兼应急照明;当市电断电时，所有基本照明的功率均降至额定功率的10%，从而确保了照度的均匀性。(5)当隧道未达到设计车流量时，可依据规范对洞内照明强度进行相应折减，折减量可根据需要任意设定，以确保在满足规范的前提下最大限度地节约电能，避免过度照明，使系统真正实现了设计师们追求的按需照明的设计理念。(6)与分级调光系统相比，该系统可节约相当数量的电缆、控制箱及相应电气的费用。5LED调光控制的经济性在计算钠灯分级调光照明系统与LED智能无级控制系统投资运营费用对比时，我们选取了一条2km的隧道作为对比隧道。该隧道设计时速80km/h，单向2车道，设计车流量700辆/h。隧道路面宽度10.5m，采用水泥路面。图(3-1)为钠灯分级调光照明系统与LED智能无级控制系统各项费用的投资运营对比直方图。投资费用包括灯具、电缆和电气设备(包括变电站、应急电源、配电箱(柜)以及灯具以外的电器等)。天气情况按每年晴天165天，云天100天，阴天50天和重阴天50天进行计算。电费按商业用电价1元/kWh计算。从图(3-1)中可以看出，两种方案一次性投资费用相差并不大，但由于LED灯每年可节省近40万元电费，若隧道在设计车流量条件下按规范要求开灯，则不到3年即可收回增加的投资。6、结束语本文的工作主要有5点，1)洞外亮度、光源、电源与设计的冗余系数大小是隧道照明能耗的主要影响因素;2)采用LED隧道照明可简化供电回路设计，节约电缆与变压器的投资;3)LED调光控制可基于洞外亮度与交通量，实现按需照明，大大减少照明能耗;4)虽然目前LED隧道灯比高压钠灯贵，但实现调光控制后这具有显著的经济效益，投资回收期一般为3年左右。（文/韩直,吕晓峰,尹林,宣萍）参考文献[1]中华人民共和国行业标准，《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1—1999)，北京:人民交通出版社.2000[2]周正兵.LED隧道灯如何实现节能80%[J].交通建设与管理，2008(4).79-82.[3]王霞.LED照明亮度智能无级控制系统在城市隧道中的应用[J].交通科技，2009(1)92-94.来源：交通部西部项目“沪蓉西公路隧道(群)安全与节能技术研究”责任编辑：易木