隧道LED照明关键问题探讨

1 引言

隧道一种特殊的管状构造物,与洞外明亮宽敞的道路不同,车辆白天进出隧道是一个从明亮进入黑洞,又从黑洞走向明亮的过程,在这个过程中存在几个特殊的视觉问题,车辆白天进入隧道,在隧道入口会出现“黑洞效应”;进入隧道后,肉眼需要一定时间才能适用隧道内部的光环境,出现“适应滞后现象”;在隧道出口处,由于洞外亮度极高,在出口处出现“白洞效应”。由于这几种特殊的视觉问题,给隧道照明提出了极高的要求。

由于隧道照明是一种密集、定向照明,需要隧道灯具一天24小时连续不间断点亮, 而LED光源作为一种定向照明光源,特别适合隧道这种密闭空间内的密集照明,能最大限度地发挥LED节能的特点,并且隧道内部相对恒温的工作环境、汽车行驶的空气流动特性也很有利于LED隧道灯灯具的散热,因此隧道照明被认为是LED照明的最佳应用领域之一。

近年来,在国家“十城万盏”的推动下, 广东、福建、浙江、江苏、安徽、上海等全国各地纷纷开展隧道LED照明试点工程。重庆也紧追试点工程的步伐,目前重庆现有隧道总计超过200座,而在建隧道170余座、总延长近300公里,其中3000米以上特长隧道41座,自2007年开始逐步试点多座隧道,但由于相关部分和LED灯具生产企业对隧道照明的特殊性认识不足、而LED光源本身也尚在发展中,前期重庆各地的LED隧道照明试点工程中暴露出了很多问题,节能、照明效果令人很不满意,因此相关交通主管部门对隧道LED照明总体持谨慎态度。

为了促进重庆LED隧道照明的健康发展及全面推广应用,针对隧道LED照明目前存在的各种问题,重庆市高速公路集团、招商局重庆交通科研设计研究院、重庆大学、交通部公路设计研究院,联合开展了《高速公路隧道LED智能照明系统设计及应用成套关键技术研究》的重庆市科技攻关重大项目研究,旨在总结国内隧道照明的经验教训,深入认识隧道LED照明的规律与特点,发现国内隧道LED照明试点工程中暴露出来的共性问题,找出问题的原因、制定相应的对策,使隧道LED照明的优势得以发挥、而不足得到逐步克服。通过项目的实施,在隧道照明的关键问题研究方面取得了明显的进展,对隧道LED照明提出了很多有益的建议。

2 隧道LED照明的共性问题探讨

2.1 隧道LED照明的光源色温选择问题

2.1.1行车安全性对光源色温的要求

在LED光源中,色温越高、光效越高,纯粹从节能的角度看光源的色温越高越好。由于色温兼具生理性和心理性两种属性,其中生理性包含反应时间、中间视觉效应、对障碍物的分辨能力等指标[1];心理性包含舒适感、满意度等指标。其中反应时间对于保障道路照明节能和交通安全是至关重要的,反应时间短、发生交通事故的可能性就越小。因此在隧道照明中,不应单纯考虑节能指标进行光源的色温选择,还应重点考虑安全指标、从人眼的反应时间出发进行光源的色温选择。

人眼的反应时间不但与照明光源的亮度、被照体的对比度等有关,还与照明光源的色温有关。通过研究不同背景亮度下光源色温与反应时间的关系,确定隧道光源合理的色温区间,将有利于隧道照明交通安全和科学节能。为了探究在不同背景亮度下,人眼对不同色温的反应时间,选择2700K - 6400K的几种不同色温的紧凑型荧光灯、无极荧光灯进行了对比试验[2]-[3]。图1为2700K、6400K两种不同相关色温紧凑型荧光灯反应时间与背景亮度之间关系的归一化实验结果,图2为4000K、5000K、6500K三种相关色温的无级荧光灯反应时间与背景亮度之间关系的归一化实验结果,但是图1是将2700K的紧凑型荧光灯在背景亮度1.0cd/m2的反应时间实测值作为归一化初始值,图2是将4000K的无极荧光灯在背景亮度0.32cd/m2的反应时间实测值作为归一化初始值。

从图1、图2可以看出,对于紧凑型荧光灯,高色温6400K的反应时间比低色温2700K的反应时间短;对于无级荧光灯,色温4000K和5000K的反应时间相当,且都低于色温6500K时的反应时间。根据反应时间的研究结果,从隧道照明的安全性出发,色温为4000K~5000K的光源优于高色温6500K或者低色温2700K的光源。

2.1.2行车舒适性对光源色温的要求

从隧道照明舒适性和满意度出发,前人的研究表明[1],不同的色温对人的感觉不同,主观亮度受照度、色温及显色性的交互影响,人在低照度的环境下偏好低色温,当照度愈高时,则偏向于较高的色温。人对色光环境的舒适区域范围如表1所示。

由于不同隧道区段、不同的交通量、不同的行车速度对应着不同的照度值标准,根据表1所示的心理感觉与光源色温、照度的关系,对于照度值小于500Lux隧道照明区段,采用暖色或者中间色较好,对于照度值大于500Lux而小于2000Lux的隧道照明区段,采用中间色或者冷色较好。

因此,在进行隧道照明设计时,需在在满足隧道照明设计物理标准的前提下,充分考虑使用者的视觉舒适性,并在光效、反应时间、色温之间取得平衡。结合反应时间与色温、视觉舒适性与色温、光效与色温关系的研究成果,色温为5000K左右的LED光源是隧道照明光源的较好选择。

2.2 隧道LED照明光源配光与隧道配光方式的探讨

根据国家隧道照明标准“公路隧道通风照明设计规范JTJ 026.1―1999”的要求,将隧道照明按照不同的区段分为了如图3所示的入口段照明、过渡段照明、中间段照明、出口段照明、接近段照明等,不同的区段对应着不同的设计亮度值。

根据CEN技术报告“CR 14380-2003”[4],将隧道照明系统分为图4所示的宽光带对称照明系统和图5所示的非对称照明(逆光照明)系统。另外还有一种图6所示的非对称的照明系统―顺光照明系统,要实现隧道照明在符合照明质量的前提下经济合理的设计,需要从灯具配光和隧道配光两方面入手。

在灯具配光方面,由于不同的隧道结构(宽度、高度)、以及不同的隧道内部条件(路面反射系数、墙面反射系数)、隧道的不同区段(基本段、过渡段、入口段、出口段、加强段)对照明的要求有很大差异,使得隧道灯有各种不同的布灯方式(侧面、顶部布灯,单侧、双侧布灯,对称、交叉布灯等),从而对应这不同的灯具配光形式,因此灯具的配光设计方面,需要将灯具的光学配光指标与隧道具体的内部结构、区段、布灯方式相结合。

对于隧道中间段,由于灯具排布间隔较大,适宜采用宽光带对称照明配光,即要求LED隧道灯配光呈蝠翼或朗伯型分布,其最大光强投射角和空间各方向的光强值根据隧道结构、内部条件而定。对于隧道入口段和出口段,亮度值要求很高,需要隧道灯具密集排布,布灯间距很小,可以采用逆光照明方式或者顺光照明方式。由于逆光照明方式能较容易辨别障碍物,并且大幅度提高路面的平均亮度,但是眩光明显,适应于交通流量较小的道路隧道入口段。顺向照明方式,光线照射在行驶车辆的后面,可以提高后行车辆的目视性,增强交通安全性。特别是在汽车刚进入隧道和开出隧道时,能有效的改善先行车辆突然消失这一现象,起到防止事故,缓解阻塞的作用。这种照明方式适应于交通流量大、设计速度高的城市隧道。这两种照明方式对应的LED隧道灯的配光呈偏转的聚光型或者侧射型,其最大光强投射角和空间各方向的光强值根据隧道结构、内部条件而定。

在隧道配光方面,为了达到符合国标亮度值、节能、经济的目的,需要对LED照明灯具进行合理的优化布局设计。对于图7所示的隧道断面模型,需要优化的参数主要为灯具排列方式(单排中央排列,双排交错排列,双排对称排列)、布灯高度H,布灯位置X,安装倾斜角A,安装间隔S等几个参数。由于照明计算是个很复杂的工程,因此进行优化设计时,需要借助相关照明设计软件并基于相关优化算法实现节能、经济的隧道照明设计。

2.3 功能照明与引导照明配合问题探讨

功能照明和引导照明是道路照明不可缺少的两部分。功能照明帮助驾驶员分辨前方路面障碍物,且辅助道路监控系统记录发生车辆事故的过程;引导照明是为了凸显道路的边缘或者隧道轮廓,避免车辆发生、碰壁现象。车辆在高速公路行驶时,由于高速公路禁止行人行走,而没有设置路灯照明等功能照明,依靠汽车的前照灯完成道路照明的功能,并利用道路两旁反射标志完成引导照明的功能,显示道路边缘,防止车辆,从而保证行车安全。

对于隧道照明,因为车辆是行驶在一个狭窄超长的隧道空间,驾驶员同时兼备心理性(反应时间等)和生理性(安全感等)两种状态,因此隧道照明最好采用功能照明和引导照明相结合的形式,即隧道顶部安置LED隧道照明灯具,隧道两侧安置LED指示灯具。但是由于车辆在隧道行驶时会将前照灯开启,因此可以适当降低中间段的照明亮度指标,而依靠汽车前照灯完成部分功能照明的作用。

2.4 隧道LED照明灯具可维护性问题探讨

2.4.1隧道LED照明灯具的通用性、互换性问题探讨

2.4.1.1 灯具结构尺寸的通用性、互换性问题探讨

目前LED隧道照明示范工程主要有两种方式。一种方式是在原来高压钠灯的安装条件的基础上用LED隧道灯替换高压钠灯;另一种方式是根据LED隧道灯的配光性能并结合隧道的实际情况设计隧道灯的安装方式(安装间距、安装位置、安装倾斜角等),由于不同的隧道、不同规格型号的LED隧道灯对应着不同的安装方式,这样一来造成安装方式千差万别,LED隧道灯的支撑架也形式各异。由于各LED隧道灯具生产厂家生产的灯具型号各异、安装尺寸各异,这给LED隧道灯的后期维护、更换带来的极大的困难。因此急需解决安装、结构的通用性问题,才能规范市场,促使LED隧道照明产业的健康发展。

对于用LED隧道灯替换高压钠灯方式,需要统一LED隧道灯的安装尺寸,即安装间距、膨胀螺钉的规格、空间安装高度等;对于直接用LED隧道灯进行设计的方式,需要不同厂家、不同型号的LED隧道灯灯具能实现灯具互换、厂家互换、型号互换,最大程度上解决LED隧道灯安装、结构的通用性问题。

2.4.1.2 灯具电源的可换性问题探讨

由于LED芯片、封装、散热技术的发展,LED自身的光衰问题逐步得到解决,使得LED驱动电源的问题日益凸显,其寿命远远小于LED的寿命,在现有的LED隧道灯产品应用过程中,其失效很大程度上是电源故障造成的,驱动电源已经逐步成了LED隧道灯的瓶颈,因此更换电源而不换灯成为一个LED隧道光源维护使用中的实际需求。为了方便地更换电源,在进行LED隧道灯设计时,需要将驱动电源全部外置,即使LED隧道灯灯体与驱动电源分离。

2.4.2灰尘污染与清洗

由于隧道是个相对封闭的管道,虽然进行了通风设计,但是常年累月的车辆通行,车辆尾气等污染气体不能及时排出,这些灰尘部分粘结到LED隧道照明灯具的玻璃罩或者透镜上,使得灯具的照明效果变差,并且灰尘落在散热器上将使得LED隧道灯散热通道阻塞,散热性能下降,从而造成灯体内的温度上升,并使LED隧道灯的光衰加剧。

与高压钠灯相比,由于LED是冷光源,如果密封设计合理,则LED可以耐受水的直接冲洗。因此如果在LED隧道灯设计时结合LED作为冷光源的特性,努力提高灯具密封、抗水性能,使得LED隧道灯灯具工作直接能耐高压水直接冲射,就可以在灯具正常工作条件下、实现灯具的在线定期清洗维护,从而提高灯具的光效、改善照明效果。

3 结论

隧道照明设计是一个复杂的工程,隧道照明效果是LED灯具、隧道照明环境、隧道照明设计等多方面共同作用的综合结果。本文分析了国内隧道LED照明试点工程中暴露出来的共性问题,并对问题提出了可行性的建议。如LED隧道灯的色温选择需要在反应时间、视觉舒适性、光效、色温之间取得平衡,以5000K左右为宜;要达到最佳隧道照明效果,必须综合考虑灯具配光与隧道配光、顺光与逆光方式相结合;为了车辆驾驶员心理性和生理性的统一,需实现功能照明与引导照明相结合,并可适当降低中间段的亮度值;在灯具的维护性和更换方面,LED灯具的安装尺寸最好统一,且不同厂家的灯具互换、型号互换,LED隧道灯灯体与驱动电源分离等。上述的这些问题是目前存在的国内隧道LED照明示范工程中的问题,通过LED生产企业与隧道照明设计部门的共同努力,完全可以解决,从而能使隧道LED照明的在兼顾安全性、使用性、节能性的条件下,充分发挥LED的优势。

参考文献

[1] 吴春海LED路灯色温的思考与选择[C],2009.

[2] 林、张青文、胡英奎等道路照明水平下光源色温与反应时间之间的关系探讨[C],2009

[3] 崔璐璐、林、殷颖等隧道照明安全与光源光色研究[J].照明工程学报,2009,20(2):24-29.

[4] CR 14380,Lighting application-Tunnel lighting CEN Report.