隧道方案++仅供参考

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1、高速公路高速公路 LEDLED 隧道照明灯隧道照明灯 节节 能能 改改 造造 方方 案案 20132013 年年 1010 月月 2828 日日 目录目录 一 隧道照明节能的必要性 . 1 二 LED 隧道灯基本原理 . 1 三 LED 隧道照明 ZigBee 智能调光控制技术 . 2 四 LED 隧道灯替换原高压钠灯实施方案 . 11 五 LED 隧道灯与高压钠灯投入及节能对比 . 15 第 1 页 共 24 页 一一 隧道照明节能的必要性隧道照明节能的必要性 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

2、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。 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

3、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。试验证明该技术方案成熟可靠，比使用传统的高压钠灯直接照明节能比例可以达到45%50%，若是算上相关附带节能，总的节能比例可以达到55%左右，节能效果显著。 二二 LEDLED 隧道灯基本原理隧道灯基本原理 在某些半

4、导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与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“十第 2 页 共 24 页 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。与传统的照明灯具相比，LED 灯具有光指向性好、寿

5、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90110Lm/W 以上，虽然与高压钠灯的发光效率100150Lm/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 高压钠灯与65W LED 隧道灯的实测参数比较表。 表1 100W 高压钠灯与65W LED 隧道灯光效比较表

6、 参 数 100W 高压钠灯 65W LED 隧道灯 光源功率 100W 65W 整机功率 117W 65W 有效光通量 3900 Lm 3995 Lm 灯具效率 60 92 利用系数 65 95 光源效率 100 Lm/W 105 Lm/W 三三 LEDLED 隧道照明隧道照明 ZigBeeZigBee 智能调光控制技术智能调光控制技术 1 1、影响照明能耗的主要因素、影响照明能耗的主要因素 第 3 页 共 24 页 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。 1.1洞外亮度 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

7、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=kL20(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

8、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。 第 4 页 共 24 页 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

9、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。 第 5 页 共 24 页 1.2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

10、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40120W 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20100W 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。 1.3电源 气体放电灯对电

11、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。 第 6 页 共 24 页 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。 1.4

12、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

13、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。 第 7 页 共 24 页 2 2、隧道、隧道 LEDLED 照明亮度照明亮度 ZigBeeZigBee 智能控制智能控制 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

14、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。采用无级调光这种方式是一种不错的选择，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。 2.1系统结构 该无线控制网络由 GPRS 网络和 ZigBee 网络组成，无线智能路灯管理系统的组成单元如下： A、路灯控制器(SZ10系列) 在有限的路由深度和网络容量的前提下，不但具有路灯控制器的各项功能，而且还具备中继路由功能。 SZ10-R1A-2KM 单灯控制器 第 8 页 共 24 页 主要功能有：

15、控制路灯开关、亮度调节、电流采集、电压采集、计算功率以及功率因数等。单灯控制器分为模块式（内置灯具中）和外挂式（可内置灯杆中） ，分别满足路灯企业和工程商的使用需求。根据项目需求，我司 SZ10 系列单灯控制器，可预留接口，实现人体感应控制灯、光照度控制灯、雨雪量采集控制灯、温湿度采集控制灯等等。 B、集中管理器（ZigBee 协调器+GPRS 数传终端） 主要功能有：(一)接收和发送子网内的所有路灯控制信号、数据记录、报警处理第 9 页 共 24 页 等。 它负责控制子网内的路灯控制器运行， 将系统中心的命令下达给路灯控制器，将路灯控制器及线路信息反馈系统中心。 集中控制器处于系统中心和路灯

16、控制器的中间，向上通过 GPRS 方式与系统中心通信，向下则是通过 ZigBee 通讯协议方式，同各个路灯控制器通信。 （二）可实现对三相电或者单相电的电流（三路）电压（三路） 、有功、无功、功率因素、温度等数据的采集；具有四路回路开关控制。 （三）接收服务器下发的定时策略存储在本地，上报服务器所要查询的数据；可实现本地或者远程的查询与配置；同时可实现策略的查询、修改；也可进行手动实时控制命令和查询命令。 第 10 页 共 24 页 C、系统中心（计算机系统+软件监控平台） 系统中心主要实现通过系统控制软件对不同（集中管理器）下的路灯控制器进行远程数据访问和控制，包括参数配置，控制命令发送、现场灯具状态收集等。能够显示路灯开关状态信息，能够远程控制路