隧道LED灯的应用需求分析

 
摘 要：分析隧道用LED灯的应用需求和存在问题，希望生产厂家、设计人员、用户单位、管养单位甚至管理部门有所思考和行动，促进LED产业的健康发展。

关键词：隧道照明 LED应用
 
一、隧道LED灯应用及技术现状

根据2012年中国LED通用照明行业市场研究报告，传统光源路灯（含隧道灯）的照明份额仅为0.45%，而LED照明应用中道路照明应用已达到2.58%，详见图1。
2013年，厦门市产品质量监督检验院和国家电光源质量监督检验中心、上海市产品质量监督检验技术研究院、福建省产品质量检验研究院及杭州市质量技术监督检测院5家机构首次对LED照明产品质量进行国家专项监督抽查，对LED照明产品质量报告有如下结论：  生产企业规模依据LED照明产品年销售额划分为大、中、小型三类。大型企业产品质量稳定，产品合格率为93.6%；中型企业产品企业产品合格率为82.6%；小型企业产品质量不稳定，合格率为60.5%，低于本次抽查的平均合格率。其中LED照明产品产业集中区的合格率情况如下：  
二、LED灯的节能性

在目前的技术水平上LED灯的节能体现在3个方面。 1. 亮度、照度和光效

亮度指的是人在看光源时，眼睛感觉到的光亮度，专业术语是“单位投影面积上的发光强度”。亮度高低取决于光源的色温高低和光源的光通量，光源的光通量多少是决定性因素。光源的光通量多，亮度就高。照度指的是光源照射到周围空间或地面上，单位被照射面积上的光通量，专业术语是“表面上某点的照度是入射在包含该点的面元上的光通量与该面元面积之比”。单位被照射面积上的光通量多，照度就高。换句话说，两者位置不同，受外界影响因素也不同；照度没有方向性，亮度有方向性，即投射到地面的光中不是所有的光线都能反射到司机的眼中，照度一般高于亮度，见图4。但影响二者大小的主要因素都与光通量有关，这也是为什么设计常常用方便计算的照度值来替代亮度的计算，验收实测时也常常采用方便测量的照度仪的原因。设计时要注意二者的不同。

亮度又是如何影响节能的呢？ 由于LED灯的可见光大大高于传统光源，在同样的光通量下，被人眼感觉到的亮度即有效视觉流明数也就大大高于传统光源的，有效视觉流明概念的普遍接受，使得LED灯的节能的效益得到了公认。

在2014年8月1日颁布实施的《公路隧道照明设计细则》中，我们已经欣喜地看到了争论多年的有效视觉流明概念的应用（规范中的表9-1），也即功率替代比例，隧道最常用的的高压钠灯，在背景亮度1~2cd/m²时，可替代比例为0.31~0.48，即400W高压钠灯，可用120~192W的LED灯替换，节能率为31%~48%，这也是LED照明的最明显的节能性。其实随着LED灯技术的突破，其实验室的白光光效从2006年的130lm/W左右到2013年的300lm/W，而量产的LED整灯光效，正规厂家已可以做到100~130lm/W左右，规范的上述数据并未指明其实测对比值的时间，但肯定不是最新的，也就是说，实际情况还可能更高。根据我省电子信息产品检验所对杭州市某区经济开发区道路的路灯实测报告¹，与原高压钠灯对比，节能率在50%~63%。

有了这样的技术和产品，并不意味着实际应用中的圆满。很多厂家尤其是技术质量难以有效把控的厂家，并不能生产出理想光效的产品，其节能是以牺牲照度来达到的，设计、采购中要注意避免这样的情况发生，对LED灯的主要关键指标要有明确要求，并要求业主采购标书中载明此要求。

2. 配光曲线

配光曲线不但影响到照度的均匀性，也涉及到炫光的控制问题和投射水平。传统光源的配光曲线相对理想，基本能做到中投射水平以上，而早年的LED灯基本是近投射配光，以至于有的地方政府强制规定LED隧道照明灯间距不能超过6m。这几年情况虽有较大改善，但依旧还有很大改进空间，设计应对此提出要求，推动产品的升级。对于C-90 º和C-270 º非对称配光情况并不理想，很多厂家是对称配光，导致灯具光通量分配不合理、利用系数不高等问题，降低了灯具的效率，LPD值也会难以达到，据中国照明网公布的实测数据中，截止2009年，有70%的灯具C-90 º和C-270 º配光对称性存在问题²。中国照明学会推荐的理想的C-90 º和C-270 º非对称配光曲线见图5，设计选型时建议对照此曲线选择厂家或者在招标文件中写入此要求。 配光曲线中的最大光强γ角位置与道路照明的均匀度有关，包括照度均匀度和亮度均匀度。理想的照明效果，应该是路灯下方光强I₀最小，随着仰角增大，所在γ角的光强I_n应增大，I_n和I₀满足I₀=I_n·cos³ γ的函数关系时。一般来讲当最大光强在垂直面内的投射角度达到55~60º时，即可达到照度均匀度要求。

衡量路灯配光光束均匀度还有一个指标，即I_0-25/I_max值，该值小于等于0.35时，配光曲线较好地满足了照度均匀性要求，当其值大于0.35时，会产生灯下亮现象。关于更多的I_0-25/I_max值情况，可详见参考文献2。

3. 调光技术

调光技术的应用把隧道LED灯的节能效果发挥到极致。LED光源的调光技术有很多种，也有各种各样的分类，但基本可以归为二类，一类是基于网络和通讯协议的智能调光系统，如基于信号线的DALI协议调光、DMX512协议调光、电力载波调光技术、无线通讯调光技术等等；一类是基于执行方式的或称控制模式的调光系统，如相控调光技术、脉冲宽度调制PWM调光技术等等，针对LED的其他光学性能参数的调光技术由于非主流，暂不论及。由于隧道照明对单灯控制的需求并不高，因此在其他场合适用的智能调光技术未必最佳。隧道内的照明调光宜按照照明分段进行整体调光，线性调节、简单可靠，目前最成熟也是最常用最适用的调光技术是PWM调光技术，它通过开关电路设置周期占空比来改变输出电流值，响应速度快，调光精准，非常适合恒流驱动的LED光源。隧道中调光技术的应用除了节能，还降低了发热更有利于提高光源寿命，同时有利于整灯寿命的提高和光通量维持率提高。

调光技术涉及到LED灯的驱动电源、网络通信等技术，分涉多个厂家，其中的需求协调并非一致，但总的，驱动电源应是向智能化、系统化发展，而且应有技术突破，如负荷宽载性、多调光信号兼容性、全数字化控制等等，与LED照明共同发展共同进步。

不论LED灯的调光技术如何发展进步，设计均应充分考虑其二次节能效应，在隧道照明中进行调光设计。
 
三、灯具

灯具的问题似乎很多，很小，很散，但都对其未来的发展、应用也很致命。例举几个隧道照明中较为迫切的方面。

1.光源的互换性

随着城市长大隧道的增多和LED灯的大量使用，光源互换性差的问题正日显突出。由于不同厂家甚至同一厂家的不同时期产品，其光源的互换性都比较差，带来的直接后果是必须整灯更换，更换麻烦耗时相对较长，隧道照明的维护工作量陡增，维护成本上升，隧道内一般还需封道更换，对交通带来不利影响。目前能真正保证30000h以上的寿命产品越来越多，但劣质产品更多，采购关难以把控，致使运维单位不堪其扰。隧道LED灯迫切需要光源更换能像荧光灯管、高压钠灯那样方便快捷，有统一的光源模块、统一的光源参数、统一的接口模式、统一的灯具外形。

目前有模块式光源，只更换损坏的模块，但各家型号规格接口等并不统一，隧道用LED产品标准化目前应该说国内国外均无完善的标准，行业标准也只在初级摸索阶段，政府部门则更多的侧重在性能参数的标准制定上，建议各地LED产业联盟，应重视制定LED产品的互换性指标、光源和灯具可分离及其分离标准等内容。国内外目前在此方面所做的工作主要有：2012年制定并报批的《普通照明用非定向自整流LED灯规格分类》，在国际上首次提出了对光源不按功率分类而按光通量进行分类，并已获得了最新IEC62612的采纳（2013-02-01），而这可以理解为仅仅是对光源的标准化；由此也说明，国内这两年因为政府的大力扶持，LED照明可能走得远比国外远，技术也不差于国外，差的是中小企业众多良莠不齐，无序竞争严重，统一标准的缺失。国内在标准化理念走得最远的，当属上海，已有《隧道LED灯照明技术应用指导意见（2013修订稿）》，提出了“隧道宜采用光源可替换LED隧道灯”，“不推荐采用整体式LED隧道灯”的明确思路，并对常规的隧道LED灯的外形尺寸、灯具安装支架等等内容作了一些规定，可算国内该方向最领先的技术文件了。贵州高速公路开发总公司的标准文件《高速公路隧道LED灯技术条件》GZS04-2012中虽未提出光源互换性的要求，但因其当地山岭众多隧道成群的特点，其实早已意识到互换性问题对营运维护的重要性，在该技术条件文件中明确规定了LED灯的外形尺寸、光源模块尺寸、安装尺寸等等细节，所有投标产品必须符合该技术条款，在当时不失为一种颇有远见的良策。广州于2014年提出并实施“LED照明标准光组件计划”，以发光组件为基准单元标准化、模块化的方法，以图解决LED照明产品的通用性、兼容性，不逊于上海。其他如福建等省的LED产业联盟的有关规定虽也有提及，但侧重点还是在LED光源的性能指标等的标准规定上。国际上，在标准化理念上走得最远的是总部设于欧洲的ZHAGA联盟。ZHAGA 是一个由全世界顶级的LED生产商组成的联盟协会，其宗旨是“在通过标准化来实现光引擎的兼容性和互换性，并以此加速LED 技术的广泛应用”，与本人思路不谋而合。根据ZHAGA官方网站消息，截至到2012年4月份，最新消息是ZHAGA已完成制订共7本「规格书」(Book)：ZHAGA是通过光引擎来实现标准化的，目前出的7个规格书主要是对使用场合要求不高的小功率的灯，没有隧道灯方面的规定，隧道照明灯按其思路要通过光引擎来实现互换的标准化可能还有很多的技术难题需要攻克，有很长的路要走。

另外，无论光模组还是光引擎，由于LED的光效还没有达到其理论限制，模组体积可能还会改变，如何解决发展中的适应和过渡，也是应该考虑的问题。

2.散热问题

近几年的LED产品，散热问题得到了足够的重视，并且得到了极大的改善。新的散热技术还在层出不穷，形势可喜，正规大厂值得进一步期待。

3.眩光问题

城市隧道美观要求往往较高，灯带的设计便是首选方案之一。但LED隧道灯为了解决散热问题，现大多采用了图7(b)的灯型，即透镜直接外露。由此带来了刺眼的炫光和明暗不一的致命弱点，难以达到预期的美观效果。见光不见灯的反射式配光，虽然光效会略低于直射式配光，但在光带设计时有其优越之处，右图就是一种较为舒适和美观的灯型，其配光丰满，特别适用于城市隧道的应用。厂家在提高光效的基础上仍应积极研究和改进各项细节。

4.灯型问题

隧道用的LED灯型可谓五花八门，见图7。光源也好光引擎光模组也好，灯型的一致性也是同样重要。如何归类、如何分型、如何标准化电接口、模组接口、安装接口、灯具小型化等等，满足维护便捷性需求，其迫切性不亚于光源。建议各地产业联盟可以借鉴贵州和广州的做法，尤其是参照广州的做法，尽快进行相关课题研究，细化隧道甚至道路用LED灯的技术需求和技术攻关线路图，采用认证的方式推广执行或是采用准入的方式推广实施也行，同步联合国家级相关学会、联盟甚至政府相关部门进行全行业、体系性设计考虑，促进行业整合健康稳步发展。
   
参考文献
[1]  LED路灯测试实例分析  薛晓晓 陈萍 照明与电器 2015年第1期
[2]  LED道路照明灯具光度数据的现状分析 王晔 陈超中 施晓红 照明工程学报 2009
[3]  LED道路照明灯具光度数据的现状分析(续） 王晔 陈超中 施晓红 照明工程学报 2010
[4]  道路照明标准比较及其对灯具配光的要求
[5]  中国半导体照明产业发展态势 阮军 2013年中国照明论坛
[6]  LED照明标准光组件体系路线图及实施 眭世荣 陈哲 马达 张剑平 中国标准化 2014