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摘要：按需照明，人類已經追求了上百年。由于傳統光源的局限性，這一愿望始終未能實現。本文通過對分級調光[1]與無級調光的能效分析，說明了隧道LED照明亮度智能無級LED控制卡的節能原理及在城市隧道中的應用實效。這是該LED控制卡系統首次應用于城市隧道，開創了城市隧道照明智能化先河。它的成功應用，使城市隧道照明真正實現了按需照明的理想。
1.照明系統LED控制卡方案
(1)基本照明控制
隧道內基本照明的特點是工作時間長，需全天24h照明。根據這一特點，在設計基本照明亮度時考慮了足夠的冗余量。由于LED的壽命較長，因此維護系數通常取0.85～0.9。而本項目將基本照明的設計亮度定為標準值的1.3倍，相當于0.77的維護系數。這一數值可使隧道基本照明強度在未來若干年內即使出現一定的光衰，也始終都能滿足規范要求。不難看出，燈具投入初期的亮度超出規范基本要求的30%，形成一定程度的過度照明。過度照明幾乎在所有新裝燈具中都是存在的。這是由光源的光衰，燈具易受污染以及光源亮度不可控特性所決定的。它使得現有的照明系統每年浪費了大量的電能。為了避免過度照明造成電能浪費，減小燈具的光衰，延長LED光源和驅動電源的壽命，我們在實際運營時，將基本照明的功率設定在額定功率的80%，即所有50W的基本照明燈具的輸出功率控制在40W。在未來的運營過程中，可根據燈具實際光衰情況，逐年遞增燈具的輸出功率，直至達到100%功率輸出。本隧道共布置50W的基本照明燈具40盞，合計功率2000W，如果燈具光衰為每年4%，則燈具各年的工作功率為第一年40W，第二年42W，以此類推，第六年為50W。其每日亮燈時間——功率關系曲線見圖(1)。在運營六年后，燈具的亮度就會低于規范要求。這種控制燈具輸出功率的方式是以每年4%的光衰為前提的。不同燈具，光衰也會各不相同。散熱處理得好，光衰會小于4%/年，處理得不好，光衰可能會遠大于4%，有的甚至高達20%。如果光衰為2%，那么基本照明可在滿足規范的亮度下連續運營長達11年。
下半夜車輛較少，根據規范要求可相應減小照明功率。我們將午夜23點到早晨5點這段時間的照明功率同步減少，使每盞燈的功率僅為20W，以后可逐年遞增。這種功率同步減半的方式并不改變原有的配光特性，同時也避免了單側或隔盞關燈所造成的“奔馬效應”。它不僅可用于隧道基本照明，還可廣泛應用于城市道路照明，在大型室內場所也將會有較好地應用。
(2)加強LED照明控制
隧道照明與道路照明不同，它除了設置貫穿于整個隧道的基本照明外，還需要在出入口附近設置用于白天照明的加強照明，且照明強度比基本照明高許多，以防止車輛駛入隧道時出現“黑洞效應”。我們在兩個入口段共布置了20盞150W的LED燈具，過度段共布置了18盞100W和10盞50W的加強照明燈。加強照明光源功率合計5.3kW，含電源功率為6.24kW。相對基本照明而言，功率已相當大。隧道照明的入口段和過度段的照明強度是根據洞外亮度乘以一個折減系數得來的。入口段亮度計算公式如下：
Lth=k·L20(S)
式中：Lth——入口段亮度(cd/m2);
k——入口段亮度折減系數;
L20(S)——洞外亮度(cd/m2)
從式中可以看出，洞外亮度的大小直接影響到洞內的照明強度。雖然我們在計算洞外亮度時，是按照夏天晴天中午的最大值來計算的，但一年中這一亮度出現的時間僅有百分之幾，其他大部分時間洞外亮度均在10%～60%之間變化，主要是因季節、天氣和時辰的不同而各異。展示出了隧道內不同光源的白天開燈功率與高壓鈉燈的設計功率之比，稱之為功率線。高壓鈉燈的每日開燈功率與設計功率之比，中間一條直線是恒定亮度的LED燈每日開燈功率與高壓鈉燈的設計功率之比，下面二條曲線分別是亮度可控型LED燈在夏至和冬至時白天的照明功率與高壓鈉燈的設計功率之比。各照明功率線下方的面積即為該燈當日的照明能耗比。其中恒定亮度的LED燈每日開燈功率與亮度可控型LED燈在夏至中午的照明功率差值為設計維護系數。采用恒定亮度的燈具，則隧道一年的絕大部分時間均處在過度照明狀態，電能浪費現象嚴重。通過積分運算可得LED無級調光系統在夏至和冬至這兩天的晴天照明能耗僅為高壓鈉燈的31%和21%;為恒定亮度LED燈的54%和37%，其他時節的能耗均在這之間。由此可以看出，公路隧道照明采用LED無級調光系統具有相當大地節能空間。本設計正是采用了亮度可控型LED隧道燈及其亮度智能無級控制系統來為隧道加強照明調光。不論隧道洞外亮度如何變化，該系統都能夠對其進行自動跟蹤，計算出洞內實際亮度需求并控制燈具輸出相應地光通量，實現了按需照明的目標，最大限度地節約了電能。
(3)應急照明控制
隧道意味著一旦供電系統停電，將使駕駛人員難以把握方向，極易造成交通事故。城市短隧道通常可不設應急照明系統，但考慮到壽春路隧道是一條弧形隧道的特殊性，設計時增設了不間斷應急照明系統。
在高速公路隧道中，應急照明亮度應不小于基本照明亮度的10%，且布設間距一般在20～30米一盞。這種傳統的布設方式使得應急照明狀態下的照度均勻度極差，這在突然停電的情況下依舊存在較大地事故隱患。因此，我們在設計應急照明系統時放棄了傳統的大間距布設方式，充分利用LED燈的亮度可控特性，將所有的基本照明燈全部兼作應急照明燈。當市電斷電時，由EPS電源為基本照明燈具供電。此時LED控制卡裝置瞬間將基本照明燈具的功率同步控制到額定功率的20%左右。這使得系統在市電斷電情況下應急照明的配光特性與原先的基本照明相同，最大限度地避免了交通事故的發生。在燈具安裝后，我們對現場應急供電情況進行了驗證，在市電斷電瞬間，加強照明全部熄滅，基本照明燈具的亮度全部保持在低亮度狀態，經測試，應急照明狀態下路面平均亮度為0.6cd/m2，達到了預期的設計目標。
2.照明亮度智能無級LED控制卡系統介紹
(1)系統簡介
隧道LED照明的智能無級LED控制卡系統目前國內已有多家公司研發出來，但大多未得到實際應用，有的在實際應用時無法控制。在本隧道照明設計中，我們采用了已在高速公路上得到良好應用的控制方案。LED控制卡系統的洞外亮度監測裝置將檢測到的隧道洞外亮度信號轉換為4～20mA標準信號傳送至亮度智能無級LED控制卡上，再由其換算后轉換為0～5V的直流模擬信號輸出，去控制LED燈上的電壓控制電流源。電壓控制電流源的控制端電壓的變化會使其輸出電流隨之變化，而輸出電流的變化，又會引起LED輸出的光通量發生變化，從而達到控制被照場所亮度的目的。
(2)LED控制卡控制距離要求
本系統LED控制卡裝置放置在EPS電源柜內。EPS電源柜設置在洞口附近的南側，距洞口約10m。從LED控制卡裝置到隧道的另一端，控制線長度約220m。為了確保控制信號能夠長距離傳輸而不會衰減，我們要求在采用0～5V的直流模擬電壓傳輸控制信號時，其首尾出入口的控制誤差不大于2%。信號能夠長距離傳輸的先覺條件是燈具的控制輸入端具有很高的輸入阻抗。燈具的控制輸入端阻抗越高，其吸入電流就越小，則控制信號總線上的電壓衰減也就越小，控制信號的傳輸距離就越遠。從一些廠家提供的燈具技術資料來看，有幾家的燈具控制輸入端的輸入阻抗非常高;這使得每盞燈所需的控制電流非常微小，從而確保了信號經長距離傳輸后衰減微不足道。有的廠家能在控制3000盞燈的情況下，有效控制距離長達30km。這一控制距離幾乎可以滿足所有隧道和絕大多數城市道路的調光控制要求。
(3)電壓與亮度對應關系
為了避免系統斷電，設計時采用了EPS電源為基本照明燈具供電，從而確保了電源不會中斷。但另一方面，在電源正常供電情況下，如果照明LED控制卡裝置發生某種故障，使得其無輸出(這是一些電子系統的常見故障模式，如控制器電源故障等)，仍然可能造成隧道內的照明強度突然低于應急照明的要求。為此，我們要求LED控制卡信號的0V對應燈具的最大亮度，5V對應燈具的最小亮度，且燈具的最小亮度不得低于額定亮度的10%。這一要求確保了任何故障狀態下，只要EPS電源工作正常，隧道內的照明就會始終存在，從而最大限度地保障了行車安全。
3.應用情況介紹
隧道LED照明亮度智能無級LED控制卡系統全部安裝完成后，我們對系統的控制性能進行了驗證。系統加強照明燈具的亮度白天可隨著洞外亮度的變化而變化，在陰天還可看到加強照明燈具亮度明顯低于基本照明，實現了無級調光。系統基本照明燈具白天的功率相對較高;在午夜23時至清晨5時車流量較小時，基本照明燈具均以白天功率的50%工作。在市電斷電后，應急電源瞬間啟動，所有基本照明燈具的功率均降至額定功率的20%。LED控制卡系統避免了過度照明所產生的電能浪費現象，實現了業界長期追求的按需照明的理想。系統與原分級調光的鈉燈照明相比，每年可節省電能70%以上。
4.結束語
隧道中成功地采用了隧道LED照明亮度智能無級控制系統。它的投入使用，將大幅降低隧道的照明能耗，減小LED燈具的光衰，延長燈具和電源的使用壽命;同時也為關注照明節能的業內人士提供了一種可供借鑒的城市隧道智能化照明工程案例，為隧道實現按需照明開辟了全新的途徑。
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