中短隧道的照明设置及经济性分析.doc

中短隧道的照明设置及经济性分析作者： 林江伟 刘建康 职业： 工程师单位：中交二公局电务工程有限公司 14摘 要中短隧道照明是目前公路隧道节能的突出问题之一。隧道照明依据公路隧道通风照明设计规范（JTJ026.1-1999），长度大于 100m的公路隧道应设置照明系统，但在实际运营过程中由于受到当地地理环境、气候等因素影响，部分中短隧道会产生照明过亮或基本不用照明两种不合理现象。为使司机行车安全、舒适，解决隧道进出口段的“黑洞”、“白框”效应，根据西商高速中短隧道照明运营情况，结合国内外标准，提出中短隧道的概念、隧洞前进方向各区段划分、照明方式及采用高压钠灯与LED灯具照明的经济性分析，最终确定灯具选型,给出一个较合理的隧道照明应用建议。关键词：中短隧道、照明、经济性分析目 录一、概念11中短隧道的概念与特点11.1中短隧道概念11.2中短隧道特点12中短隧道照明应解决的主要问题2二、西商高速公路中短隧道照明区段设置31西商高速照明的标准及原则32照明优化的方法与内容32.1长度500米的隧道32.2长度500L300的曲线隧道32.3长度500L300的直线隧道32.4长度300L100的曲线隧道42.5长度300L100的直线隧道4三、目前国内隧道照明方式选型41采用高压钠灯照明42采用LED灯具照明5四、两种灯具的经济性分析51使用寿命上比较52光的照明效果上比较52.1 显色指数52.2 调光功能52.3 光线利用率、发光率62.4节能与环保上的比较62.5构造和造价上比较6五、高压钠灯与LED灯具投资及经济节能分析81设计计算81.1实际功耗81.2变压器功率81.3电缆线径选择92初始工程投资对比93维护费用对比93.1维护费用对比（一年）93.2维护费用对比（两年）103.3维护费用对比（十年）104运行耗电量和电费对比115分析对比结果11六、总结12参考文献14中短隧道的照明设置及经济性分析一、概念中短隧道照明是目前公路隧道节能的突出问题之一。一般情况下，长度大于 100m的公路隧道应设置照明系统，但在实际运营中由于受到当地地理环境、气候等因素影响，部分中短隧道会产生照明过亮或基本不用照明两种不合理现象。根据西商高速中短隧道照明运营情况，结合国内外标准，提出中短隧道的概念、隧洞前进方向各区段划分、照明方式及采用高压钠灯与LED灯具照明的经济性分析，最终确定灯具选型。1中短隧道的概念与特点1.1中短隧道概念根据公路隧道设计规范（JTG D702004）、公路隧道通风照明设计规范（JTJ026.1-1999）及陕西省高速公路隧道照明系统设计指导意见（试行）中相关规定可将隧道长度为500m以下的隧道称为中短隧道。1.2中短隧道特点1)隧道穿越时间短根据中短隧道的定义，中短隧道长度应小于500m，以正常运行汽车80km/h通过500m隧道计算，穿越时间为22.5s。2)洞外环境影响大由于洞外日光的投射，隧道洞口以内一定范围内会有较高亮度，隧道洞口的投射自然光可以作为入口段加强照明的组成部分，根据当地地理环境及气候等因素可在隧道洞口 15 m范围内可利用自然光取代照明灯具，以减少成本。3) 照明用电量集中在加强照明上中短隧道照明一般包括入口加强段、基本段、出口加强段。对于长度较短的隧道一般不设基本段，照明用电量集中在加强照明上。2中短隧道照明应解决的主要问题中短隧道应综合考虑设计(实际)营运车速、交通量、隧道线型等因素，并注意司乘人员的安全性和舒适性，特别要注意隧道入口的视觉适应过程。根据中短隧道的特点，需解决以下问题： 1)黑框效应在隧道出入口的外部，晴天自然光的照度可达100000 lx；而隧道内，在无电照明的情况下，除隧道口部有较少自然光照度外，洞内几乎一片漆黑。由于隧道较短，会产生明显的“黑框效应”。2)视觉适应滞后汽车由亮度的外部环境进入隧道后，即使隧道内不太暗，但由于洞外亮度的较大差异，要经过一定时间才能够看清楚隧道内部的情况，即“视觉适应滞后”。3)基本视觉问题隧道内部与一般道路不同，其为一个相对狭小的封闭空间，当汽车在该空间高速行驶时，虽然行驶时间较短，但也会给人较强的压抑感；同时，由于交通流排出的废气在隧道内会形成烟雾，烟雾可将汽车灯头和电光照明器发出的光吸收和散射，从而降低了隧道内的能见度。4)隧道出口的亮洞效应在白天由于视觉基本适应了洞内的暗环境，短时间又需适应洞外的亮环境，出现极强的眩光，让司乘人员感觉十分不舒服，形成白洞效应；在夜间，与白天正好相反，形成黑洞效应。上述这些问题均会对驾驶员的视觉、生理产生影响。同时，在隧道中还会产生管状视觉现象和闪烁现象等，会使驾驶员产生心理上不适应感，从而产生安全隐患。所以隧道照明设计必须解决好隧道照明特有的视觉问题，这样才能创造出良好的视觉环境，从而更有利于隧道照明安全和节能。5）停车视距停车视距(sight distance of stop，SD)指汽车驾驶员能看到前方车辆或道路上的障碍物、车辆制动后所必需的最小安全距离。停车视距包括反应距离、安全距离和制动距离。当行驶在弯道上、视距小于停车视距时，汽车要减速行驶，以保行车安全。二、西商高速公路中短隧道照明区段设置照明设置的原则是贯彻“以人为本”的理念，满足持续发展的道路交通，考虑社会效益、经济效益及环境效益，根据西商高速环境特点设置如下。1西商高速照明的标准及原则依据公路隧道通风照明设计规范（JTJ026.1-1999）（以下简称“现行设计规范”）及陕西省高速公路隧道照明系统设计指导意见（试行）相关规定，为使司机行车安全、舒适，解决隧道进出口段的“黑洞”、“白框”效应，以西商高速隧道群为例，隧道照明按行车前进方向划分为五个区段：入口段（根据情况可再分为入口段和入口段）、过渡段、基本段和出口段。2照明优化的方法与内容2.1长度500米的隧道入口段亮度（Lth）和长度（Dth）按现行设计规范取值。此时入口加强照明分为两部分，即入口段前1/2 Dth的照明段其亮度应等于Lth，后1/2 Dth的照明段其亮度应等于1/2 Lth。过渡段亮度根据指导意见中过渡段亮度表取值，过渡段长度、出口段的亮度、长度按现行设计规范取值。2.2长度500L300的曲线隧道根据指导意见与长度500米的隧道采用相同的的布置方式。2.3长度500L300的直线隧道入口段亮度（Lth）和长度（Dth）按现行设计规范1/2取值。过渡段亮度根据指导意见中过渡段亮度表取值，出口段的亮度按现行设计规范取值，长度按现行设计规范1/2取值。2.4长度300L100的曲线隧道入口段亮度（Lth）按现行设计规范取值，长度（Dth）按现行设计规范1/2取值。过渡段、出口段的亮度按现行设计规范取值、长度按现行设计规范1/2取值。2.5长度300L100的直线隧道只考虑远期光电照明，近期设置反光诱导标。远期入口段亮度（Lth）以5倍的基本段亮度取值和长度（Dth）按现行设计规范1/2取值。取消过渡段、出口段照明，只保留基本照明。三、目前国内隧道照明方式选型隧道灯具一般由光源、反射配光系统、电气、灯具外壳、以及附件等组成。以目前行业现象，多采用高压钠灯照明及LED灯具照明。1采用高压钠灯照明高压钠灯使用时发出金白色光，具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。高压钠灯工作原理当灯泡启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电在向阳极运动过程中，撞击放电物质有原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态；或由电离态变为激发态，再回到基戊无限循环，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。高压钠灯中放电物质蒸气压很高，也即钠原子密度高，电子与钠原子之间碰撞次数频繁，使共振辐射谱线加宽，出现其它可见光谱的辐射，因此高压钠灯的光色优于低压钠灯。 高压钠灯是一种高强度气体放电灯泡。由于气体放电灯泡的负阻特性，如果把灯泡单独接到电网中去，其工作状态是不稳定的，随着放电过程继续，它必将导致电路中电流无限上升，最后直至灯光或电路中的零、部件被过流烧毁。2采用LED灯具照明LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是由族化合物制成，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。四、两种灯具的经济性分析1使用寿命上比较 LED灯是一种半导体二极管，它的光源理论寿命都非常长（前提是满足在规定节温范围内，L70光衰标准下），但一个灯具的整体寿命不简单是光源寿命，灯具还包括透镜部分的影响。所以最终灯具的寿命应以所有灯具部件中寿命部件最短为限。当光通量衰减到30%时，其寿命达到了50000小时，而高压钠灯的寿命是20000小时。2光的照明效果上比较 2.1 显色指数 LED白光：LED色温在3500-7000K；显色指数在8093。传统高压钠灯：高压钠灯色温在2000-2500K；显色指数在2030。通过以上对比结果可看出高压钠灯显色指数低，显色性差，对物体本身色彩的还原性差，不利于对周边环境深度进行判断；LED光源显色指数高，显色性好，能很好的还原物体的实际色彩，但白光偏冷。而高压钠灯，比较接近自然光。现阶段的LED灯的灯具光效要略优于钠灯，随着LED技术的发展和成熟，灯具光效会再大大的提高。2.2 调光功能LED灯具有较完美的调光功能。LED灯具光输出和工作电流成正比，因此可以通过减小电流的方法来调光。另外，由于LED灯进行频繁开关对其没有太大的损伤，LED灯还可以采用脉冲宽度调节的方法来调光，通过调节电压的占空比和工作频率，能够有效调节LED灯的发光强度。2.3 光线利用率、发光率LED灯光源的光通量损失最小，与传统光源不同，LED灯是半空间发光的光源。高压钠灯是全空间发光的光源，需要将一个半空间的出射光线改变方向投向另一半空间内反射器反射同时，不可避免的对光线的吸收和对光源自身的挡光。而使用LED灯作为光源，不会存在这方面的损失，光线的利用率比也比高压纳灯高。目前LED灯在65100流明/瓦，而高压钠灯可以达到140流明/瓦。高压钠灯的光谱比较集中于黄色，色温20002500K穿雾性强。钠灯灯具有一个非常大的问题就是钠灯的照明持续性非常不好。钠灯在工作状态下，灯具腔体内的温度要超过150度，而LED灯温度是高压钠灯的30%，在非工作状态下因为负压回吸进去非常多的灰尘和昆虫，大大影响钠灯的出光效果与寿命。而LED比较稳定。2.4节能与环保上的比较LED灯高效节能，超低功耗。白光LED的能耗仅为白炽灯的1/10，节能灯的1/4。并且LED灯的光源不含有害金属汞。高压钠灯光源中含金属汞、金属钠（通电后变成汞蒸气和钠蒸气），寿命短（相对于LED来讲），后续废品处理对环境污染大。LED灯抗震性好，运输便捷。固态封装，属于冷光源类型。所以它很方便运输和安装。2.5构造和造价上比较LED的灯具一般颗粒感都比较明显，且其发光位置比较集中。所以LED需要在均光上面做更好的设计，将点光源尽量扩展成面光源，提高眼睛的舒适度。再有就是很多产品都会做LED调光设计，以节约能源。目前，大部分厂商设计生产的LED路灯灯具，其自重极重，往往都超过10公斤。这样大的自重往往会使灯杆不胜负荷，降低了其抗风能力。大多数LED灯具的厂家，均将LED灯具设计成可替换方式，即直接替换现有的灯具。并将LED的电流做大以在维持亮度不变的情况下减少灯芯数量以节约成本，或者压缩PCB面积，抑或是减少安规器件。高压钠灯和LED光源照明灯性能对比表序号项目高压钠灯LED光源照明灯1功耗高低，仅为高压钠灯的30%40%2色温2000-2500K3500-7000K可选3显色指数20-3080-934工作电源范围AC200V-AC230VAC180V-AC265V5电源效率75%左右90%左右6光源利用率55%60%90%左右7灯具使用寿命57年810年8光源使用寿命20000小时50000小时光衰小于30%9呼吸过滤系统需要不需要10防护等级IP65IP6511防触电保护类别I类I类12启动时间5-10分钟瞬间启动，无延时13连续启动不允许，需要等待几分钟允许14发热量发热量大发热量小,仅为高压钠灯的30%15环保不环保（含汞）环保高压钠灯与LED光源光电效率及灯具效率对比表光源光源光通量灯具效率有效光通量高压钠灯100-130 lm/w 左右55%左右55-72Lm/wLED灯100-139 lm/w 左右90%左右90-125Lm/w五、高压钠灯与LED灯具投资及经济节能分析以西商项目隧道群照明为依据，按照一个箱式变电站控制的隧道群基本段照明共1000个灯具计算。高压钠灯设计为：100W高压钠灯；LED灯设计为： 70W大功率LED灯，可以达到基本相同亮度的照明效果。1设计计算1.1实际功耗1)单个高压钠灯功率=(灯具功率镇流器功率)/ 功率因素=(100+50)/0.85=176W。注：100W高压钠灯镇流器功率加电损约为：50W左右；无电容补偿的单体高压钠灯功率因素为：0.45，国家规定有电容补偿的单体高压钠灯功率因素应为：0.85。2)单个LED灯功率=(灯具功率驱动器功率)/ 功率因素=（70+10）/0.99=81W。注：70WLED灯驱动电源功耗为：78W，加上电损按10W计；LED为固体发光，功率因素达：0.99。1.2变压器功率1）使用高压钠灯的变压器功率单个灯具实际功率数量=176W1000=176千伏安。因此，选择额定功率200千伏安变压器。2）使用LED路灯时变压器功率单个LED灯实际功率数量=81W1000=81千伏安。因此，选择100千伏安变压器。1.3电缆线径选择1）使用高压钠灯时，电缆实际负载电流为： I =总功耗/220V=(176W1000)/220V = 800 安培。 按三相电缆分流，每相电流为：8003=267安培，根据经验公式I=5n(n为截面积)，并考虑到电缆内阻和线损补偿，建议选择：470mm2的电缆线。2）使用LED路灯时，电缆实际负载电流为：I =总功耗/220V=(81W1000)/220V =368 安培。按三相电缆分流，每相电流为：3683=123安培，根据经验公式I=5n(n为截面积)，并考虑到电缆内阻和线损补偿，建议选择：425mm2的电缆线。2初始工程投资对比序号项 目高 压 钠 灯LED路灯1灯具价格750元1000=75万元2000元1000=200万元2电缆价格200元/米2000米=40万元75元/米2000米=15万元3变压器200KVA：5万元100KVA：2万元4灯具安装费用价格相同5合计投资120万元217万元3维护费用对比3.1维护费用对比（一年）序号名称高压钠灯LED灯具1光源期限1年1年更换维护更换1次、还需维护只需维护单价100.00光源价格0.05%小计100.0020000.05%=1.002人工费工价100.00元/次（一年一次）100.00元/次（五年一次）次数1次0.2次小计100.0020.00每灯1年200.0021.00合计1000套灯具2001000=20万元211000=2.1万元3.2维护费用对比（两年）序号名称高压钠灯LED灯具1光源期限2年2年更换维护更换1次、还需维护只需维护单价100.00光源价格0.1%小计100.0020000.1%=2.002人工费工价100.00元/次（一年一次）100.00元/次（五年一次）次数2次0.4次小计200.0040.00每灯1年300.0042.00合计1000套灯具3001000=30万元421000=4.2万元3.3维护费用对比（十年）序号名称高压钠灯LED灯具1光源期限10年10年更换维护更换3次、还需维护只需维护单价100.00光源价格0.5%小计300.0020000.5%=10.002人工费工价100.00元/次（一年一次）100.00元/次（五年一次）次数10次2次小计1000.00200.00每灯1年1300.00210.00合计1000套灯具1301000=130万元2101000=21万元4运行耗电量和电费对比 项 目高压钠灯LED灯实际功耗176W81W一天耗电量（10小时计）1.76kwh0.81kwh一年耗电量643kwh296kwh一年电费643*1.00=643.00元296*1.00=296.00元一年总电费643*1000=64万元296*1000=29.6万元两年总电费64*2=128万元29.6*2=59.2万元十年总电费64301000=643万元29601000=296万元5分析对比结果根据以上设计计算和分析对比得出如下结论：1）隧道灯具共计1000套为例，使用高压钠灯初始投资为：120万元左右，使用LED路灯初始投资为：217万元左右。从前期投资资金来看，LED灯具要高于高压钠灯投资。2） LED灯具比高压钠灯初始工程投资费用高出：97万元；但1年维护节约费用：20-2.1=17.9万元；1年电费节约费用：64-29.6=34.4万元，1年后高压钠灯总投入比LED灯具总投入高出约45万元。3） LED灯具比高压钠灯初始工程投资费用高出：97万元；但2年维护节约费用：30-4.2=25.8万元；2年电费节约费用：68.8万元，2年后高压钠灯总投入比LED灯具总投入高出2.4万元，高压钠灯与LED灯具费用基本持平。4） LED灯具比高压钠灯初始工程投资费用高出：97万元；但10年维护节约费用：130-21=109万元；10年电费节约费用：347万元，10年后高压钠灯总投入比LED灯具总投入节约360万元。5）综上所述以实际环境计算，使用大功率LED灯具运营2年后的投入总费用基本与高压钠灯投入总费用持平，10年便可节约360万维修及电费等费用。六、总结目前国内高速公路建设已经进入一个峰值期，隧道机电设备将开始迎来一个高成本的维护期。在我国广东、浙江、江苏等经济发达地域的隧道机