1 前言
自2003 年中國啟動國家半導體照明工程以來，LED 照明產業被列為國家優先發展的第一重點領域( 能源) 的第一優先主題。我國的LED 照明產業在政策的引導下，政府的大力推動下，得到了跨越式的發展。LED 光源以其環保、節能、安全、長壽命、點光源等優點，在信號、顯示、背光源和景觀照明等領域迅速替代傳統光源，占領了市場。
為了有效引導我國半導體照明應用的健康快速發展，擴大半導體照明市場規模，促進產業核心技術研發與創新能力的提高，科技部在21 座城市開展LED “十城萬盞”應用試點示范活動，推動LED 光源在城市道路、隧道、橋梁、小區等城市功能照明領域的應用，希望通過試點工作發現問題、取得經驗。2008 年初，我市開始在城市功能照明中研究、試驗及應用LED 光源，其中城市隧道LED 光源照明應用已運行近一年，取得大量經驗，也發現不少問題。
2 工程項目情況
“隧道LED 光源照明系統應用”課題研究由南京城建項目建設管理公司和南京市路燈管理處共同進行，選擇LED 光源照明的隧道既是南京市快速內環的組成部分，也是城市主干道緯三路的一段，承擔著快速交通和城市主干道交通的功能，起點位于金川河，終點位于古平崗。該隧道按雙向雙洞六車道標準設計，其中暗埋段長度1147 米。單洞設計寬為11. 5 米，單向三車道，按交通流量大于2400 輛/小時、最大車速為60 公里/ 小時標準設計，每隔50～ 80 米設有直通地面的采光通風井，根據《公路隧道通風照明設計規范》( JTJ026. 1—1999 ) 及《公路隧道設計規范》( JTG D70—2004) 的要求，中間段照明設計亮度不小于2. 5cd /m2 ， 均勻度不小于0. 4。
3 試驗情況
為確保工程應用的效果，課題組在6 月先行進行了掛燈試驗，試驗段位于隧道北側洞，施工樁號310 米至440 米處，為該隧道的典型路段，在320、380 及440 米處的南側有三處采光通風井，每個井由2 個約為7m × 5m 的通風口組成。試驗共采用LED 隧道燈54 盞，南北兩側各27 盞，按布燈間距5m 和6m 兩種方式分兩段設置。進行對比測試。光源標稱功率60W/ 盞，實測燈具功率73W/ 盞，同時結合調光，每盞燈按雙驅動模式配置。現場設專用表箱4 回路供電，南北側各2 回路。測試中期對驅動運行的模式進行了調整，7 月8 日的數據為調整后數值。因為最后選定的方案為布燈間距5m，故只列出5m 的檢測數據。現場照片如圖1 至圖4，測量數據見表1。
根據測試的情況，我們進行了認真的研究和分析，得出以下結論:
(1) 白天采光通風井處直射入的光線對測量值影響很大，照明效果難以達到均勻度及縱向均勻度的要求，課題研究內容是LED 光源在隧道照明中的應用，相關計算宜去除其影響。
表1 試驗段測試數據
說明1: 測量時，因工程施工，南側每隔6m 有臨時照明用15W 節能燈未關閉，對測量值有一定影響。
說明2: 照度計型號: TES1339，編號: 071013786。
(2) 6 月5 日現場在施工，隧道內雜物多、灰塵大、地面臟，照度低。7 月8 日隧道內路面水泥澆鑄完畢，施工垃圾已清除，反射條件好，照度上升12. 56lx。預計在瀝青攤鋪完、側面裝飾板安裝完畢之后，照度會上升10% ～ 20% ，亮度即使因為瀝青的反射系數下降，也能滿足規范要求。
(3) LED 光源隧道燈現有技術完全可以根據需要進行調光節能，這是其重要的特點，也是其節能的主要手段。
(4) LED 光源隧道燈從34 天測試數據看， 衰減較小。
(5) LED 光源在城市隧道照明系統中應用是可行、可實施的，初期達到的技術參數能夠滿足國家相關規范的要求。
(6) LED 光源隧道燈屬電子產品， 結構精密，生產環節多，一盞燈有幾十顆LED 芯片，產品質量需嚴格把關，產品維護技術要求較高，模塊化生產將提高維修效率。
圖1 2008 /6 /4 10∶ 00
圖2 2008 /6 /5 20∶ 00
圖3 2008 /7 /8 20∶ 30
(7) 為確保運行可靠，線路及電源等按照可實施原熒光燈方案的容量預留。同時，考慮到高功率LED 光源隧道燈在價格、質量、壽命方面的不足，加強照明仍采用金鹵燈方案。
(8) LED 芯片選用限定在國際一流名牌的優質等級產品，芯片的性能及產品一致性必須滿足課題組提出的技術要求。
圖4 配電表箱照片
4 應用情況
根據對試驗結果的研究，課題組對在隧道中使用LED 光源有了較為明確的認識， 結合LED 光源在道路照明中的試驗及LED 光源的自身特點，進行了多次論證，制定了合理的工程設計和實施方案，共安裝LED 光源隧道燈910 套，在隧道通車前完成了調試，并投入使用。課題組對實施結果進行了跟蹤檢測，現場照片如圖5 至圖6，測量數據見表2。
表2 應用測試數據
圖5 2008 /10 /28 20: 00
圖6 2009 /8 /6 00: 30
5 情況分析
根據近一年的運行測量數據并結合城市隧道照明及LED 光源的特點，我們對LED 光源在城市隧道照明中應用情況與熒光燈光源在節能、經濟、運行、維護等方面進行了對比，對其應用優勢及存在瓶頸進行以下幾點的分析與思考。
5. 1 LED 光源在隧道照明中應用優勢
(1) 配光
由于城市隧道照明對均勻度及縱向均勻度的要求較高，且燈具安裝高度一般只有5 ～ 6 米，若采用高壓鈉燈、金鹵燈等大功率點光源，靠燈具的配光達到要求比較困難，故目前城市隧道大都采用熒光燈光源進行照明。但熒光燈作為360 度發光的線性光源，其合理的配光是個技術瓶頸。LED 光源作為小功率點光源，可以從顆粒排列、照射方向、發射角等多方面進行綜合調節，達到理想的配光，滿足城市隧道照明的需要。
(2) 光源光效
光效是*價光源是否節能的基本參數，從上一點可以知道在城市隧道照明中，LED 光源光效的競爭對手不是高壓鈉燈等高光效光源，是相對光效較低的熒光燈。目前T8 熒光燈管的光效在80 ～ 90lm /w。LED 發展速度是驚人的，去年裝燈時市面上產品級的大功率高色溫白光LED 芯片的光效在107lm /w (350mA，標準狀態) ， 現在已經達到139lm /w，即使考慮實際應用中的折減，LED 光源的理論光效也略大于熒光燈，本項目技術要求明確燈具生產廠家在國際一流品牌CREE、LUMILEDS、OSRAM 中選擇光效不小于80lm /W 的高等級芯片。
(3) 燈具效率
由于熒光燈管360 度發光且自身發光面較大，加上其光源本身對反射光的遮擋及反射、折射損耗等原因，熒光燈光源隧道燈的燈具效率普遍較低，一般在55 ～ 65%。另外，考慮光源腔的防護等級、透明罩的老化等原因， 燈具的維護系數取值只有0. 6 左右。而LED 隧道燈由幾十顆小功率的點光源組成，其配光主要依靠各點光源的布置位置、方向及發射角來實現，光源腔無需打開更換光源，密封性能好，故燈具效率一般在75% ～ 85% ，維護系數可以在0. 75 左右取值，相對而言，LED 隧道燈比熒光燈隧道燈具有更高的效率。
(4) 調光節能
LED 光源屬于直流驅動、快速響應的光源，響應時間僅為納秒級，芯片驅動電流在一定范圍內均能有效發光，通過調節正向電壓、驅動電流、脈沖電流、高頻調制、位角調制等方法均可實現大范圍的調光節能。雖然熒光燈的調光節能技術在近幾年得到了迅速發展和應用，但其實現技術與效果沒有LED 理想。本工程每隔50 ～ 80 米設有可以直接采光的通風井，其兩側一定范圍內在白天可實施局部調光節能，晚上可根據需要進行整體調光節能。
(5) 節能
從上面的詳細分析可以得出LED 光源隧道燈比熒光燈光源隧道燈節能的結論， 由于是新建項目，且加上本項目白天采用了部分人工采光等節能措施及電能計量、調光、維護系數等各方面原因，兩者之間無法進行準確的實測節能數據對比，只有采用理論計算及類比的方法進行節能分析。對比工程設計單位前后兩種光源的裝燈功率進行簡單計算可以得出節電38. 6% 的結論。為得到更加合理的數據，課題組根據熒光燈光源及LED 光源的設計方案，分別應用DIALUX 和CALCULUX 軟件對隧道照明的情況進行了理論計算，同時對工程情況類似的玄武湖隧道( 運行40 個月) 進行了實測， 并綜合考慮光源運行時間及燈具維護系數等多方面因素進行修正，研究認為在折算到同等照度下，本項目LED 光源和熒光燈相比的節能率在30% 左右。
(6) 壽命
隨著這兩年LED 技術水平的飛速發展，大功率白光LED 芯片的壽命正大幅提高，雖然還遠遠達不到一些廠家宣傳的5 ～ 10 萬小時的壽命，但從本隧道的應用跟蹤測量數據看，實際使用狀態下，LED光源照明的隧道5000 小時(282 天，每天開燈約18小時) 路面照度下降16. 5% ， 這個降幅表面看較大，但其由光源光衰、燈具老化及燈具清潔水平以及墻面變臟等三方面因素造成，考慮一定的維護系數，本項目采用的LED 隧道燈壽命可以基本滿足《道路照明LED 燈( 報批稿)》中“燃點6000 小時，燈具光通維持率不低于88%”的要求及《公路隧道通風照明設計規范》中光源壽命大于1 萬小時的規定，也大于T8 稀土三基色粉熒光燈1 ～ 1. 5萬小時的壽命，基本能讓用戶接受。
5. 2 LED 光源在隧道照明中應用瓶頸
(1) 運行工況要求高
LED 光源及其驅動均為電子元器件構成，對電氣參數及環境條件要求較高，LED 的電壓-電流曲線反應出其對電壓的敏感度高，極易反向擊穿或正向燒毀，雖然廠家在防雷電波、過電壓、浪涌保護等方面做了大量的工作，且城市隧道的環境條件遠遠優于城市道路，可以不考慮雨雪、光線、霧靄、直擊雷電等惡劣氣候條件的影響，但仍存在溫度、振動、灰塵、雷電波、過電壓及線路故障等不利因素的作用。從本項目跟蹤情況看，裝燈40 多天開始出現壞燈，5000 小時損壞率在2. 6% ，且損壞率呈上升趨勢，長期運行情況需要進一步跟蹤。
(2) 運行工況下光衰大
從一些實驗室測試數據看，LED 光源發光效率曲線是先升后降，再趨于水平的過程。LED 光源的光衰與其溫升及散熱有著直接關系，工程實際應用的電氣和環境條件遠遠比實驗室惡劣，隨著運行后LED 光源的光效衰減、熒光粉效率降低、封裝材料的老化及熱阻增大等不利情況出現，都會給LED 芯片的發光效率帶來不良影響，導致光效下降，光效的降低又引起溫升，溫升會再促使不利情況的惡化，這種循環帶來的后果是顯而易見的。雖然從實際應用5000 小時的測量數據看，光衰在可以接受的范圍內，但結合我們在LED 光源在道路中的試驗跟蹤數據分析，LED 光源隧道燈在實際運行工況下的光衰曲線不會像實驗室測試數據那樣理想的趨于水平，仍將維持一定的下降幅度。以“效能低于初始效能70%”為壽命終止條件計算時間的話，估計難有3 萬小時的壽命。
(3) 配套電氣性能不穩定
LED 光源具有眾多優點，但畢竟是高科技電子產品，對電壓、電流的變化敏感，對驅動電路的要求很高，驅動方式或驅動電路設計選擇不當，會使LED 光源損壞。LED 燈具中串聯回路較多，一個芯片的損壞就會導致一串光源或一個模塊的失效。驅動電路自身的質量缺陷也會導致燈具的失效，嚴重的會導致光源的損壞。從跟蹤測試檢查情況看，驅動電源模塊的損壞率遠遠高于光源模塊，其標稱和實際使用壽命均低于光源模塊，一般產品的壽命達不到3 萬小時。
目前熒光燈節能型電感鎮流器或電子整流器的自身損耗約為額定輸出功率的8% ～ 12% ，符合國家對能效因數( BEF) 的限定值或節能*價值。相比之下，本項目采用的LED 隧道燈驅動的自身損耗為額定輸出功率的20% ，高于國家的限定值，能耗大，市場上LED 燈具驅動的自身損耗在8% ～ 12%的產品，價格高，壽命短，性價比不高。
(4) 維護困難、成本高
熒光燈結構簡單，各組成配件性能相對穩定，維修工作主要內容是配件壽命到期或損壞更換及燈具清潔，主要配件燈管及鎮流器等產品經過幾十年的發展，完全實現標準化生產，不同品牌之間可以相互替代，價格透明，不存在壁壘。燈具接線簡單，無特殊設備、人員要求及技術障礙，一般電工及經過簡單培訓的人員均能對其故障進行判斷和快速現場維修，維護成本低，且可以迅速恢復燈具功能到初期水平。LED 光源隧道燈號稱5 ～ 10 年免維護，但實際不可能，其為電子產品，結構精細，一盞燈由幾十顆LED 和幾十個電子元器件組成，燈具或驅動中的電子元器件受干擾損壞的概率大，壽命長短不一，一個元器件或一個線路節點的故障就有可能造成全套燈具的損壞。其結構復雜，檢測需要專門的高精尖設備，技術人員都無法在現場進行判斷維修。目前LED 功能燈具市場還不成熟，缺少標準規范，各廠家燈具形狀各異， 實現技術方案、手段、途徑各不相同，配件之間缺乏兼容性，產品無相互替代性，一般只有更換燈具，維護成本很高。本項目將驅動和光源部分分開，實施模塊化設計，相對方便了維護，但還是由原生產廠家進行整模塊的更換。
(5) 經濟效益不理想
目前我國LED 生產產值80% 以上為封裝產業產值，外延芯片生產雖有很大發展和進步，但仍停留在中低檔水平，高光效大功率白光LED 應用產品依賴于美國、日本、歐盟等地進口的高檔外延芯片，他們依靠擁有的核心技術和專利壟斷了高端產品市場，價格較高。本項目采用的LED 隧道燈使用了美國CREE 的芯片，單燈價格約高于國際品牌隧道燈( 雙管熒光燈2* 36W) 2000 元。節能的成本投入是需要經濟效益回報的，為了順利推廣應用，廠家采用了合同能源管理模式來進行管理，大量的前期投入要通過節約電費來彌補。按照廠家的樂觀估計，節電率50% 來計算，每年節約電費也僅在264 元/盞( 每天運行18 小時、電費0. 55 元/ 度) ，不考慮資金時間價值，靜態投資回收期在7. 58 年，即運行近5 萬小時。若按照課題組分析的節電率30% 來計算，則只有158 元/ 盞，回收期在12. 7 年，即運行近8. 34 萬小時。另外，熒光燈的燈具維修基本是光源或鎮流器的更換，價格均十分低廉，而LED 燈具為整個模塊化的更換，光源或驅動的價格均高，特別是光源要貴近百倍，其節電的經濟價值回報無法彌補其高成本。
(6) 光環境
LED 光源的發光面積很小， 光源本身亮度較大，隧道環境下燈具布置較低，一旦設置不當就會產生眩光。本項目設計原采用側面布燈方式，在試驗階段就發現眩光嚴重，特別在隧道轉角處，側面光成了正面逆向光，光線直射駕乘人員，成為眩光源，眩光嚴重影響駕駛安全。為解決問題，技術人員將燈具向車輛前進方向偏轉一定角度，形成順側光，并根據隧道走向調整前傾角度，有效解決了眩光問題，但燈具偏轉使到達地面的光斑不再對稱，既造成路面均勻度下降，也造成部分光投射在墻壁側板上，導致側墻亮度不均及光線誘導性差等問題。
同時，由于節電收益和廠家利益的結合，為了提高收益，運行中廠家采取了間隔關閉部分燈的運行模式，造成隧道中形成一圈圈的“斑馬線圈”， 加上采光井直射光等不利因素，造成本工程的路面照明縱向均勻度差，整體光環境不如做類比的采用熒光燈的玄武湖隧道。
6 結論
LED 光源是一種節能、環保、長壽的新型光源，未來將可能緩解人們正遇到的能源短缺、環境破壞等問題，成為照明發展方向。其在城市隧道照明中的運用具有一定的優勢，我們已著手在南京的幾條老隧道中進行LED 光源改造，進一步掌握LED光源隧道照明的相關技術。同時，我們應看到，任何一種光源都具有區別于其他光源的優點和缺點，完美無缺的光源還不存在，LED 光源隧道燈具也還不是成熟的產品，芯片生產、燈具配光、傳導散熱、電力電子驅動技術、無極調光節能技術、應用技術、維護管理等各方面還要進行大量的技術研究，只有大幅度降低其成本，實現產品與應用的標準化管理，提高保障能力，LED 光源在城市隧道照明中的應用才會更加成熟。