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        隧道LED燈的應用需求分析

        來源:浙江省照明學會 發布時間:2016-03-28瀏覽:487
        分析隧道用LED燈的應用需求和存在問題,希望生產廠家、設計人員、用戶單位、管養單位甚至管理部門有所思考和行動,促進LED產業的健康發展。
        施云瓊
        華東勘測設計研究院有限公司 
         
        摘 要:分析隧道用LED燈的應用需求和存在問題,希望生產廠家、設計人員、用戶單位、管養單位甚至管理部門有所思考和行動,促進LED產業的健康發展。

        關鍵詞:隧道照明 LED應用
         
        一、隧道LED燈應用及技術現狀

        根據2012年中國LED通用照明行業市場研究報告,傳統光源路燈(含隧道燈)的照明份額僅為0.45%,而LED照明應用中道路照明應用已達到2.58%,詳見圖1。

        圖1 2012年中國照明市場產品結構(國內銷量)

        2013年,廈門市產品質量監督檢驗院和國家電光源質量監督檢驗中心、上海市產品質量監督檢驗技術研究院、福建省產品質量檢驗研究院及杭州市質量技術監督檢測院5家機構首次對LED照明產品質量進行國家專項監督抽查,對LED照明產品質量報告有如下結論: 

         
        圖2 LED照明產品三年來的合格率水平
        圖3 產品類別合格率水平
         
        生產企業規模依據LED照明產品年銷售額劃分為大、中、小型三類。大型企業產品質量穩定,產品合格率為93.6%;中型企業產品企業產品合格率為82.6%;小型企業產品質量不穩定,合格率為60.5%,低于本次抽查的平均合格率。其中LED照明產品產業集中區的合格率情況如下:

        2014年各地政府在有關部門的要求下,紛紛出臺半導體產品應用的指導意見,預計未來三至五年將迎來LED的發展春天。LED照明的節能性、長壽命已普遍被公眾接受,道路LED照明燈具的研究和產品開發已逐漸成為關注焦點,價格的大幅走低更是為各用戶主體所樂見,2014年10月7號的三位日美科學家因藍光LED的貢獻甚至獲得當年得諾獎物理學獎,對LED照明的應用推動也將會掀起一個新的高潮。但回歸現實,在LED行業的高速發展中,用戶卻仍不得不受使用過程中LED燈的發熱、壽命短、整燈色差大、光衰、驅動電源、生物安全等等問題,良莠不齊的產品質量問題頻發,光效差強人意,消費者無從辨別產品質量等仍令人困擾不已。本文希望通過對隧道用LED燈的應用分析,對設計人員有技術規格參數要求的指導作用,對業主設備采購、工程建設工作有借鑒意義,對生產研發企業有技術需求和用戶需求的了解知曉,促進LED行業的穩步健康發展。
         
        二、LED燈的節能性

        在目前的技術水平上LED燈的節能體現在3個方面。

        圖4 亮度、照度關系
         
        1. 亮度、照度和光效

        亮度指的是人在看光源時,眼睛感覺到的光亮度,專業術語是“單位投影面積上的發光強度”。亮度高低取決于光源的色溫高低和光源的光通量,光源的光通量多少是決定性因素。光源的光通量多,亮度就高。照度指的是光源照射到周圍空間或地面上,單位被照射面積上的光通量,專業術語是“表面上某點的照度是入射在包含該點的面元上的光通量與該面元面積之比”。單位被照射面積上的光通量多,照度就高。換句話說,兩者位置不同,受外界影響因素也不同;照度沒有方向性,亮度有方向性,即投射到地面的光中不是所有的光線都能反射到司機的眼中,照度一般高于亮度,見圖4。但影響二者大小的主要因素都與光通量有關,這也是為什么設計常常用方便計算的照度值來替代亮度的計算,驗收實測時也常常采用方便測量的照度儀的原因。設計時要注意二者的不同。

        亮度又是如何影響節能的呢? 由于LED燈的可見光大大高于傳統光源,在同樣的光通量下,被人眼感覺到的亮度即有效視覺流明數也就大大高于傳統光源的,有效視覺流明概念的普遍接受,使得LED燈的節能的效益得到了公認。

        在2014年8月1日頒布實施的《公路隧道照明設計細則》中,我們已經欣喜地看到了爭論多年的有效視覺流明概念的應用(規范中的表9-1),也即功率替代比例,隧道最常用的的高壓鈉燈,在背景亮度1~2cd/m2時,可替代比例為0.31~0.48,即400W高壓鈉燈,可用120~192W的LED燈替換,節能率為31%~48%,這也是LED照明的最明顯的節能性。其實隨著LED燈技術的突破,其實驗室的白光光效從2006年的130lm/W左右到2013年的300lm/W,而量產的LED整燈光效,正規廠家已可以做到100~130lm/W左右,規范的上述數據并未指明其實測對比值的時間,但肯定不是最新的,也就是說,實際情況還可能更高。根據我省電子信息產品檢驗所對杭州市某區經濟開發區道路的路燈實測報告1,與原高壓鈉燈對比,節能率在50%~63%。

        有了這樣的技術和產品,并不意味著實際應用中的圓滿。很多廠家尤其是技術質量難以有效把控的廠家,并不能生產出理想光效的產品,其節能是以犧牲照度來達到的,設計、采購中要注意避免這樣的情況發生,對LED燈的主要關鍵指標要有明確要求,并要求業主采購標書中載明此要求。

        2. 配光曲線

        配光曲線不但影響到照度的均勻性,也涉及到炫光的控制問題和投射水平。傳統光源的配光曲線相對理想,基本能做到中投射水平以上,而早年的LED燈基本是近投射配光,以至于有的地方政府強制規定LED隧道照明燈間距不能超過6m。這幾年情況雖有較大改善,但依舊還有很大改進空間,設計應對此提出要求,推動產品的升級。對于C-90 º和C-270 º非對稱配光情況并不理想,很多廠家是對稱配光,導致燈具光通量分配不合理、利用系數不高等問題,降低了燈具的效率,LPD值也會難以達到,據中國照明網公布的實測數據中,截止2009年,有70%的燈具C-90 º和C-270 º配光對稱性存在問題2。中國照明學會推薦的理想的C-90 º和C-270 º非對稱配光曲線見圖5,設計選型時建議對照此曲線選擇廠家或者在招標文件中寫入此要求。
        圖5 非對稱配光(投向路邊)
         
        配光曲線中的最大光強γ角位置與道路照明的均勻度有關,包括照度均勻度和亮度均勻度。理想的照明效果,應該是路燈下方光強I0最小,隨著仰角增大,所在γ角的光強In應增大,In和I0滿足I0=In·cos3 γ的函數關系時。一般來講當最大光強在垂直面內的投射角度達到55~60º時,即可達到照度均勻度要求。

        衡量路燈配光光束均勻度還有一個指標,即I0-25/Imax值,該值小于等于0.35時,配光曲線較好地滿足了照度均勻性要求,當其值大于0.35時,會產生燈下亮現象。關于更多的I0-25/Imax值情況,可詳見參考文獻2。

        3. 調光技術

        調光技術的應用把隧道LED燈的節能效果發揮到極致。LED光源的調光技術有很多種,也有各種各樣的分類,但基本可以歸為二類,一類是基于網絡和通訊協議的智能調光系統,如基于信號線的DALI協議調光、DMX512協議調光、電力載波調光技術、無線通訊調光技術等等;一類是基于執行方式的或稱控制模式的調光系統,如相控調光技術、脈沖寬度調制PWM調光技術等等,針對LED的其他光學性能參數的調光技術由于非主流,暫不論及。由于隧道照明對單燈控制的需求并不高,因此在其他場合適用的智能調光技術未必最佳。隧道內的照明調光宜按照照明分段進行整體調光,線性調節、簡單可靠,目前最成熟也是最常用最適用的調光技術是PWM調光技術,它通過開關電路設置周期占空比來改變輸出電流值,響應速度快,調光精準,非常適合恒流驅動的LED光源。隧道中調光技術的應用除了節能,還降低了發熱更有利于提高光源壽命,同時有利于整燈壽命的提高和光通量維持率提高。

        調光技術涉及到LED燈的驅動電源、網絡通信等技術,分涉多個廠家,其中的需求協調并非一致,但總的,驅動電源應是向智能化、系統化發展,而且應有技術突破,如負荷寬載性、多調光信號兼容性、全數字化控制等等,與LED照明共同發展共同進步。

        不論LED燈的調光技術如何發展進步,設計均應充分考慮其二次節能效應,在隧道照明中進行調光設計。
         
        三、燈具

        燈具的問題似乎很多,很小,很散,但都對其未來的發展、應用也很致命。例舉幾個隧道照明中較為迫切的方面。

        1.光源的互換性

        隨著城市長大隧道的增多和LED燈的大量使用,光源互換性差的問題正日顯突出。由于不同廠家甚至同一廠家的不同時期產品,其光源的互換性都比較差,帶來的直接后果是必須整燈更換,更換麻煩耗時相對較長,隧道照明的維護工作量陡增,維護成本上升,隧道內一般還需封道更換,對交通帶來不利影響。目前能真正保證30000h以上的壽命產品越來越多,但劣質產品更多,采購關難以把控,致使運維單位不堪其擾。隧道LED燈迫切需要光源更換能像熒光燈管、高壓鈉燈那樣方便快捷,有統一的光源模塊、統一的光源參數、統一的接口模式、統一的燈具外形。

        目前有模塊式光源,只更換損壞的模塊,但各家型號規格接口等并不統一,隧道用LED產品標準化目前應該說國內國外均無完善的標準,行業標準也只在初級摸索階段,政府部門則更多的側重在性能參數的標準制定上,建議各地LED產業聯盟,應重視制定LED產品的互換性指標、光源和燈具可分離及其分離標準等內容。國內外目前在此方面所做的工作主要有:2012年制定并報批的《普通照明用非定向自整流LED燈規格分類》,在國際上首次提出了對光源不按功率分類而按光通量進行分類,并已獲得了最新IEC62612的采納(2013-02-01),而這可以理解為僅僅是對光源的標準化;由此也說明,國內這兩年因為政府的大力扶持,LED照明可能走得遠比國外遠,技術也不差于國外,差的是中小企業眾多良莠不齊,無序競爭嚴重,統一標準的缺失。國內在標準化理念走得最遠的,當屬上海,已有《隧道LED燈照明技術應用指導意見(2013修訂稿)》,提出了“隧道宜采用光源可替換LED隧道燈”,“不推薦采用整體式LED隧道燈”的明確思路,并對常規的隧道LED燈的外形尺寸、燈具安裝支架等等內容作了一些規定,可算國內該方向最領先的技術文件了。貴州高速公路開發總公司的標準文件《高速公路隧道LED燈技術條件》GZS04-2012中雖未提出光源互換性的要求,但因其當地山嶺眾多隧道成群的特點,其實早已意識到互換性問題對營運維護的重要性,在該技術條件文件中明確規定了LED燈的外形尺寸、光源模塊尺寸、安裝尺寸等等細節,所有投標產品必須符合該技術條款,在當時不失為一種頗有遠見的良策。廣州于2014年提出并實施“LED照明標準光組件計劃”,以發光組件為基準單元標準化、模塊化的方法,以圖解決LED照明產品的通用性、兼容性,不遜于上海。其他如福建等省的LED產業聯盟的有關規定雖也有提及,但側重點還是在LED光源的性能指標等的標準規定上。國際上,在標準化理念上走得最遠的是總部設于歐洲的ZHAGA聯盟。ZHAGA 是一個由全世界頂級的LED生產商組成的聯盟協會,其宗旨是“在通過標準化來實現光引擎的兼容性和互換性,并以此加速LED 技術的廣泛應用”,與本人思路不謀而合。根據ZHAGA官方網站消息,截至到2012年4月份,最新消息是ZHAGA已完成制訂共7本「規格書」(Book):ZHAGA是通過光引擎來實現標準化的,目前出的7個規格書主要是對使用場合要求不高的小功率的燈,沒有隧道燈方面的規定,隧道照明燈按其思路要通過光引擎來實現互換的標準化可能還有很多的技術難題需要攻克,有很長的路要走。

        另外,無論光模組還是光引擎,由于LED的光效還沒有達到其理論限制,模組體積可能還會改變,如何解決發展中的適應和過渡,也是應該考慮的問題。

        2.散熱問題

        近幾年的LED產品,散熱問題得到了足夠的重視,并且得到了極大的改善。新的散熱技術還在層出不窮,形勢可喜,正規大廠值得進一步期待。

        3.眩光問題


        圖6 較為舒適和美觀的燈型

        城市隧道美觀要求往往較高,燈帶的設計便是首選方案之一。但LED隧道燈為了解決散熱問題,現大多采用了圖7(b)的燈型,即透鏡直接外露。由此帶來了刺眼的炫光和明暗不一的致命弱點,難以達到預期的美觀效果。見光不見燈的反射式配光,雖然光效會略低于直射式配光,但在光帶設計時有其優越之處,右圖就是一種較為舒適和美觀的燈型,其配光豐滿,特別適用于城市隧道的應用。廠家在提高光效的基礎上仍應積極研究和改進各項細節。

        4.燈型問題

        隧道用的LED燈型可謂五花八門,見圖7。光源也好光引擎光模組也好,燈型的一致性也是同樣重要。如何歸類、如何分型、如何標準化電接口、模組接口、安裝接口、燈具小型化等等,滿足維護便捷性需求,其迫切性不亞于光源。建議各地產業聯盟可以借鑒貴州和廣州的做法,尤其是參照廣州的做法,盡快進行相關課題研究,細化隧道甚至道路用LED燈的技術需求和技術攻關線路圖,采用認證的方式推廣執行或是采用準入的方式推廣實施也行,同步聯合國家級相關學會、聯盟甚至政府相關部門進行全行業、體系性設計考慮,促進行業整合健康穩步發展。
         
        圖7 常見LED燈型式 
         
        參考文獻
        [1]  LED路燈測試實例分析  薛曉曉 陳萍 照明與電器 2015年第1期
        [2]  LED道路照明燈具光度數據的現狀分析 王曄 陳超中 施曉紅 照明工程學報 2009
        [3]  LED道路照明燈具光度數據的現狀分析(續) 王曄 陳超中 施曉紅 照明工程學報 2010
        [4]  道路照明標準比較及其對燈具配光的要求
        [5]  中國半導體照明產業發展態勢 阮軍 2013年中國照明論壇
        [6]  LED照明標準光組件體系路線圖及實施 眭世榮 陳哲 馬達 張劍平 中國標準化 2014

        編輯精選

        隧道LED燈的應用需求分析
        —— 2016/03/28 15:24:00

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