公路隧道照明系统知识讲座

公路隧道照明系统知识讲座2016年3月台州高级工程师注册电气工程师注册一级建造师中国照明学会高级会员陈志军[e-mail]讲座的主要内容隧道照明的要求：基于《公路隧道设计规范》（JTGD70/2-2014）《公路隧道照明设计细则》（JTG/TD70/2-01-2014）【推荐性】，讲解隧道照明的功能要求、舒适性要求等。隧道照明的灯具技术：讲解灯具的基本术语概念、灯具参数的识别、灯具选型等。隧道照明的控制技术：讲解灯具的基本术语概念、灯具参数的识别、灯具选型等。一、隧道照明的要求1.1隧道照明的评价参数路面亮度值（Lav）路面总均匀度（U0）路面中线纵向均匀度（U1）闪烁（频闪）诱导性眩光控制节能指标（照明功率密度）1.2隧道照明考虑的因素隧道的交通量隧道通行情况（单向通行还是双向通行）隧道洞外亮度（隧道洞口环境、洞门形式、隧道朝向等）隧道长度隧道通车设计时速因素选择表1.3隧道路面亮度要求照明的目的是要能看清楚路面的障碍物，障碍物的大小为20cm×20cm×20cm，认识距离为一个停车视距（Ds）；要认清车辆通行情况，来辨识车距。背景亮度背景亮度与目标识别的关系隧道内路面亮度是分段考虑的，主要是根据人眼对环境的适应要求规定的。不同段的亮度变化曲线如下：隧道内照明一般可以划分入口段、过渡段、中间段、出口段。在JTG/TD70/2-01-2014规范中划分为入口1段、入口2段、过渡1段、过渡2段、过渡3段、中间段、出口1段、出口2段。在2014规范中入口段Dth计算式如下：另有【设计速度为20km/h~40km/h时，入口段总长度可取一倍照明停车视距。】入口段亮度Lth，计算如下：隧道照明区段划分及亮度计算和区段长度计算过渡段过渡段长度不需要计算，可以根据隧道净空高度、设计时速参数直接查表获得。另【当任一过渡段亮度值与中间段亮度比值小于3时，可不设置该过渡段照明。】中间段中间段长度就是隧道布灯长度减去入口段、过渡段、出口段的值。亮度取值如下表：注：【行人与车辆人车混合通行的隧道，中间段亮度宜不小于2.0cd/m2。】特殊段的亮度要求：隧道内交通分流段、合流段的亮度不宜低于中间段亮度的3倍。紧急停车带照明宜采用显色指数高的光源，其照明亮度不应低于4.0cd/m2。横通道亮度不应低于1.0cd/m2。应急照明：长度L＞500m的高速公路隧道应设置应急照明系统，并采用不间断供电系统；长度L＞1000m的一级、二级公路隧道应设置应急照明系统，照明中断时间不应超过0.3s。三、四级公路根据实际情况设计确定。应急照明的亮度应不低于中间段亮度的10%，且不小于0.2cd/m2。出口段出口段长度总长不应超过60米，一般分为出口1段、出口2段，每段长30米。亮度值为中间段亮度的3倍和5倍。长度L≤300m的直线隧道可不设置出口段加强照明。长度300m＜L≤500m的直线隧道可只设置EX2出口段加强照明。1.4隧道照明的均匀性要求隧道照明的均匀度【本人】认为比亮度的要求更高，因为照明均匀度不好的，会形成亮暗的“斑马线”，在车辆快速通行时会有“闪烁”的现象，对驾驶人员造成不适的感觉。隧道内照明的两个均匀度指标，【本人】认为路面中线纵向均匀度U1比路面总均匀度U0更重要。因为车辆是纵向通行，纵向均匀度好视觉舒适性好，不快的闪烁减少。技术指标要求如下表：1.5闪烁当隧道内按设计速度行车时间超过20s时，照明灯具布置间距应以满足闪烁频率低于2.5Hz或高于15Hz为原则。【当闪烁频率在4Hz~11Hz之间，不舒适感令人无法忍受。】例：设计时速80KM/H，1000米长隧道。V=80000/3600=2.22m/s，2.5≥2.22/S求得S≥0.888m；15≤2.22/S求得S≤0.148m。入口段、过渡段灯具安装间距不应小于0.148米。1.6诱导性要求灯具安装顺直，应根据隧道的平曲线、竖曲线来布置，并与隧道的曲线半径一致。做到美观、可视性好。建议将灯具安装于隧道桥架上，容易保证诱导性能。1.7眩光控制（新）眩光有直接眩光、反射眩光和光幕反射。隧道内大多是直接眩光，由灯具过高的亮度光线直接进入人眼造成的。这还与灯具的安装高度、安装间距、灯具的光束角、截光角、遮光角有关，还与车辆类型有关。（详见下图）反射眩光主要是经隧道内光洁表面反射高亮度光线进入人眼造成。主要有标牌、导向板、洞室门以及一些设备等。1.8节能指标（照明功率密度LPD）（新）目前，隧道照明的规范中没有提出照明功率密度的概念。在建筑物照明系统内此概念，并且是强制性条款。应着手收集不同公路等级、不同设计时速的隧道内照明用电资料。二、隧道照明灯具2.1灯具实物认知高压钠灯阵列式LED灯模块式LED灯2.2灯具及照明的基本术语1）可见辐射：能直接引起视感觉的光学辐射，通常将波长范围限定在３８０ｎｍ和７８０ｎｍ之间。2）光通量：根据辐射对标准光度观察者的作用导出的光度量。3）发光强度：光源在给定方向上的发光强度是该光源在该方向的立体角元ｄΩ内传输的光通量ｄΦ除以该立体角元之商，即Ｉ＝ｄΦ/ｄΩ，该量的符号为Ｉ，单位为坎德拉（ｃｄ），１ｃｄ＝１Lｍ/１ｓｒ。4）亮度：由公式ｄΦ/ｄＡ·ｃｏｓθ·ｄΩ定义的量。式中ｄΦ——通过给定点的束元传输的并包含给定方向立体角ｄΩ内传播的光通量；ｄＡ——包括给定点的辐射束截面积；θ——辐射束截面积与辐射束方向的夹角。该量的符号为Ｌ，单位为坎德拉每平方米（ｃｄ·ｍ－2＝ｌｍ·ｍ－2·ｓｒ－1）。5）照度：表面上一点的照度是入射在包含该点面元上的光通量ｄΦ除以该面元面积ｄＡ之商，即Ｅ＝ｄΦ/ｄＡ该量的符号为Ｅ，单位为勒克斯（ｌｘ），１ｌｘ＝１ｌｍ/ｌｍ2。6）视野：当头和眼睛不动时，人眼能观察到的空间的角度范围。7）亮度对比：视野中目标和背景的亮度差与背景亮度之比，即C=（Lt—Lb）/Lb，式中C——亮度对比；Lt——目标亮度；Lb——背景亮度。8）眩光：由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象。9）直接眩光：由视野中，特别是在靠近视线方向存在的发光体所产生的眩光。10）反射眩光：由视野中的反射所引起的眩光，特别是在靠近视线方向看见反射像所产生的眩光。11）光幕反射：视觉对象的镜面反射，它使视觉对象的对比降低，以致部份地或全部地难以看清细部。12）不舒适眩光：产生不舒适感觉，但并不一定降低视觉对象的可见度的眩光。13）失能眩光：降低视觉对象的可见度，但并不一定产生不舒适感觉的眩光。14）色温（度）：当某一种光源与某一温度下的完全辐射体（黑体）的色品完全相同时完全辐射体（黑体）的温度。其符号为Tc，单位为开(K)。15）相关色温（度）：当某一种光源与某一温度下的完全辐射体（黑体）的色品最接近时完全辐射体（黑体）的温度。其符号为T，单位为开(K)。16）冷色：光源色的色温大于5300K时的颜色。暖色：光源色的色温小于5300K时的颜色。17）中间色：介于冷色和暖色之间的颜色。光源色的色温介于5300~3300K时为中间色。18）显色性：照明光源对物体色表的影响（该影响是由于观察者有意识或无意识地将它与标准光源下的色表相比较而产生的）。19）（灯的）全功率：给定某种灯的额定功率与其镇流器损耗功率之和。20）（灯的）发光效率：灯的光通量与灯消耗电功率的商，单位为lm/w。21）截光型灯具：最大光强方向在0°~65°,其90°和80°角度方向上的光强最大允许值分别为10cd/1000lm和30cd/1000lm的灯具。22）半截光型灯具：最大光强方向在0°~75°,其90°和80°角度方向上的光强最大允许值分别为50cd/1000lm和100cd/1000lm的灯具。23）非截光型灯具：其在90°角方向上的光强最大允许值为1000cd的灯具。24）截光：为遮挡人眼直接看到高亮度的发光体，以减少炫目作用的技术。25）截光角：在灯具垂直轴与刚好看不见高亮度的发光体的视线之间的夹角。26）遮光角：截光角的余角。27）光束角：在给定平面上，已极坐标表示的发光强度曲线的两矢径间所夹的角度，该矢径的发光强度值通常等于10%或50%的最大发光强度值。28）灯具效率：在相同的使用条件下，灯具发出的总光通量与灯具内所有光源发出的总光通量之比。显色指数的理解图2.3重点概念理解色温理解图截光角、遮光角、三平面理解图配光曲线、光强分布曲线防护等级IP56防触电类别灯具寿命：灯具光通量衰减到70%时，灯具的使用时间。《道路与街路照明灯具安全要求》（GB7000.5-2005）《灯具第1部分一般要求与试验》（GB7000.1-2014）《LED道路隧道照明产品节能认证技术规范》（CQC3127-2013）《公路LED照明灯具第1部分：通则》（JT/T939.1-2014）《公路LED照明灯具第2部分：公路隧道LED照明灯具》（JT/T939.2-2014）等2.4隧道照明灯具执行的标准2.5隧道照明灯具的要求1）防护等级不低于IP65；2）具有防眩光装置；3）光源和附件便于更换、可替换性好；4）灯具及附件具有良好的防腐性能；5）灯具投光角度可调；6）灯具效率要高，气体放电灯不低于70%，功率因数不低于0.85；LED灯灯具效能不低于90LM/W，功率因数不低于0.95。7）LED灯具应具有可控性，对灯具的输出光通量可调。2.6LED隧道灯具1）LED灯具的结构，主要有散热壳体、驱动电源、LED光源、配光装置、安装支架等组成。2）灯具驱动电源3）LED白光发光原理LED白光的芯片有两种：一是利用荧光粉将蓝光LED激发黄色荧光粉产生白光，或紫外UV-LED所产生的蓝光或紫外光分别转换为双波长(Dichromatic)或三波长(Trichromatic)白光，此项元件技术称之为荧光粉转换白光LED(PhosphorConverted-LED)。【RGB三波长萤光粉】二是多芯片型白光LED，经由组合两种(或以上)不同色光的LED组合以形成白光，RGB三种光色LED按一定比例混合。目前，市场上白光LED商品以蓝光LED芯片搭配黄光荧光粉最为普遍，以目前白光LED产品市场分析，荧光粉转换白光LED可谓主流。（红色和绿色荧光粉多为硫化物体系，这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大。）下图简要归纳并比较多种白光LED构装原理和优劣点，其中(a)型构装方式、演色性最佳，但成本最高，尚未能普及；构装方式(b)则具有技术最成熟且成本低廉之优势，但色偏、演色性不佳，须以适当红、黄光荧光粉加以改善，此外，最严重者为日亚化学专利限制难以规避；而构装方式(c)与(d)两者所制作的白光LED演色性俱佳、色偏小、成本低且专利局限较不严重，因此未来深具发展潜力。4）LED灯具的优缺点优点：可控性能好，发光颜色可控；输出光通量可控。发光效能高，目前可达150LM/W。寿命长，目前灯具标称均为50000小时，但部标规定是平均寿命≥40000小时，最低有效寿命≥30000小时（有效寿命、机械寿命、平均寿命）。【LED灯具的部件】响应时间短，可以认为即点亮灯具，响应时间只有60ns。配光性能好，它是平面发光，LED光源可以有不同的视角度和视角不大于180度。光色可满足各种照明环境要求。缺点：受温度影响大，散热性能不好的灯具，光衰很厉害。【规范规定，灯具结温不高于105℃，根据工作环境温度不高于40℃，则温升不得高于65℃。】LED灯具组合方式复杂，LED工作电压为1.5--3.5V，同一种工作电压，可以采用串并方式很多组合。LED光源可替换性能差。灯具驱动器很难标准化，各厂家电源输出工作电压不同，可替换性能差。灯具壳体尺寸、光源尺寸难统一。5）LED隧道灯的选择LED色温建议选用4000K±200K，光色比较适合隧道照明，属于中性色温。单颗大功率LED功率不应大于1.5W。这样保证工作电压、驱动电流适中，发热量小，有利于LED灯具寿命延长。显色性能较高的灯具，Ra≥60。配光均匀性好。眩光控制装置完善、