摘 要：以杭州市紫之隧道为例，深入剖析了交通隧道的照明需求，研究对比各类隧道照明光源的性能，并对各类光源的节能性和经济性进行评估，最终选定当前最适宜的隧道照明光源，同时为类似工程设计提供借鉴。
关键词：隧道；照明光源；选型；分析
紫之隧道作为省级重点交通工程，高规格的设计标准，节能、高效、智能的需求对隧道照明系统提出了更高的要求。将隧道照明光源选型列为专题进行研究，通过剖析城市隧道照明需求、分析比选当前各类隧道照明光源的性能、评估各类光源的节能性和经济性，选取最适宜的隧道照明光源，并对下一步工程设计提供思路。
1 城市隧道照明光源选型思路
光源应满足隧道特定环境下的光效、光通量、光衰减、寿命、光色、显色性及成本要求；同时应保证在汽车排放形成的烟雾中有良好的能见度。城市隧道照明的光源选型思路如下图1：
2 城市交通隧道照明需求
2.1 环境需求
隧道内环境条件恶劣，相对于普通室内、道路照明，隧道照明灯具要求更高：
环境温度：-15℃～+45℃（灯具使用环境温度-20℃-+45℃）。
相对湿度：35%～90%；在环境为25℃时，平均相对湿度小于90%，部分安装位置将产生结露现象。
大气压力：80kPa~110kPa。
风速：0-30m/s、采用机械通风。
空气污染：须考虑金属粉尘污染，粉尘严重。
能见度：须考虑大量汽车尾气对环境能见度的影响。
腐蚀强度：须考虑温湿度环境、灯具表面的油污和尘埃对灯具的腐蚀，并考虑隧道管理人员采用的洗涤剂等化学药物的腐蚀性。
2.2 灯具技术要求
隧道照明灯具应具有防潮湿、防腐蚀、防振动的性能、并应安全可靠、维修方便，灯具外壳应达到规定的防护等级。
灯具必须能在上述环境中正常工作，应能长期工作在二氧化硫浓度大于30mg/m³、五氧化二氮浓度大于100mg/m³等强腐蚀性气体经常存在且相对湿度在90%的环境中。灯具安装后应能承受10m/s时的风压。
灯具配光合理，高寿命、节能、绿色。灯具应在220V +5%-10%电压下正常工作，功率因数应大于0.85；灯具效率不低于65%；灯具应能防触电。
3 各类常用隧道照明光源性能分析
目前，普遍应用于隧道照明中的光源类型主要有：荧光灯、高压钠灯、金卤灯、LED灯、无极灯等。
3.1 节能荧光灯
荧光灯光效较高、光衰较小、显色指数高、可频繁启动，便于控制。但使用寿命不长，镇流器产生大量谐波污染电网。城市隧道大多有一定的装修要求和外观要求，荧光灯尤其是灯带方式常会被当地建设部门采纳，用于兼顾普通照明、应急照明和装饰照明。随着三基色、高效荧光灯的更新换代，荧光灯光效更高，更广泛应用于城市隧道。
3.2 高压钠灯
高压钠灯光效高，耗电少、寿命长，不诱虫，桔黄色的光线透烟雾性强，且应用成熟，是当前隧道照明尤其是公路隧道照明的主打产品。但由于其固有的缺陷，极大地限制了其在隧道照明中的应用，主要是：
1）显色性较差，一般只有20-30，不能完美的再现物体的真实本色，也降低了人眼的感官照度。
2）需要配置镇流器、补偿装置等附件，功耗较大。尤其是传统的电感镇流器，不仅消耗大量电能，还产生高次谐波（以三次谐波为主，也含有五次、七次、九次等谐波）。这些谐波电流通过镇流器初级线圈时，不但大大增加中性线上的电流，还产生严重的电磁辐射，对周围的通信产生影响。
3）受电源波动影响较大，对电源和供电线路的要求较为苛刻。
4）光损较大。高压钠灯的灯具一般设计为截光型，而其光源却是球体发光型，大概有60%左右的光要通过反光从40%的光出口射出。为了更好地防止眩光，灯具反光罩必须采用亚光面，亚光面反射会造成光在反光罩内多次反射和折射，光损耗率较高。
5）不能瞬间点亮，不易控制，工程设计时可选的型号规格较少。
3.3 金属卤化物灯
金属卤化物灯的主要技术性能与高压钠灯较为类似，但显色指数大大提高，广泛应用于厂房、展厅、礼堂、商场等室内场所；寿命较低，通常只有10000h。
3.4 LED专用隧道灯
LED隧道灯是目前隧道照明主流产品，其突出特点是寿命长、发光效率高、功耗极低、瞬时启动、显色指数高、工作温度低、工作电压低、功率因数高、无紫外辐射等。LED的诸多特点对于隧道照明有着十分明显的可用性，但也有其限制瓶颈，主要是：
1）配套附件制约了LED灯的极致发挥：LED灯虽不需要额外的高压镇流装置，却需要高效率、高可靠性的驱动电源和控制器，LED优良的性能与驱动电源和控制器的性能息息相关。LED灯的高寿命目前已为行业所认可，受限于目前国内的技术水平，驱动电源和控制器难以达到预期的寿命，使得整体LED灯具的寿命和可靠性大打折扣。实际工程中反馈的质量和维护问题大部分因驱动电源和控制器而起也印证了这一点。
2）LED灯具的散热
LED灯一般将若干颗LED按一定方式排列在一起，或将若干LED芯片集成封装在一起，这两种方式都使芯片产生的热量高度聚集且不能及时地散出，大大损坏LED灯珠，增加光损的同时也大大缩短了LED灯的使用寿命。
3）LED芯片国产化率低
LED灯具的核心是LED芯片，而国内LED芯片高端的生产技术几乎空白，或者良莠不齐。国产化率低直接导致了其价格居高不下，也带来了兼容性、维护不便等问题。
3.5 无极灯
无极灯与LED均属于新型光源，通过频率发生器的电磁场以感应的方式耦合到灯内，使灯泡内的气体雪崩电离，形成等离子体，等离子受激原子返回基态时辐射出紫外线，灯泡内壁的荧光粉受紫外线激发产生可见光。基于此发光原理，无极灯有着近LED的光学性能：高寿命、高光效、高功率因素、光输出稳定、高显色性、低谐波含量、瞬时启动、无频闪等。但无极灯运行时会产生严重的电磁干扰和空间电磁辐射，影响隧道内通信设施的可靠使用，与绿色照明的初衷相违背。
4 各类常用隧道照明光源性能比较
针对隧道照明追求光源光通量、发光效率、光衰、寿命、色温、显色性、可控性等特征，对上述几类光源的对比如表1：
5 各类常用 隧道照明光源节能性对比
选择杭州市紫之隧道工程作为案例对各光源的节能性进行比较。为简化对比，工程全线加强照明拟选用大功率高压钠灯，仅对基本照明选择不同的光源类型进行节能性对比。根据照度计算及对灯具选型，各类灯具投入数量见表2所示：
经过测算，荧光灯、高压钠灯、金卤灯、LED灯、无极灯应用于紫之隧道工程的照明用电量如图2、图3所示：
根据上述图表数据，LED灯年耗电量及年耗电费均明显低于其它几种照明光源。若以传统高压钠灯数据为基准的话，LED灯约为高压钠灯的73.7%，可节能26%，年节省电能155.9万度，减少电费约138.75万。
6 各类常用隧道照明光源经济性评估
根据照明标准进行的照明计算结果，结合各类光源市场价格、电源费用、运营养护费用等，各类光源年累计投入费用如表3、表4、图4所示：
根据上述分析，可以看出：
1）荧光灯、金卤灯、高压钠灯等常规光源初期投资较小，但寿命较短，年投入费用趋于线性增长。其中增长斜率最大的金卤灯，其次是荧。
光灯，最小的是高压钠灯。
2）LED灯和无极灯本身虽寿命较长，节电性能较好，但更换的成本大，年投资呈现阶段式陡增现象。
3）LED灯虽灯具费用较高，但其杰出的节电性能可极大的降低每年成本，年累计费用呈现逐年趋缓，趋近于传统的高压钠灯和荧光灯，且远低于金卤灯和无极灯，经济性能较好。
7 结论
LED光源是一种节能、环保、长寿的新型光源，能缓解能源短缺、环境破坏等问题，成为照明发展方向。同时我们应看到，任何一种光源都具有区别于其他光源的优点和缺点，完美无缺的光源还不存在。LED隧道灯具还不是完全成熟的产品，芯片生产、灯具配光、传导散热、电力电子驱动技术、无极调光节能技术、维护管理等各方面还要进行大量的技术研究，只有大幅度降低其成本，实现产品与应用的标准化管理，提高保障能力，LED在城市隧道照明中的应用才会更加成熟。