王 琥

(廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530009)

0 引言

隨著“一帶一路”倡議和《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》的實(shí)施，高速公路建設(shè)行業(yè)正以前所未有的速度推進(jìn)，有力地促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃中提出，至2030年建設(shè)建成高速公路里程數(shù)突破1.5萬km。而廣西地處喀斯特地貌，地形地貌多以山丘為主。隨著高速公路里程數(shù)的推進(jìn)，隧道的里程數(shù)也將逐步攀升。然而隧道的運(yùn)營管養(yǎng)花費(fèi)巨大，30%～40%的花費(fèi)集中在電力照明系統(tǒng)中[1-2]，負(fù)擔(dān)沉重。同時(shí)，廣西多數(shù)隧道照明系統(tǒng)老舊，電能浪費(fèi)嚴(yán)重，且不滿足當(dāng)前行車安全要求。因此，對(duì)隧道照明節(jié)能系統(tǒng)的研究不僅對(duì)節(jié)能減排有很大功效，對(duì)于行車安全也能起到保障作用。

通過對(duì)廣西區(qū)內(nèi)高速公路隧道照明現(xiàn)狀的大量調(diào)研可發(fā)現(xiàn)，隧道照明耗能十分嚴(yán)重，極大增加了運(yùn)營成本。主要原因?yàn)椋?1)隧道照明燈具選擇不合理[3-4]，高消耗的燈具如鈉燈仍在大量使用；(2)隧道照明控制系統(tǒng)的控制方式過于陳舊，主要采用的控制方式有手動(dòng)開關(guān)控制、分時(shí)控制和分級(jí)控制[5-6]，白天時(shí)段隧道幾乎是100%處于照亮狀態(tài)，形成巨大的能源浪費(fèi)。鑒于以上隧道照明系統(tǒng)問題，本文從多方面節(jié)能措施進(jìn)行隧道照明系統(tǒng)的改造，提出了一種變色溫LED自適應(yīng)照明控制系統(tǒng)，在梧州倒水隧道進(jìn)行試點(diǎn)試驗(yàn)并進(jìn)行相應(yīng)的分析。

1 自適應(yīng)照明控制系統(tǒng)總框架節(jié)能設(shè)計(jì)

1.1 自適應(yīng)照明控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

自適應(yīng)照明控制系統(tǒng)主要由供電系統(tǒng)和調(diào)光系統(tǒng)組成，如圖1所示。供電系統(tǒng)將電網(wǎng)交流電經(jīng)過逆變轉(zhuǎn)換成直流高壓(380 V)輸出，在變色溫?zé)籼幱蒁C/DC轉(zhuǎn)換成變色溫?zé)艟哳~定電壓。自適應(yīng)照明控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊和變色溫?zé)艟呓M成。數(shù)據(jù)采集模塊由洞外亮度計(jì)采集數(shù)據(jù)后，送至集中控制器進(jìn)行分析，按調(diào)光策略對(duì)每一個(gè)燈具調(diào)光控制器下發(fā)命令，控制燈具電流，完成燈具調(diào)光，實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)照度隨著洞外亮度的變化而變化的目標(biāo)。

圖1 隧道照明控制系統(tǒng)框架圖

根據(jù)圖1所示系統(tǒng)構(gòu)架可知，可從光源類型、供電方式、控制策略三方面進(jìn)行隧道照明的節(jié)能和行車安全性能改善。

1.2 光源的選擇

在燈具的選擇上主要考慮以下幾個(gè)具體的指標(biāo)，主要包括能耗性能、色溫和使用壽命等因素[7-9]。能耗性能在節(jié)能上具有極高價(jià)值意義；色溫對(duì)行車安全、駕駛員行車舒適度起到關(guān)鍵作用；燈具壽命關(guān)乎工程成本，對(duì)運(yùn)營期維護(hù)成本的降低具有指導(dǎo)意義。本文主要采用廣西高速公路隧道工程常用的鈉燈、普通LED和變色溫?zé)羧N燈具進(jìn)行對(duì)比。

(1)在能耗方面，滿足單位面積照度要求的情況下，所需的鈉燈功率大于普通LED，而變色溫?zé)艟咚璧墓β事缘陀谄胀↙ED燈。

(2)在色溫性能上，鈉燈主要偏向暖色調(diào)，色溫低、偏黃、不舒適；普通LED主要偏向冷色調(diào)，色溫高、偏白、不舒適；變色溫?zé)艟咧饕? 000 K和6 500 K兩種色溫芯片組成，通過兩芯片的顯色比例可實(shí)現(xiàn)3 000～6 000 K的任意色溫調(diào)節(jié)，如圖2所示。變色溫?zé)艟呖筛鶕?jù)洞外的自然光色溫/照度變化實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)的色溫/照度變化，從而為后期的調(diào)光提供硬件基礎(chǔ)。

圖2 色溫變化曲線圖

(3)在使用壽命上，鈉燈平均是2 000 Hrs，普通LED和變色溫?zé)艟咂骄? 000 Hrs；鈉燈光衰比較大，在使用2 000 h后，光衰約為30%，而普通LED和變色溫?zé)艏s為1%。

綜上所述，變色溫?zé)艟呔哂幸韵聨讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)照明舒適度高，可實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)亮度和色溫隨洞外亮度的變化而變化，使洞內(nèi)外具有良好的一致性，有效提升了駕駛?cè)藛T的舒適度，保障了隧道行車安全。

(2)預(yù)期節(jié)能效果最為明顯，特別是相對(duì)于廣西區(qū)內(nèi)正大量服役的鈉燈而言，是鈉燈的最佳替代者。

(3)使用壽命長，色衰低。

1.3 供電系統(tǒng)的選擇

隧道照明供電系統(tǒng)主要有兩種模式，即交流供電方式和直流供電方式。目前廣西使用LED燈具的隧道多采用交流供電方式。在供電方式的選擇上，主要考慮以下幾個(gè)因素，包括線損、功率因數(shù)、可控可調(diào)性等[10-11]?，F(xiàn)對(duì)交流、直流供電之間進(jìn)行對(duì)比。

(1)在線損方面，相同的電壓下進(jìn)行測(cè)試，電壓和電流的關(guān)系如表1所示。由表1可知，直流流經(jīng)LED的電流約為交流供電的50%，因此，對(duì)于同等供電線路長度和同等負(fù)載的情況，交流供電線損約為直流供電線損的兩倍。

表1 交直流供電下U-I關(guān)系表

(2)在功率因數(shù)上，交流供電工作下的LED功率因數(shù)一般只有0.5～0.6[11]。同時(shí)，由于LED工作原理的特殊性，單個(gè)LED在交流供電方式下會(huì)產(chǎn)生很多奇數(shù)高次諧波，從而導(dǎo)致電流變形。但隧道中的燈具數(shù)以千計(jì)，當(dāng)接入多個(gè)LED燈具后，整個(gè)線路將會(huì)產(chǎn)生大量的奇數(shù)高次諧波，嚴(yán)重影響線路的電能質(zhì)量并影響電網(wǎng)，造成能源的浪費(fèi)。而在使用高壓直流供電的方式下，可以通過功率因數(shù)校正(PFC)改善整條供電系統(tǒng)的諧波性能，提高功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

(3)在交流供電的方式下，無法通過無極控制的方式使得LED平滑調(diào)光，從而導(dǎo)致無法在隧道照明中按需調(diào)節(jié)亮度，造成電能的浪費(fèi)。而在直流供電的方式下，可通過直流電壓的平滑控制，實(shí)現(xiàn)LED燈具的無極線性調(diào)光、階梯調(diào)光、準(zhǔn)線性調(diào)光等多樣化控制。

為了在同等的測(cè)試條件下，對(duì)比計(jì)量交流和直流兩種供電方式的電量差異，采取在同等負(fù)荷的LED燈具、同等的運(yùn)行環(huán)境與工況下，分別計(jì)量交流和直流供電時(shí)，相同運(yùn)行時(shí)間后的耗電量。

測(cè)試條件為：20盞60 W燈具，計(jì)1.2 kW；測(cè)試設(shè)備包括：直流供電柜、直流電量測(cè)試終端(350 V/3 A)、霍爾傳感器輸入(30 A/3 V)、交流電表(220 V/5 A)；分別在不同時(shí)段進(jìn)行長時(shí)間測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 交流、直流供電條件下試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

通過試驗(yàn)結(jié)果分析可得：

①直流供電下：

24 h用電量：28.226 kW·h；

平均每小時(shí)用電量：1.176 kW·h。

②交流供電下：

24 h用電量：29.35 kW·h；

平均每小時(shí)用電量：1.223 kW·h。

經(jīng)直流供電與交流供電運(yùn)行同時(shí)間后的電量數(shù)據(jù)對(duì)比分析后，發(fā)現(xiàn)直流供電24 h用電量比交流供電節(jié)約了1.124 kW·h，平均每小時(shí)節(jié)約電量約0.047 kW·h，節(jié)能率約為3.8%。

綜上所述，直流供電主要有線損更小、功率因數(shù)更高、可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)光等優(yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目將采用直流供電的方式。針對(duì)單燈控制所耗控制器多的情況，從成本角度考慮，本文傾向于高壓直流供電。供電系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 直流供電框架圖

1.4 自適應(yīng)照明控制策略

本文將洞外的亮度分為多個(gè)等級(jí)，最高等級(jí)取隧道照明設(shè)計(jì)文件中的設(shè)計(jì)亮度值，洞外亮度為0～1 050 cd左右，按150 cd分為7個(gè)等級(jí)，>1 050 cd的部分，按1 000 cd到設(shè)計(jì)均值按線性劃分為3個(gè)等級(jí)。洞內(nèi)亮度按相應(yīng)等級(jí)，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第二冊(cè) 交通工程與附屬設(shè)施》中照明設(shè)施部分的規(guī)定進(jìn)行折減計(jì)算，相應(yīng)地等間距劃分十個(gè)等級(jí)一一對(duì)應(yīng)洞外照度。隧道一般分為入口段、過渡段、中間段和出口段，一一對(duì)亮度進(jìn)行劃分并對(duì)應(yīng)洞外亮度，以便控制系統(tǒng)調(diào)取參數(shù)使用。

2 試點(diǎn)測(cè)試及分析

本文以梧柳路(梧州至柳州)倒水隧道為試點(diǎn)工程，于隧道洞外安裝環(huán)境亮度采集模塊，在變電所內(nèi)安裝直流供電檢測(cè)系統(tǒng)和集中控制器模塊，在洞內(nèi)安裝可變色溫?zé)艟?，并?duì)安裝調(diào)試完成后的系統(tǒng)進(jìn)行亮度等相關(guān)測(cè)試。

2.1 工程概況

倒水隧道左洞長度335 m，右洞長305 m。其洞外亮度取值均為3 000 cd/m2，洞外亮度折減系數(shù)為0.035。原設(shè)計(jì)該隧道主體照明采用LED燈具200 W、160 W和100 W作為加強(qiáng)照明，60 W作為基本照明，基本照明燈距為16 m，兩側(cè)交錯(cuò)布置。采用變色溫?zé)艟咝略O(shè)計(jì)方案為：入口段1、入口段2設(shè)計(jì)采用120 W-LED變色溫?zé)?，過渡段1、過渡段2設(shè)計(jì)采用60 W-LED變色溫?zé)糇鳛榧訌?qiáng)回路照明，基本照明使用60 W-LED變色溫?zé)粽彰?，間距為12 m。隧道采用兩階段控制，白天采用自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)燈光，晚上采用時(shí)序控制。洞外亮度上限值按設(shè)計(jì)文件取3 000 cd/m2。

2.2 變色溫?zé)粼O(shè)計(jì)效果分析

按照時(shí)序控制方法：(1)白天模式：隧道加強(qiáng)照明全開，基本照明(含應(yīng)急照明)全開，全年平均按10 h；(2)晨暮模式：隧道加強(qiáng)照明開一半，基本照明(含應(yīng)急照明)全開，全年平均按4 h；(3)夜間模式：隧道加強(qiáng)照明全關(guān)，基本照明(含應(yīng)急照明)開一半，全年平均按10 h。新舊方案負(fù)載對(duì)比如表3所示。

表3 新舊設(shè)計(jì)方案負(fù)載功率對(duì)比表

新舊方案的能耗對(duì)比如下：

Wnew=[(6.06+74.04)×10+6.06×0.5×10+(0.5×74.04+6.06)×4]×365=366 321.3(kW·h)；

Wold=399 675(kW·h)；

則年耗電節(jié)約比例為：

R=Wold-Wnew/Wold=8.34%

從以上數(shù)據(jù)可以分析出，在同樣滿足隧道照明要求的情況下，變色溫?zé)艟呖梢酝ㄟ^合理的搭配組合，減小照明回路設(shè)計(jì)的冗余，降低整個(gè)照明系統(tǒng)的負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能效果。

2.3 變色溫?zé)艟呒爸绷鞴╇娦Ч治?/h3>

為了有效驗(yàn)證變色溫技術(shù)方案與直流供電對(duì)隧道照明運(yùn)營帶來的節(jié)能效果，對(duì)同等長度的倒水隧道、烈村隧道在同一天進(jìn)行了相關(guān)數(shù)據(jù)的采集測(cè)試。其中烈村隧道為采用交流供電下的常規(guī)LED可調(diào)光燈具，倒水隧道為采用高壓直流供電下的變色溫?zé)艟?。耗電?duì)比如表4所示。

表4 交直流耗電對(duì)比表

由表4可知，直流供電的實(shí)際耗電量比交流供電少Wc=48.6-36.6=12.0(kW·h)。

直流供電的實(shí)際耗電量比交流供電少12.0 kW·h，節(jié)能效率η=12.0÷48.6=24.7%。

2.4 自適應(yīng)控制系統(tǒng)的效果分析

2.4.1 自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)節(jié)能分析

分別測(cè)試倒水隧道右洞加強(qiáng)照明回路自動(dòng)光控與左洞加強(qiáng)回路固定功率(100%)下的用電數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5 調(diào)光系統(tǒng)耗電對(duì)比表

由表5可知，節(jié)電效率η=(36.648-31.580)/36.648=13.38%。

2.4.2 自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)控制效果

對(duì)倒水隧道洞外亮度及入口段亮度進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè)，圖4所示即為1 d隧道洞內(nèi)(入口段)和隧道洞外亮度的變化趨勢(shì)。從圖4可知，洞內(nèi)亮度可以跟蹤洞外亮度趨勢(shì)，達(dá)到自適應(yīng)控制的效果。

(a)洞外亮度24 h變化曲線

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種變色溫LED自適應(yīng)隧道照明控制系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)隧道照明缺陷進(jìn)行改進(jìn)，給出了具體的多方面節(jié)能措施方案。該系統(tǒng)簡單經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性好，在降低隧道耗能和運(yùn)營成本方面有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。