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有關隧道燈的那些事

發布日期:2017-09-29    【字號:  
導讀
《隧道燈技術指南》(CIE 088:2004)是一個最為廣泛使用的道路隧道照明國際標準。但是最近瑞士的ASTRA與奧地利的ASFINAG公司提出更加嚴格的隧道燈要求規格,而且來自德國的SWAREFLEX公司也提出了滿足要求的新方法,并同時解釋了光效并不是衡量系統性能與效率的唯一變量。
關于技術指南
CIE88-隧道燈技術指南作為一個隧道照明相關的指南文件一直是作為許多國家規范的基準。這個指南按照不同照明需求的地區將隧道分為了不同的幾個區域。
首先,入口段(threshold zone)需要非常高的照度,目的是為了促進駕駛員的雙眼能夠快速的適應隧道中較暗的照明環境。其入口段的長度取決于隧道里的最高限速,更高的車輛行駛速度就需要更長的入口段。
其次是過渡段(transition zone), 隧道路面的照度會漸漸的降低到隧道中間段(interior zone),從而提供一個從入口到中間段平滑的照度過渡。例如,首先假設維護因子為0.67,入口段的前半段照度為150-300cd/m2,然而到了中間段,照度通常只有2-6cd/m2。

 目前道路隧道照明的質量主要取決于以下幾個重要參數:整體和縱向道路光照的均勻性(無頻閃的理想狀態)、隧道墻面的光照、眩光的抑制以及色溫和顯色指數。但是最近幾年,隨著半導體技術的發展,LED照明開始取代傳統的隧道照明鈉燈。許多國家標準也隨著技術的更新修訂了相關的技術指標。

圖1  隧道照度適應曲線 
新的LED適用標準
除了瑞士ASTRA提出的相關照明規范,奧地利ASFINAG的計劃手冊(PLaPB 800.562)是第一個專門針對LED隧道燈系統設計的標準。這個標準將集群引入了不同的隧道照明分類中,尤其是劃分每一個集群不同照明需求以及定義燈具之間不同的距離,從標準間距(cluster standard)的18米到連續燈具照明帶(cluster premium)。
同時,這個標準還說明了在光效和色溫、顯色指數方面的不同需求。雖然顯色指數并不是隧道燈最重要的指數,但是這個參數可以在隧道照明中增強不同信號顏色的顯色效果。這對于駕駛員要快速識別紅綠黃的信號燈轉變是極其重要的。 
對于LED照明而言,LED系統能夠提供在入口段和中間段模擬調光功能,從而消除了關閉整個燈具組引起的路面亮度均勻性問題。當前LED隧道系統已經進入了智能照明階段,可以實現駕駛員與燈具之間的信息交互。但是,現在還是存在一些技術問題,控制和支援的電路還需要集成在其中。一些隧道需要將智能驅動集成到燈具之中然而另一些則要求所有的電子部分安裝在維修室或控制室內。兩種方案都具有不同的優點,但是后者能夠減少相應的維修工作量。
當前,在德國、奧地利以及瑞士地區(D-A-CH)的隧道燈具從CRI只有20-30的鈉燈提升到CRI達到70-80同時色溫在4000-4500K的LED燈具,甚至目前的一些項目需要光效超過110lm/W以及系統壽命超過80000小時的設備(同時系統失效率小于10%)。

圖2  適當分布的隧道燈實景圖

不只是只有照度的技術規范
由于LED本身的發光原因,尤其是早期的LED燈具,其眩光的程度遠遠高于傳統燈具,防止眩光就成為了一項重要的技術指標。
一些規范已經要求了閾值增量(threshold increment)最多只能增加8%甚至只有6%,更低的閾值增量意味著更低的眩光。閾值增量一般是指光幕亮度與地面亮度的相對關系,更低的光幕亮度與更高的地面亮度都可以有效地降低眩光。光幕亮度取決于燈具的光通量與光線分布。所以就有可能在最大化地面亮度的同時減小光幕亮度。
但是目前燈具制造商無法有效控制路面亮度系數q0,但是這個亮度系數決定了光照度(lx)與亮度(cd/ m2) 之間的關系。根據路面的表面材料不同,系數通常在0.05到0.07之間浮動。因此,亮度系數q0能夠對亮度有30%的影響范圍。而光照度也會相應地增加30%,這回導致更高的光幕亮度和閾值增量。 
高光效的需求
光效(lm/W)作為一種能夠表現LED燈具發光效率的參數,更高的光效代表著更高的發光效率。


對于中間段而言,對稱式的布局會需要相同參數的隧道燈。同時,對于市場上大部分燈具而言,發光透射率都接近90%以及光線分布都可以提供相似的路面亮度。因此,這種條件下,光效就成為了最簡單最直接能夠決定整個燈具能效的方法。但是對于入口段和過渡段呢?
一般來講,這些區域的燈具一般會安裝有反射光線的燈具,其能夠將光線以一種水平的角度反射到駕駛員。
由于特殊的光線反射的機制,這種反射光線的燈具能夠遠高于對稱式分布燈具的亮度。因此,在過去這種燈具就一直作為入口段高效經濟的選擇。但是這種結構的燈具只能在入口段和過渡段使用,在中間段時反射光線會在8-15m的短距離之間產生過多的眩光,同時會造成光線 均勻性的問題。
如圖4所示,反射光線的峰值在超過60度的區域之間,并且光線幾乎只是固定在了一個方面。這種“光線彎曲”會導致反射損失以及透射率降低,燈具整體的光效也會降低。對于入口段和過渡段的燈具,這些反射光線的光效值并未計算在內。由于超過60度的反射光線會在照射路面時具有更多的亮度,而55的光線則要小很多,盡管后者具有更高的發光率

圖4  反射光線分布圖

除此之外,在垂直方向具有較高角度的峰值強度的光線并不一定會產生眩光。
因此,對于入口段,比表面功率密度(specific surface power density)可以作為一個描述隧道照明燈具發光效率的參數,其包括了已知的亮度、入口段和過渡段的長度、以及所有已安裝燈具的能量消耗。
結論
幾乎所有考慮LED燈具的新標準都會瞄準一個正確的方向,并會對于照明質量有一個穩定的技術提升。同時,這些技術要求也會促進LED照明系統朝著更加精確、安全、高效、可持續性的方向發展。當前最先進的燈具能夠在8-12米的范圍內提供超過0.95的縱向均勻性。這意味著在整個隧道之中,道路亮度將幾乎沒有變化,從而也消除了地面上的光線頻閃。
目前,最新一代的隧道系統具有125lm/W的高光效照明,同時還將控制電路與燈具分離使得維護更加容易。但是仍然還有許多技術挑戰需要人們在標準與規范上的共同努力。


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