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关于LED隧道灯的那些事儿

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时间:2019/3/5

隧道一般分为两种:短隧道,一进入入口就可以看到出口外的亮度很高,会产生“黑框”效应;长隧道情况下,当车辆驶入隧道时,会感觉隧道口很黑,以至于无法辨认洞口附近的情况,连障碍物也无法辨认,


产生“黑洞”效应。车辆在接近出口时,看到的是一个刺眼的炫亮白洞。降低司机的视觉功能和视觉舒适感,无法判断前方的车辆。


这就决定了隧道照明的设置和安装要解决这些问题:


隧道照明分为:引入段、适应段、过渡段、基本段、出口段等五个区段照明,其中每个段都有不同的作用。


1、引入段。要消除 “黑洞”现象,使驾驶员在洞口处能辨认障碍物;以白天为例,驾驶隧道口部环境亮度为4000cd/m²,时速80KM/h,则满足最低要求的引入段和亮度分别为40M和80cd/m².


2、适应段。进入隧道后,驾驶员能很快适应并消除“黑洞”现象;按上述条件适应段的长度和亮度分别为40M和80-46cd/m²。


3、过渡段。驾驶员逐渐适应隧道内部环境照明;按上述的条件,过渡段的长度和亮度分别为40M和4.5cd/m².


4、基本段。隧道内的基本照明


5、出口段。一般在出口安装路灯作为延续照明。


《隧道灯技术指南》(CIE 088:2004)是一个最为广泛使用的道路隧道照明国际标准。但是最近瑞士的ASTRA与奥地利的ASFINAG公司提出更加严格的隧道灯要求规格,而且来自德国的SWAREFLEX公司也提出了满足要求的新方法,并同时解释了光效并不是衡量系统性能与效率的唯一变量。



关于技术指南

CIE88-隧道灯技术指南作为一个隧道照明相关的指南文件一直是作为许多国家规范的基准。这个指南按照不同照明需求的地区将隧道分为了不同的几个区域。


首先,入口段(threshold zone)需要非常高的照度,目的是为了促进驾驶员的双眼能够快速的适应隧道中较暗的照明环境。其入口段的长度取决于隧道里的最高限速,更高的车辆行驶速度就需要更长的入口段。


其次是过渡段(transition zone), 隧道路面的照度会渐渐的降低到隧道中间段(interior zone),从而提供一个从入口到中间段平滑的照度过渡。例如,首先假设维护因子为0.67,入口段的前半段照度为150-300cd/m2,然而到了中间段,照度通常只有2-6cd/m2。


目前道路隧道照明的质量主要取决于以下几个重要参数:整体和纵向道路光照的均匀性(无频闪的理想状态)、隧道墙面的光照、眩光的抑制以及色温和显色指数。但是最近几年,随着半导体技术的发展,LED照明开始取代传统的隧道照明钠灯。许多国家标准也随着技术的更新修订了相关的技术指标。



新的LED适用标准

除了瑞士ASTRA提出的相关照明规范,奥地利ASFINAG的计划手册(PLaPB 800.562)是第一个专门针对LED隧道灯系统设计的标准。这个标准将集群引入了不同的隧道照明分类中,尤其是划分每一个集群不同照明需求以及定义灯具之间不同的距离,从标准间距(cluster standard)的18米到连续灯具照明带(cluster premium)。


同时,这个标准还说明了在光效和色温、显色指数方面的不同需求。虽然显色指数并不是隧道灯最重要的指数,但是这个参数可以在隧道照明中增强不同信号颜色的显色效果。这对于驾驶员要快速识别红绿黄的信号灯转变是极其重要的。


对于LED照明而言,LED系统能够提供在入口段和中间段模拟调光功能,从而消除了关闭整个灯具组引起的路面亮度均匀性问题。当前LED隧道系统已经进入了智能照明阶段,可以实现驾驶员与灯具之间的信息交互。但是,现在还是存在一些技术问题,控制和支援的电路还需要集成在其中。一些隧道需要将智能驱动集成到灯具之中然而另一些则要求所有的电子部分安装在维修室或控制室内。两种方案都具有不同的优点,但是后者能够减少相应的维修工作量。


当前,在德国、奥地利以及瑞士地区(D-A-CH)的隧道灯具从CRI只有20-30的钠灯提升到CRI达到70-80同时色温在4000-4500K的LED灯具,甚至目前的一些项目需要光效超过110lm/W以及系统寿命超过80000小时的设备(同时系统失效率小于10%)。



不只是只有照度的技术规范

由于LED本身的发光原因,尤其是早期的LED灯具,其眩光的程度远远高于传统灯具,防止眩光就成为了一项重要的技术指标。


一些规范已经要求了阈值增量(threshold increment)最多只能增加8%甚至只有6%,更低的阈值增量意味着更低的眩光。阈值增量一般是指光幕亮度与地面亮度的相对关系,更低的光幕亮度与更高的地面亮度都可以有效地降低眩光。光幕亮度取决于灯具的光通量与光线分布。所以就有可能在最大化地面亮度的同时减小光幕亮度。


但是目前灯具制造商无法有效控制路面亮度系数q0,但是这个亮度系数决定了光照度(lx)与亮度(cd/ m2) 之间的关系。根据路面的表面材料不同,系数通常在0.05到0.07之间浮动。因此,亮度系数q0能够对亮度有30%的影响范围。而光照度也会相应地增加30%,这回导致更高的光幕亮度和阈值增量。


高光效的需求

光效(lm/W)作为一种能够表现LED灯具发光效率的参数,更高的光效代表着更高的发光效率。


对于中间段而言,对称式的布局会需要相同参数的隧道灯。同时,对于市场上大部分灯具而言,发光透射率都接近90%以及光线分布都可以提供相似的路面亮度。因此,这种条件下,光效就成为了最简单最直接能够决定整个灯具能效的方法。但是对于入口段和过渡段呢?


一般来讲,这些区域的灯具一般会安装有反射光线的灯具,其能够将光线以一种水平的角度反射到驾驶员。


由于特殊的光线反射的机制,这种反射光线的灯具能够远高于对称式分布灯具的亮度。因此,在过去这种灯具就一直作为入口段高效经济的选择。但是这种结构的灯具只能在入口段和过渡段使用,在中间段时反射光线会在8-15m的短距离之间产生过多的眩光,同时会造成光线 均匀性的问题。


反射光线的峰值在超过60度的区域之间,并且光线几乎只是固定在了一个方面。这种“光线弯曲”会导致反射损失以及透射率降低,灯具整体的光效也会降低。对于入口段和过渡段的灯具,这些反射光线的光效值并未计算在内。由于超过60度的反射光线会在照射路面时具有更多的亮度,而55度的光线则要小很多,尽管后者具有更高的发光透射率和光效。


除此之外,在垂直方向具有较高角度的峰值强度的光线并不一定会产生眩光。


因此,对于入口段,比表面功率密度(specific surface power density)可以作为一个描述隧道照明灯具发光效率的参数,其包括了已知的亮度、入口段和过渡段的长度、以及所有已安装灯具的能量消耗。


结论

几乎所有考虑LED灯具的新标准都会瞄准一个正确的方向,并会对于照明质量有一个稳定的技术提升。同时,这些技术要求也会促进LED照明系统朝着更加精确、安全、高效、可持续性的方向发展。当前最先进的灯具能够在8-12米的范围内提供超过0.95的纵向均匀性。这意味着在整个隧道之中,道路亮度将几乎没有变化,从而也消除了地面上的光线频闪。


目前,最新一代的隧道系统具有125lm/W的高光效照明,同时还将控制电路与灯具分离使得维护更加容易。但是仍然还有许多技术挑战需要人们在标准与规范上的共同努力。



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