公路建設的發展，特別是山區高速公路建設的發展，帶來了公路隧道在規模和長度上的快速增長。據不完全統計，目前我國公路隧道建設里程已突破2500km。與此同時，隧道運營能耗問題，特別是隧道照明能耗問題，已顯得越來越突出，對構建安全和和諧交通環境構成嚴重影響。
以安徽省交通投資集團有限責任公司下屬黃塔桃高速公路和六武高速公路為例，即可充分說明問題。
安徽省黃塔桃( 黃山至塔嶺和小賀至桃林) 高速公路是國家高速公路干線網中京臺( G3) 高速公路和杭瑞( G56) 高速公路的重要組成部分。路線全長51. 3km。其中起點至小賀段長17. 5km，為雙向6車道，設計速度100km/h，路基寬度33. 5m; 小賀至桃林和小賀至塔嶺兩段分別長18. 5km 和15. 3km，為雙向4 車道，設計速度80km/h，路基寬度24. 5m。
全線共設置15 處隧道，單洞全長28. 3km，占全線的27. 6%。如采用高壓鈉照明系統，隧道照明燈具總功率達2076kW，日耗電費約2. 1 萬元，年耗電費約7580 萬元。
安徽省六武高速公路是國家新規劃的滬漢蓉高速公路( G42) 的重要路段。路線全長90. 9km，為雙向4 車道，設計車速100km/h，路基寬度26m。
全線共設置8 處隧道，單洞全長18. 4km，占全線的10. 1%。如采用高壓鈉照明系統，隧道照明燈具總功率達1734kW，日耗電費約1. 7 萬元，年耗電費約6330 萬元。
如何響應國家節能減排的號召，在隧道照明方面最大限度地節能，是山區高速公路建設和營運急待解決的問題。
1 隧道節能照明方式
目前，隧道照明可采用的燈具有高壓鈉燈、熒光燈、高頻無極燈、LED 燈等。其中，高壓鈉燈和熒光燈基于氣體放電，無極燈基于氣體放電和高頻電磁感應的結合，LED ( Light Emitting Diode) 即半導體發光二極管基于注入式電致發光。
高壓鈉燈是我國目前高速公路隧道照明主要采用的燈具。但新型LED 燈具有高效節能、使用壽命長、維護方便、工作電壓范圍寬、工作溫度低、綠色環保等顯著優點，是目前高速公路隧道照明強有力的競爭產品。國際上單芯片大功率白光LED 在技術和標準上發展較為成熟，以其為光源的燈具是市場上的主流產品。本次調研和比選的結果限于該類型燈具( 表1) 。
2 LED 節能照明集成技術
公路隧道照明節能技術應體現出集成性和原創性，重點通過“環境節能、模式節能、控制節能”三大環節實現。
( 1) 控制內外環境實現基礎性節能。一是洞外環境的把握，要求測定現場洞外亮度，制定洞外減光措施，復核完工后的洞外亮度，進行具針對性的照明設計和實施前的設計修正，切實控制隧道照明節能上的洞外環節。二是洞內環境的營造，要求結合洞內裝飾，以分段的方式采在洞內涂料上采用高反光材料、自發光材料等，實現功能與形式的完美結合。
( 2) 優選照明模式實現核心層節能。包括照明光源的選擇( 高壓鈉燈、高頻無極燈、LED 燈等及其組合) 、照明方式的選擇( 隧道長≤100m、≤300m、≤1000m、> 1000m 條件下， “不設照明、誘導照明、標準照明”等的論證) 、照明參數的選擇。
( 3) 建立控制系統實現高端級節能。針對洞外亮度、洞內交通量和行車速度對洞內亮度的影響特點，洞內照明控制系統擬由以洞外亮度為標準的無級控制和以洞內交通量和行車速度為標準的分級控制組成。
根據在控制系統與LED 照明技術的結合上取得的突破性研究成果，以洞外亮度為標準的無級控制由0 ～ 5V 低壓信號實現。0V 和5V 分別對應燈具最大和最小功率，即燈具的最大和最小照度。白天，初始系統控制電壓設至5V，置燈具在最小功率狀態下。此后，系統控制電壓隨洞外亮度的增大或降低而相應降低或增大，控制燈具照度和洞內亮度的增大或降低。直至轉換為夜間照明模式。
以黃塔桃高速公路為例，初步測算通過“環境節能”和“模式節能”環節，可實現隧道照明節能約50%。用電功率降至1044kW 減少1032kW，每年節省用電費用約377 萬元。如再通過“控制節能”環節，可進一步降低照明能耗。
3 LED 照明燈具的實用性
使LED 燈具在適當密度下的照度滿足隧道各段，尤其是加強段亮度要求，在應用中受到重點關注。其中，LED 的發光效率起到關鍵作用。
( 1) LED 技術近年快速發展，商業產品發光效率不斷提高，已達100 ～ 140Lm/W，基本突破大功率、高照度與小體積之間的實用技術瓶頸。
( 2) LED 燈具采用白色LED 為光源，顯色指數超過80Ra。在實用中，較低亮度可達到顯色指數低的光源的同樣照明效果，即等效亮度。如與顯色指數60Ra，照度相對值1. 6 的高壓鈉燈比較，顯色指數80Ra，照度相對值1. 41 的LED 燈采用的亮度標準可為其的1. 41 /1. 6 = 0. 88 倍。
4 LED 照明燈具的可靠性
LED 燈具在公路隧道照明中還處于試驗階段，市場上無統一的定型產品，在型式、組織、結構、標準上參差不齊。調研和實驗的初步結果表明，針對LED技術特點，對公路隧道LED 燈具的質量和結構提出控制要求是十分必要的。
( 1) LED 模塊品質的可靠性。兩種情況下認為LED 模塊品質不可靠，一是在正常工作環境下LED模塊突然失效，二是在正常工作環境下LED 模塊短時間內嚴重光衰。要求控制貨源以保證質量，制定標準并實施檢測。
( 2) LED 燈具回路的可靠性。LED 模塊組合方式有串聯、并聯和串并聯三種，要求以恒流源供電的串聯電路為基礎，輔助以并聯斷路導通技術，以保證LED 燈具各回路的可靠性。
( 3) LED 燈具散熱的有效性。LED 燈具良好的散熱可為模塊提供持續穩定的工作環境，在防止LED模塊工作性光衰，控制LED 模塊壽命性光衰上起關鍵作用。由此要求LED 燈具應注意“優化結構，加強散熱，保持低溫”。
( 4) LED 燈具壽命的協調性。LED 燈具壽命雖然以LED 模塊50000h 光衰< 30% 為基礎，但同時也受到燈具導熱件、鋁基板、電路板、反射器等部件的影響。由此要求LED 燈具應做到“燈具結構模塊化，光源電源分離式”。
5 LED 照明系統的經濟性
仍以黃塔桃高速公路為例，初步測算工程總計需安裝LED 燈具總計9458 盞，其中50W 燈具7192 盞，100W 燈具632 盞，200W 燈具1634 盞。與先期設計的鈉燈照明系統相比，計如供配電設施的綜合建設費用分別為7685 萬元和7357 萬元，一次性投入增加4. 6%，計328 萬元。
對LED 照明系統的經濟性應綜合分析，正確認識。主要可由以下幾方面考慮。
( 1) LED 燈具價格較高，增加了系統建設費用;但LED 燈具功耗較低，縮小了系統規模，降低了建設費用。
( 2) LED 燈具在功耗和壽命上的優勢，極大地降低了營運期間的耗電費用和維護費用。與系統實施后每年直接節省用電費用約377 萬元相比，一次性投入增加328 萬元是值得的。
( 3) LED 模塊發光效率在不斷地提高，建設費用將更向著有利于LED 系統的方向傾斜。
( 4) 合理取值和精細設計是LED 照明系統體現節能優勢并具備經濟價值的關鍵。高壓鈉燈照明系統等也是研究節能集成技術的理想平臺。在環境、模式和控制等節能環節中，LED 照明系統在發光效率、顯色指數、電源效率、燈具效率、利用系數、養護系數、使用壽命等方面的優勢逐步積累，形成系統優勢。對有些細微、不確定或相互關聯的因素把握不到，往往會得不到正確的結論。
6 LED 照明技術標準
( 1) LED 技術處于快速發展之中，但LED 模塊和LED 隧道燈具的質量控制標準參差不齊，給LED技術的推廣應用造成諸多困惑。統一完善相關標準，保證該項技術健康發展的工作正在進行之中。
( 2) 交通部《公路隧道通風照明設計規范》
( JTJ 026. 1 - 1999) 對LED 照明技術還未制定具體標準和規定，采用LED 照明技術不得不套用相關高壓鈉燈，由此限制了其特點的有效發揮。修正完善相應規范，促進該項技術合理使用的工作也在進行之中。
7 工程試驗
7. 1 研究內容
安徽省合銅黃高速公路黃榜嶺隧道左、右線單洞長均近500m。2007 年8、9 月，在黃榜嶺隧道左、右線單洞內分別安裝了高壓鈉燈和LED 燈進行對比試驗。
( 1) 分析研究國內外照明技術，結合國家標準和規范，制定黃榜嶺隧道LED 照明總體方案。
( 2) 分析計算隧道洞外亮度及各照明段功率密度，確定LED 照明燈具功率、型式及布置等。
( 3) 根據LED 光源特點，研究確定LED 照明燈具導熱件、鋁基板、電路板、反射器等。
( 4) 分析研究光源照度實時控制系統、控制線路線損補償裝置，解決電路抗干擾問題。
( 5) 安裝調試、驗證對比試驗隧道的LED 照明系統。測試效果、跟蹤運行，總結改進。
7. 2 研究結論
( 1) 左線LED 燈滿負荷總功率49. 3kW，年耗電費17 萬元; 右線高壓鈉燈相應為115. 7kW 和53 萬元。LED 燈能耗較高壓鈉燈降低，年節電費36 萬元。
( 2) LED 光線顯色指數較高壓鈉燈極大提高，夜間照明效果明顯提高。其對隧道照明設計亮度參數的影響值得進一步研究。
( 3) LED 燈具價格較高壓鈉燈高，但如在設計階段即采用LED 系統，則其對供、配電設備的低功率要求可進一步對建設費用產生有利影響。
試驗項目對LED 照明技術及光源實時控制技術的綜合應用取得了積極的成果，為進一步在黃塔桃高速公路和六武高速公路上進行公路隧道LED 節能照明系統建設奠定了基礎( 圖2) 。 圖2 黃塔桃高速公路中村南隧道LED 照明系統
8 結語
( 1) LED 照明技術應用于公路隧道照明是一項科學和嚴謹的工作，要求系統把握該項技術特點，真正理解技術的節能所在，否則將得到“實用不節能”或“節能不節錢”的結果。
( 2) 借助既有研究成果和實踐經驗，并通過進一步系統研究和解決LED 照明技術中存在的關鍵問題，黃塔桃高速公路和六武高速公路得以全面開展以LED 照明技術為核心的隧道照明系統建設，率先實現了這一隧道照明節能技術的大范圍應用。
( 3) 隧道LED 照明系統建設具有研究和開拓的特點，要求跨行業和多專業的合作、系統設計與產品生產的對應、相關標準的統一以及相應規范的完善。
( 4) LED 照明技術在安徽省合銅黃高速公路上的對比試驗和在黃塔桃高速公路和六武高速公路上的大范圍應用，打開了公路隧道照明技術的新局面，在技術創新上表現出質的突破，并使安徽省因此進入這一技術研究和應用的先進行列。
