Технологические проблемы в области профессионального освещения туннелей

Основная цель общего освещения туннелей — предотвращать несчастные случаи и повышать безопасность и комфорт для водителей, проезжающих или заезжающих в туннель, обеспечивая максимальную видимость любых объектов на дорожном покрытии.

CIE 88 — «Руководство по освещению дорожных туннелей и подземных переходов» — используется в качестве основы для многих национальных норм и стандартов. Оно делит туннель на разные зоны и устанавливает конкретные требования для каждой из них. В пороговой зоне требуются очень высокие значения яркости, чтобы облегчить адаптацию глаза водителя к более темному освещению туннеля по сравнению с более высоким уровнем внешнего освещения. Длина пороговой зоны определяется ограничением скорости на въезде в туннель, поскольку при более высокой скорости требуется более длинная пороговая зона. В следующей переходной зоне яркость дорожного покрытия постепенно уменьшается — до тех пор, пока не достигнет уровня освещенности внутренней зоны туннеля, что обеспечивает плавную адаптацию от высоких входных уровней до низких внутренних. Типичные значения с учетом коэффициента обслуживания 0,67 в первой половине пороговой зоны составляют около 150–300 кд/м², а во внутренней зоне — обычно 2–6 кд/м² (рис. 1).

Рис. 1. Кривая адаптации яркости в туннелях

В настоящее время признанными параметрами, характеризующими качество освещения в дорожных туннелях, являются общая и продольная равномерность освещения дорожного покрытия (в идеале без ярких и темных пятен), освещенность стен туннелей, предотвращение бликов, а также цветовая температура и цветопередача. В последние годы полупроводниковая технология достигла того состояния, когда светодиодное освещение стало убедительной альтернативой обычным туннельным светильникам с натриевыми лампами. И многие национальные стандарты сформировали требования к указанным параметрам в новом виде.

Новые стандарты, учитывающие возможности светодиодов

Кроме нормативно-правовых актов, например швейцарского федерального дорожного управления ASTRA (Bundesamt für Strassen), «Руководство по планированию» 2016 г. (PLaPB 800.562) австрийской компании ASFINAG стало одним из первых стандартов, специально предназначенных для использования потенциала, который предлагают системы светодиодного освещения туннелей. Оно ввело дополнительную классификацию освещения туннеля, регламентируя не только различные требования к освещению кластеров, но также определяя различные расстояния между светильниками, от 18 м («кластер стандарт», рис. 2) до непрерывной световой линии («кластер премиум», рис. 3). Кроме того, в нем приведены требования, касающиеся энергоэффективности, цветности освещения, а также цветопередачи. Цветопередача может показаться не самой важной темой в освещении туннелей, но с увеличением количества различной маркировки, использующей сигнальные цвета, в дорожных туннелях становится особенно важным иметь возможность быстро отличать желтый цвет от красного или синий от зеленого. И все же преимущества светодиодных систем по сравнению с обычными системами освещения выходят за рамки освещения с высокой цветопередачей, высокой светоотдачей и эффективным распределением света с помощью линзы. Светодиодные системы могут предложить аналоговое диммирование во внутренней и входной зонах, тем самым устраняя проблемы равномерности яркости на дорожной поверхности, вызванные отключением целых групп светильников. Современные светодиодные системы освещения туннелей уже превратились в интеллектуальные решения, которые сообщают о текущем состоянии светильника и драйвера (датчики температуры, измерение входного напряжения, связь по DALI). Однако по-прежнему продолжаются дискуссии о том, где должны быть интегрированы питание и управляющая электроника. Некоторые заказчики требуют, чтобы интеллектуальные драйверы были установлены внутри светильника, в то время как другие настаивают, чтобы вся электроника устанавливалась в служебных помещениях внутри туннелей или в диспетчерских пунктах на порталах туннелей. Оба эти решения имеют свои преимущества, например, второе минимизирует работы по техническому обслуживанию в пространстве, предназначенном для движения автомобилей. В целом, общие свойства и требования к туннельным светильникам в Германии, Австрии и Швейцарии сместились от оранжевого света с CRI 20-30 (обеспечиваемого натриевыми лампами) до 4000–4500 K с CRI 70 или даже 80 (светодиодное), а для некоторых текущих проектов требуется эффективность системы даже выше 110 лм/Вт в сочетании со сроком службы >80 000 ч (и менее 10% отказов за этот период).

Рис. 2. Туннельное освещение класса «кластер стандарт»

Рис. 3. Туннельное освещение класса «кластер премиум»

Требования к системе в целом

Но некоторые очень важные требования не могут быть выполнены исключительно светильником. В связи с тем что первые светодиодные светильники выглядели более яркими, чем обычные светильники, все более и более важной становилась защита от бликов. Некоторые правила уже требуют пороговое приращение яркости 8% или даже всего 6%, поскольку более низкое значение означает меньшее количество бликов. Пороговое приращение яркости определяется отношением вуалирующей яркости к яркости на поверхности дороги, таким образом, уменьшить блики можно, уменьшив вуалирующую яркость или увеличив яркость дороги. Вуалирующая яркость зависит от светового потока светильника и распределения света. Разработать светильники, максимизирующие яркость дороги, а также обеспечивающие относительно низкую вуалирующую яркость, возможно, но есть один ключевой фактор, который ни один производитель светильников не может контролировать — коэффициент яркости q0 дорожного покрытия, определяющий соотношение между освещенностью [лк] и яркостью [кд/м²] на поверхности дороги. В зависимости от класса дорожного покрытия коэффициент яркости обычно изменяется от 0,05 до 0,07. Таким образом, один только q0 может изменить значение яркости на дороге приблизительно на 30%. Из-за этого световой поток светильника необходимо увеличить на 30%, что приведет к более высокой вуалирующей яркости и увеличению порогового приращения яркости.

Требования к эффективности и способы их соблюдения

Требование, которое имеет смысл, но не всегда может привести к намеченным результатам, — это световая отдача, то есть «люмен на ватт». Этот параметр отлично описывает эффективность светодиодов, при этом более высокое значение гарантирует более эффективное использование электроэнергии. То же самое можно сказать и обо всех туннельных светильниках с симметричным распределением света, которые представляют основную часть светильников, используемых при освещении внутренней зоны. Поскольку значения светопропускания различной оптики, представленной на рынке, сопоставимы и почти всегда составляют 90%, а распределения света также обеспечивают почти всегда одинаковые значения яркости дороги, световая эффективность здесь является правильным и самым простым критерием для определения энергоэффективности всего светильника. Но как насчет светильников для пороговой и переходной зон?

Эти светильники обычно оснащены оптикой для встречного освещения, которая распределяет свет в узком угле в сторону водителя (рис. 4).

Рис. 4. КСС светильника встречного освещения

Благодаря такому распределению света система встречного освещения обеспечивает превосходные значения яркости по сравнению с симметричной оптикой (рис. 5). Таким образом, система встречного освещения, так же, как и в прошлом, необходима для экономичного и эффективного освещения в зонах входа в туннель. Однако ее можно использовать только в пороговой и переходной зонах из-за меньшего расстояния между светильниками в этих областях. Оптическая система встречного освещения во внутренней зоне с типичным расстоянием между светильниками от 8 до 15 м создавала бы слишком много бликов, а равномерность освещения не была бы сопоставима с равномерностью, получаемой благодаря симметричной оптике при таких расстояниях между светильниками. Как показано на рис. 4, максимальная сила света светильника встречного освещения может иметь место при вертикальном угле свыше 60°, и, что более важно, свет распространяется почти исключительно в одном направлении. Такой «поворот света» приводит к потерям на отражении и тем самым снижает значение светопропускания оптики, что приводит к уменьшению эффективности светильника. Однако, в случае светильников пороговой и переходной зоны, значение «люмен на ватт» не учитывает, что при одном и том же световом потоке светильник встречного излучения с лучом на уровне 60° и выше обеспечит гораздо более высокие значения яркости поверхности дороги по сравнению, например, с лучом на уровне 55°, хотя последний вариант может иметь более высокие параметры передачи света от светодиода до выхода из светильника и, следовательно, более высокую световую эффективность.

Рис. 5. Симметричное распределение света

Здесь также важно отметить, что оптика с максимальными значениями силы света при более высоких вертикальных углах не обязательно дает больше блеска.

Поэтому значением, которое лучше всего подходит для описания и нормирования требований к эффективности освещения входной зоны в туннель, будет отношение затрачиваемой мощности электроэнергии на освещение одного квадратного метра дороги, которое учитывает полученные значения яркости, длину пороговой и переходной зон и потребление электроэнергии всех установленных входных светильников встречного освещения.

Заключение

Почти все новые стандарты, разработанные с учетом потенциала светодиодных светильников, движутся в правильном направлении и приведут к устойчивому повышению качества освещения, что также приведет к более ощутимой и реальной безопасности, более высокой энергоэффективности и большей экологичности современных и будущих систем освещения туннелей. Поставщики систем освещения, такие как Swareflex, предлагают и разрабатывают новые решения, отвечающие современным требованиям, и открывают новые горизонты. Современные передовые светильники с оптикой из оптического стекла высшего сорта обеспечивают продольную однородность яркости более 0,95 при расстоянии между светильниками 8–12 м. Это означает, что значение яркости в середине полосы дорожного движения почти вообще не изменяется по длине туннеля, что практически полностью устраняет мерцание поверхности дороги. Последнее поколение трубчатых систем освещения предлагает до 125 лм/Вт, при этом светильник, находящийся в зоне движения, полностью отделен от электроники питания и управления, которые находятся в помещениях обслуживания. Но все же необходимо оспорить некоторые требования, так как не только технологии, но и правила должны постоянно развиваться.