"strasse und verkehr" 10/2013 - VSS

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DE FR strasse und verkehr NR. 10, oktober 2013 route et trafic N o 9, octobre 2013 Einführung der LED-Technologie Tunnelbeleuchtung im Umbruch Introduction à la technologie LED L’éclairage des tunnels est en pleine mutation Durch die rasante Entwicklung in den Bereichen Effizienz und Lebensdauer ist die LED- Technik in der Tunnel- und Strassenbeleuchtung zu einer wirklichen Alternative geworden. Das ASTRA sieht vor, die Lichtkonzepte bestehender Tunnel nach und nach im Rahmen von anfallenden Sanierungsarbeiten energie- und kostensparend anzupassen. LED unterscheidet sich grundsätzlich von der konventionellen Beleuchtungstechnik und hat viele Vorteile. Am Beispiel des Tunnels Lungern bringen die Spezialisten des ASTRA und des Eidgenössischen Instituts für Metrologie (METAS) Licht ins Dunkel. Von Paolo Maltese Dipl. El.-Ing. FH, Wirtschaftsing. EMBA FH, Fachbereichsleiter Gebiet 2 und Leiter Fachgruppe Betriebs- und Sicherheitsausrüstungen beim ASTRA Die lichtemittierende Diode (LED) hat längst Einzug in die moderne Beleuchtungstechnik gehalten. Dank der rasanten Entwicklung in den Bereichen der Effizienz und Lebensdauer ist die LED-Technik nun auch in der Tunnel- und Strassenbeleuchtung einsetzbar. Das ASTRA setzt seit 2012 ausschliesslich auf diese neue Beleuchtungstechnologie. So werden künftige Nationalstrassenprojekte, inkl. Projekte der Netzvollendung, sowie allfällige Beleuchtungen von Anschlüssen, Knoten und Beleuchtungsanlagen offener Strecken mit LED-Beleuchtungstechnik geplant und in diversen Tunneln (bei diversen Projekten) bereits umgesetzt. Grâce à son développement fulgurant en matière d’efficacité et de durée de vie, la technologie LED est devenue une véritable alternative dans le domaine de l’éclairage des routes et des tunnels. L’OFROU prévoit de modifier peu à peu les concepts d’éclairage dans les tunnels existants dans le cadre des travaux de remise en état à effectuer, afin d’économiser l’énergie et les coûts. La LED diffère fondamentalement de la technique d’éclairage conventionnelle et présente de nombreux avantages. Sur l’exemple du tunnel de Lungern, les spécialistes de l’OFROU et de l’Institut fédéral de métrologie (METAS) font toute la lumière. Von Marcel Berner Dipl. El.-Ing. HTL & MBA Fachspezialist Betriebs- Sicherheitsausrüstung, Experte in Beleuchtung, Lüftung & Nebenanlagen beim ASTRA La diode électroluminescente (LED) a fait son entrée depuis longtemps dans la technique d’éclairage moderne. Grâce à sa progression vertigineuse en matière d’efficacité et de durée de vie, la technologie LED est désormais également utilisable pour l’éclairage des routes et des tunnels. L’OFROU mise uniquement sur cette nouvelle technologie d’éclairage depuis 2012. Ainsi, les projets de route nationale, y compris les projets d’achèvement du réseau, l’éclairage des jonctions et des carrefours, ainsi que les dispositifs d’éclairage des tronçons à ciel ouvert, sont planifiés avec la technologie LED, qui est déjà mise en œuvre dans différents tunnels (dans le cadre de divers projets). lichen Lichtfarben erhältlich. Vorgänger der LED sind Dioden, die als Schalter oder Stromsperren in elektronischen Schaltungen eingesetzt wurden. Der Unterschied zwischen einer lichtemittierenden Diode und einer herkömmlichen Diode ist, dass die LED aus anderen, Licht ausstrahlenden Materialien besteht. Lichtemittierende Dioden haben eine sehr lange Lebensdauer, weshalb sie sich für den Einsatz in Tunnelbeleuchtungen besonders gut eignen. Für die Lebensdauer und den Lichtstrom spielen die thermischen Betriebsbedingungen eine grosse Rolle. Je besser die Wärme abgeführt werden kann, desto effizienter und länger können die LED betrieben werden. Standards in der Tunnelbeleuchtungstechnik Die Tunnelbeleuchtung setzt sich aus zwei wesentlichen Elementen zusammen: der Durchfahrtsbeleuchtung und der Adaptationsbeleuchtung. Die Durchfahrtsbeleuchtung soll dem Verkehrsteilnehmer eine genügende Sicht während der Fahrt durch den Tunnel gewährleisten. Sie wird als Lichtband oder mittels Einzelleuchten in grösseren Abständen ausgebildet. Als Leuchtmittel kamen bisher Fluoreszenzlampen (FL) oder Natrium-Hochdrucklampen (NaH) zum Einsatz. Die Adaptationsbeleuchtung sorgt dafür, dass sich bei der Einfahrt in den Tunnel das Sehvermögen des Verkehrsteilnehmers optimal an die dunkleren Lichtverhältnisse anpassen kann. Die Adaptationsbeleuchtung wird in Gegenverkehrstunnels jeweils über der Fahrspur in der Einfahrtsstrecke installiert. In Richtungsgetrennten Tunnelröhren mit mindestens zwei Fahrspuren pro Fahrtrichtung werden im Bereich der Ein- und Ausfahrtstrecke je eine Adaptationsbeleuchtung installiert. Die Beleuchtung am Ausfahrtsportal wird Gegeneinfahrtsbeleuchtung genannt. Diese kommt zum Beispiel bei Sperrungen für Sanierungsarbeiten zum Einsatz. Der gesamte Verkehr erfolgt dann nur durch eine Tunnelröhre. 1 | Gegenverkehrstunnel. 1 | Tunnel à circulation bidirectionnelle. nibles en différentes couleurs. Les ancêtres des LED sont des diodes qui étaient utilisées comme interrupteurs ou dispositifs de coupure de courant dans les circuits électroniques. La différence entre une diode électroluminescente et une diode traditionnelle réside dans le fait que les LED sont composées d’autres matériaux, qui émettent de la lumière. Les diodes électroluminescentes ont une très longue durée de vie et convient donc particulièrement bien à une utilisation dans les tunnels. Les conditions thermiques d’exploitation jouent un grand rôle pour la durée de vie et le flux lumineux des LED. Plus l’évacuation de la chaleur est bonne, plus l’exploitation des LED est efficace et durable. Standards techniques pour l’éclairage des tunnels L’éclairage des tunnels se compose de deux éléments centraux: l’éclairage de traversée et l’éclairage d’adaptation. L’éclairage de traversée doit garantir à l’usager de la route une vision suffisante durant son passage dans le tunnel. Il est constitué d’une rampe lumineuse ou de feux individuels espacés. Jusque-là, on utilisait come sources d’éclairages des lampes fluorescentes ou des lampes à vapeur de sodium haute pression (SHP). L’éclairage d’adaptation permet à l’usager de la route d’ajuster parfaitement sa vision aux conditions de plus grande obscurité lorsqu’il entre dans le tunnel. Dans les tunnels à circulation bidirectionnelle, l’éclairage d’adaptation est resp. installé audessus de la voie, sur le tronçon d’entrée. Dans les tunnels en galeries séparées comptant au moins deux voies par sens de circulation, un éclairage d’adaptation est resp. installé dans la zone d’entrée et de sortie. Appelé éclairage de portail de sortie, il est par exemple utilisé lors des fermetures pour cause de travaux de remise en état. Toute la circulation passe alors dans un seul tube. Dans les normes, on distingue l’éclairage symétrique et asymétrique, resp. l’éclairage à contre-flux. Avec l’éclairage sy- 2 | Richtungsgetrennte Tunnelröhren. 2 | Tunnels en galeries séparées. Funktionsweise LED Die LED ist ein elektronisches Bauteil, das ursprünglich zur Anzeige von Betriebszuständen bei elektrischen Geräten konzipiert und verwendet wurde. Seit etwa zehn Jahren wird LED auch als Lichtquelle zum Beispiel für Taschenlampen, Fahrradbeleuchtung usw. eingesetzt. Sie sind in unterschied- Fonctionnement des LED Une LED est un composant électronique initialement conçu et utilisé pour afficher les états de service sur les appareils électriques. Depuis une dizaine d’années, les LED sont également employées comme source lumineuse, par exemple pour les lampes de poche, l’éclairage des vélos, etc. Elles sont dispo- In den Normen wird zwischen symmetrischer, asymmetrischer resp. Gegenstrahlbeleuchtung unterschieden. Während bei der symmetrischen Beleuchtung (typisch für Strassenbeleuchtung) das Licht senkrecht nach unten strahlt, ist es bei der asymmetrischen leicht gegen den Fahrzeuglenker gerichtet. Die asymmetrische Adaptationsbeleuchtung verbessert die Sichtbarkeit von Fahrzeugen und Gegenständen auf der métrique (typique pour l’éclairage public), la lumière est diffusée verticalement vers le bas, alors qu’elle est légèrement orientée vers le conducteur avec l’éclairage asymétrique. Ce dernier améliore la visibilité des véhicules et des objets sur la chaussée, et permet des niveaux d’éclairage plus faibles. Dans les tunnels de l’OFROU, on installe en règle générale des éclairages d’adaptation asymétriques. Jusque-là, on em- 36 Fachartikel articles techniques Fachartikel articles techniques 37
strasse und verkehr NR. 10, oktober 2013 route et trafic N o 9, octobre 2013 3 | Symmetrische Beleuchtung. 3 | Éclairage symétrique. 4 | Asymmetrische Beleuchtung. 4 | Éclairage asymétrique. Fahrbahn und lässt geringere Beleuchtungsniveaus zu. In den Tunneln des ASTRA werden in der Regel asymmetrische Adaptationsbeleuchtungen realisiert. Für die Adaptationsbeleuchtung wurden bis anhin Leuchten mit Natrium-Hochdrucklampen (NaH) eingesetzt. Das Zusammenspiel zwischen Fahrbahn, Tunnelwänden und Beleuchtung muss als ein System betrachtet werden. Die Reflexionseigenschaften der baulichen Elemente sind Grundlage für die Dimensionierung einer Tunnelbeleuchtung. Die Tunnelwände müssen möglichst glatt und weiss beschichtet sein, wodurch das von den Leuchten ausgestrahlte Licht besser reflektiert wird. Helle Tunnelwände steigern die Effizienz der Beleuchtung und leisten einen wichtigen Beitrag zum Wohlbefinden des Fahrzeuglenkers und damit zur Sicherheit des Verkehrs. Ist die Oberfläche der Wände nicht glatt, sammelt sich bereits nach kurzer Betriebsdauer Schmutz, und die Wände werden dunkel. Dunkle Fahrbahnen und Wände erfordern mehr Leuchten und damit höhere Investitions- und Betriebskosten sowie einen höheren Energieverbrauch. Erfahrungen mit der LED-Technologie in Tunneln Seit dem Entscheid des ASTRA, nur noch LED einzusetzen, konnten schon einige Erfahrungen mit der LED-Technologie in Tunnelbeleuchtungsanlagen der Nationalstrassen gesammelt werden. Durchfahrtsbeleuchtung: Die Durchfahrtsbeleuchtung kann heute bereits mit LED- Technik realisiert werden. Aufgrund der hohen Lichtausbeute Anzeige ployait des lampes à vapeur de sodium haute pression (SHP) pour l’éclairage d’adaptation. L’interaction entre chaussée, parois du tunnel et éclairage doit être considérée comme un système. Le dimensionnement de l’éclairage d’un tunnel se base sur les propriétés de réflexion des éléments constructifs. Les parois du tunnel doivent avoir un revêtement aussi lisse et clair que possible afin de mieux réfléchir la lumière diffusée par les lampes. Les parois de tunnel claires augmentent l’efficacité de l’éclairage et contribuent de manière importante au bien-être du conducteur, et donc à la sécurité du trafic. Si la surface des parois n’est pas lisse, la saleté s’accumule rapidement et les parois s’assombrissent. Les chaussées et les parois sombres nécessitent plus de lampes et imposent donc des coûts d’investissement et d’exploitation supérieurs, avec une consommation énergétique plus élevée. Expérience acquise avec la technologie LED dans les tunnels Depuis que l’OFROU a pris la décision de ne plus utiliser que des LED, on a déjà pu acquérir une certaine expérience avec la technologie LED mise en œuvre dans les systèmes d’éclairage des tunnels sur les routes nationales. Éclairage de traversée: Dès à présent, l’éclairage de traversée peut être réalisé avec la technologie LED. Grâce au rendement lumineux élevé et des caractéristiques d’émission, le nombre de lampe peut être réduit. L’éclairage de traversée peut être réalisé soit par 5 | LED-Durchfahrtsbeleuchtung als Punktbeleuchtung im Tunnel Lungern (Foto: METAS). 5 | Éclairage ponctuel de traversée à LED dans le tunnel de Lungern (photo: METAS). und Abstrahlcharakteristik kann die Anzahl Leuchten reduziert werden. Die Durchfahrtsbeleuchtung kann entweder als Lichtband oder auch als Punktbeleuchtung realisiert werden. Für Überbrückungsmassnahmen können Einsätze für Fluoreszenzlampen durch solche für LED ersetzt werden. Dies wurde bereits erfolgreich im Tunnel Fratten auf der N3 am Walensee ausgeführt. Adaptationsbeleuchtung: Die LED-Technologie wird in der Adaptationsbeleuchtung eingesetzt. Da jedoch Leuchten mit den geforderten Abstrahlungscharakteristiken noch nicht auf dem Markt erhältlich sind, müssen Zwischenlösungen installiert werden. In der Vergangenheit wurden für die Adaptationsbeleuchtung Natrium-Hochdruckleuchten (NaH) eingesetzt. Die erhältlichen Lampenleistungen (50 W bis 400 W) weisen eine hohe Energieeffizienz auf. Je höher die erforderliche Leistung, desto höher ist die Energieeffizienz. Üblicherweise werden in der Adaptationsbeleuchtung Leuchtmittel mit einer Leistung von 100 bis 250 W eingesetzt. NaH-Leuchten sind in symmetrischen und asymmetrischen Ausführungen bei mehreren Herstellern erhältlich. Die LED-Technologie in der Adaptationsbeleuchtung weist noch nicht diese Energieeffizienz aus, da diese mit der Höhe der erforderlichen Lichtleistung sinkt (Wärmeentwicklung verringert die Lichtleistung). Gegenwärtig werden mit der LED-Technologie ca. 100 bis 105 lm/W erreicht. Zum Vergleich: bei der NaH-Technik werden bis 120 lm/W erreicht, die Energieeffizienz ist also bei NaH heute noch höher als une rampe lumineuse, soit par un éclairage ponctuel. Pour des mesures transitoires, les appliques pour lampes fluorescentes peuvent être remplacées par des appliques pour LED, ce qui a déjà été fait avec succès dans le tunnel de Fratten, sur la N3, près du lac de Walenstadt. Éclairage d’adaptation: La technologie LED est employée pour l’éclairage d’adaptation. Toutefois, comme on ne trouve pas encore sur le marché de lampes présentant les caractéristiques d’émission requises, il faut mettre en place des solutions intermédiaires. Dans le passé, on utilisait des lampes à vapeur de sodium haute pression (SHP) pour l’éclairage d’adaptation. Les puissances disponibles (50 à 400 W) ont une grande efficacité énergétique. Plus la puissance requise est élevée, plus l’efficacité énergétique est grande. Pour l’éclairage d’adaptation, on utilise habituellement des lampes d’une puissance de 100 à 250 W. Les lampes SHP sont disponibles auprès de plusieurs fabricants, en construction symétrique et asymétrique. Pour l’éclairage d’adaptation, la technologie LED n’atteint pas encore cette efficacité énergétique ; en effet, l’efficacité énergétique baisse à mesure que le rendement lumineux requis augmente (le dégagement de chaleur réduit le rendement lumineux). Actuellement, la technologie LED permet d’atteindre env. 100 à 105 lm/W, alors que la technologie SHP atteint 120 lm/W; son efficacité énergétique est donc encore supérieure à celle des LED. Mais la technologie LED a deux avan- 38 Fachartikel articles techniques Fachartikel articles techniques 39
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