公路隧道節(jié)能照明運(yùn)行方案

段 偉

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 合肥 231603)

0 引 言

隧道照明設(shè)計(jì)參數(shù)主要有洞外亮度L20、設(shè)計(jì)行車時速、交通量、隧道平縱線形等。在其他條件(包括車速、交通量)相同的情況下，設(shè)計(jì)參數(shù)洞外亮度L20選取文獻(xiàn)[1]中的估算表格上限值6 000 cd/m2，而實(shí)際測算需要洞外亮度L20為4 000 cd/m2，則兩者設(shè)備費(fèi)相差33.3%，年耗電量相差達(dá)1/3。為了使隧道照明功率符合實(shí)際需要，文中對安徽省高速公路多個隧道的交通量及洞外亮度設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 交通量調(diào)查

在高速公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，隧道的出入口段由于洞內(nèi)外亮度存在較大差異，其照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要取決于洞外亮度；而在隧道基本段照明，由于駕駛員已經(jīng)適應(yīng)了隧道內(nèi)的行車環(huán)境，因此，主要依據(jù)交通量來合理控制照明系統(tǒng)的運(yùn)行[2]。安徽省若干隧道路段交通量情況見表1。

表1 隧道路段交通量統(tǒng)計(jì)表 輛

通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出中遠(yuǎn)期內(nèi)高速公路隧道的交通量在300～2 000輛/h之間，因此在隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如果采用大于2 000輛/h的交通量來設(shè)計(jì)，則會帶來建設(shè)資金和運(yùn)營費(fèi)用的大量浪費(fèi)，在新建高速公路隧道及改造項(xiàng)目中，建議采用配電線路一次設(shè)計(jì)，變電設(shè)備和照明設(shè)備分期實(shí)施的原則，從而達(dá)到安全節(jié)能的目的。

2 洞外亮度應(yīng)用研究

2.1 照明需求K值法

文中對高速公路隧道入口段照明的基本設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究。K值法常用于計(jì)算入口段亮度，K值等于入口段亮度與洞外亮度的比值[3]。

因?yàn)樗淼廊肟诙涡枰訌?qiáng)照明，這一區(qū)域的照明需求適用K值法進(jìn)行計(jì)算，在設(shè)計(jì)入口段亮度時取洞外亮度的設(shè)計(jì)值，即L20，公式如下

(1)

式中：Lth----入口段亮度/(cd·m-2)；

K----入口段亮度折減系數(shù)；

L20----洞外亮度/(cd·m-2)。

2.2 洞外亮度L20

作為隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)之一，洞外亮度L20的正確設(shè)定對工程投資和運(yùn)營電費(fèi)都有極大的影響。不同洞外亮度L20取值情況下，加強(qiáng)照明能耗相對百分比如圖1所示(以4 000 cd/m2為100%作為參照)[4]。

圖1 洞外亮度與加強(qiáng)照明能耗關(guān)系圖

由圖1可見，洞外亮度L20對隧道能耗影響相當(dāng)大，這也給節(jié)能帶來了相當(dāng)大的空間。

隧道洞外亮度L20在隧道照明設(shè)計(jì)階段無法實(shí)測得到，設(shè)計(jì)者一般根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的洞外亮度取值查詢表獲取，見表2。

表2 洞外亮度取值查詢表

當(dāng)土建施工的隧道洞口成型后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對洞外亮度L20進(jìn)行實(shí)測，如果設(shè)計(jì)的L20值與實(shí)際值誤差大于±25%時，必須對設(shè)計(jì)值進(jìn)行修正。一般按實(shí)測結(jié)果進(jìn)行修正，大部分隧道的照明規(guī)格可下調(diào)10%以上。

2.3 亮度折減系數(shù)

亮度折減系數(shù)一般也是按查表法獲取，見表3[5]。

表3 亮度折減系數(shù)取值K查詢表

根據(jù)一般情況，以雙車道單向交通限速80km/h為例，若設(shè)計(jì)交通量大于等于2 400輛/h時，其入口段的亮度折減系數(shù)為0.035。

另外，亮度折減系數(shù)的取值還取決于公路的行車速度，在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，行車速度參數(shù)一般取道路的設(shè)計(jì)時速。然而，國內(nèi)外研究表明，駕駛員在進(jìn)入山區(qū)道路后，由于彎道、隧道等較多，注意力將比在開闊道路上更加集中，速度也會有所減慢，在日本、俄羅斯的同類研究中,此項(xiàng)減速約有30%左右[6]。

3 照明運(yùn)行分析

隧道照明最優(yōu)燈具組合方案一般考慮燈具光源性能、道路照明質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保性、投資與運(yùn)營費(fèi)用等因素。其中投資與運(yùn)營費(fèi)用主要從燈具購置安裝費(fèi)用、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用、運(yùn)營用電費(fèi)用等進(jìn)行考慮，公式表示為

Pt=PL+Pm+Pe,

(2)

式中:Pt----照明總費(fèi)用;

PL----燈具購置安裝費(fèi)用;

Pm----維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用;

Pe----運(yùn)營用電費(fèi)用。

高壓鈉燈運(yùn)營用電為每單位550元，LED燈為每單位2 000元，無極燈為每單位2 000元；高壓鈉燈無國家政策補(bǔ)貼，LED燈國家政策補(bǔ)貼每單位1 000元，無極燈為每單位500元。綜合折算后,高壓鈉燈每單位成本為550元，LED燈每單位為1 000元、無極燈為每單位1 500元。

根據(jù)全國高速公路調(diào)研數(shù)據(jù)，每單位高壓鈉燈每6個月維護(hù)一次的人工費(fèi)和材料費(fèi)需要100元;每單位LED燈每年維護(hù)一次的人工費(fèi)和材料費(fèi)需要120元，電費(fèi)價格為0.8元/(kW·h)。

我們進(jìn)行隧道各段布燈方式模擬混合燈具組合實(shí)驗(yàn)，實(shí)際道路照明質(zhì)量數(shù)據(jù)顯示對比結(jié)果如下[7]:

1)入口段：LED>LED+高壓鈉燈>LED+無極燈>高壓鈉燈>高壓鈉燈+無極燈>無極燈;

2)中間段：LED>LED+高壓鈉燈> 高壓鈉>LED+無極燈>無極燈>高壓鈉燈+無極燈;

3)出口段：LED>LED+高壓鈉燈>高壓鈉燈+無極燈>高壓鈉>LED+無極燈>無極燈。

根據(jù)初期燈具投資、后期燈具維修、 照明電費(fèi)費(fèi)用，進(jìn)行5.5、13.5、16、25 年照明費(fèi)用統(tǒng)計(jì)分析，LED+無極燈的投資隨著時間的推移優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來[8]，如圖 2 所示。

高速公路隧道照明系統(tǒng)的亮度設(shè)計(jì)必須按照文獻(xiàn)[1]中規(guī)定和參數(shù)的設(shè)置要求進(jìn)行，這也是行業(yè)規(guī)范發(fā)展的硬性要求。對于在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時參數(shù)取值過高而造成設(shè)計(jì)規(guī)格過高的情況，我們需要在高速公路隧道照明工程中通過加強(qiáng)對設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的管理，完善參數(shù)的修正方案，做到最優(yōu)設(shè)計(jì)[9]。

4 結(jié) 語

高速公路隧道照明系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時一般考慮到中長期的照明需求，因此，進(jìn)行了一些必要的冗余設(shè)計(jì)，作為隧道運(yùn)營管理者必須轉(zhuǎn)變思想，并不是要求設(shè)計(jì)建設(shè)時安裝的所有照明設(shè)備全部運(yùn)行才能滿足照明需求，這其中有一部分是為將來交通量增長、燈具光衰等情況設(shè)計(jì)考慮的。對于這些隧道照明系統(tǒng)，可以合理細(xì)化照明設(shè)備，隨著交通量的增長、燈具光衰的加大等因素，逐步投入使用。