高速公路隧道群照明節(jié)能方案的設(shè)計(jì)應(yīng)用

亢若伏

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650011）

1 概述

近年來，我國(guó)的公路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，全國(guó)各地的高速公路建設(shè)項(xiàng)目日益增多，其中，隧道耗電占高速公路運(yùn)營(yíng)中的很大一部分，在實(shí)際營(yíng)運(yùn)中電能的浪費(fèi)十分嚴(yán)重，營(yíng)運(yùn)過程中為了節(jié)約電能產(chǎn)生了照明與行車安全和隧道監(jiān)控之間的矛盾等問題。在高速公路建設(shè)中采用隧道節(jié)能照明技術(shù)可以節(jié)約電能，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高高速公路的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范

根據(jù)國(guó)家《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于長(zhǎng)度超過100 m的隧道應(yīng)設(shè)計(jì)照明，照明設(shè)計(jì)的基本要求如下：

隧道分成入口段、過渡段、中間段、出口段等部分，根據(jù)規(guī)范，各個(gè)段有其規(guī)定的最低亮度要求。

入口段亮度可按下式計(jì)算：

式中，Lth：入口段亮度，cd/m2；

K：入口段亮度折減系數(shù)，可根據(jù)規(guī)范查表取值；

L20（S）：洞外亮度，cd/m2；

過渡段由TR1、TR2、TR33個(gè)照明段組成，其中：

中間段的照明也根據(jù)規(guī)范查表取值，中間段照明只和車速、車流量有關(guān)，而和洞外亮度無關(guān)。

3 設(shè)計(jì)方案

長(zhǎng)沙至重慶公路通道湖南境內(nèi)常德至吉首分為兩段：一段為常德至懷化段，簡(jiǎn)稱常德懷化段；另一段為威爾懷化至吉首段，簡(jiǎn)稱吉首段。

湖南省常德至吉首高速公路常德、懷化段隧道照明系統(tǒng)共包括郭家溪隧道、梅子譚隧道、鄧家灣隧道、地穆庵隧道、殿會(huì)坪隧道、牛兒埡隧道、清水沖隧道、土江沖隧道、朱良溪隧道、青龍尖隧道、青山崗隧道、豆子坪隧道、櫻桃灣隧道等共計(jì)13個(gè)隧道的照明。隧道凈寬9.75 m，設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h，凈高5.0 m。

隧道照明節(jié)能的應(yīng)用是在確保安全的前提下，實(shí)現(xiàn)隧道照明的有效節(jié)能。隧道照明取值與車速、車流量、洞外光照有密切的關(guān)系。

3.1 調(diào)整照明系統(tǒng)參數(shù)

為滿足遠(yuǎn)期（至2020年）交通流量的需求，根據(jù)隧道內(nèi)水泥路面改瀝青路面的實(shí)際變化和當(dāng)前節(jié)能降耗的社會(huì)需要，并滿足隧道內(nèi)照度指標(biāo)，而合理調(diào)整照明參數(shù)。

3.1.1 洞外照度

原設(shè)計(jì)取值4 000 cd/m2，根據(jù)目前隧道路面和洞口的實(shí)際變化和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量平均值，調(diào)整后取值3 000 cd/m2。

3.1.2 入口亮度折減系數(shù)

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ 026.1－1999》的要求和入口亮度折減系數(shù)表，當(dāng)交通流量為1 305輛/h，且行車速度為80 km/h；按照內(nèi)插法進(jìn)行計(jì)算，入口段亮度折減系數(shù)計(jì)算如下：

（1 305－700）×（0.035－0.025）/（2 400－700）＋0.025＝0.029原設(shè)計(jì)文件取值0.035，調(diào)整后取值0.029。

3.1.3 入口段設(shè)計(jì)亮度

根據(jù)《規(guī)范》要求，調(diào)整后入口段亮度為：

原設(shè)計(jì)文件取值140 cd/m2，調(diào)整后取值87 cd/m2。

3.1.4 過渡段I設(shè)計(jì)亮度

根據(jù)《規(guī)范》要求，入口段亮度取值方式為：

原設(shè)計(jì)文件取值42 cd/m2，調(diào)整后取值26 cd/m2。

3.1.5 過渡段II設(shè)計(jì)亮度

過渡段II的亮度為L(zhǎng)tr2＝0.1Lth＝0.1×87＝8.7；取值為8.7 cd/m2。

原招標(biāo)文件取值14 cd/m2，現(xiàn)調(diào)整后取值8.7 cd/m2。

3.1.6 基本段亮度折減系數(shù)

過渡段 III的亮度為 Ltr3＝0.035Lth＝0.035×87＝3.045；取值為3 cd/m2。

原招標(biāo)文件取值4.5 cd/m2，現(xiàn)調(diào)整后取值3 cd/m2。

3.1.7 出口段設(shè)計(jì)亮度

根據(jù)《規(guī)范》要求，出口段亮度取值方式為：

出口段亮度為：2.9×5＝14.5 cd/m2，取值為14.5 cd/m2。

原設(shè)計(jì)文件取值22.5 cd/m2，調(diào)整后取值14.5 cd/m2。

3.1.8 亮度取值

根據(jù)以上計(jì)算，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)亮度指標(biāo)進(jìn)行了如下調(diào)整，調(diào)整指標(biāo)如下：

入口亮度折減系數(shù)：原設(shè)計(jì)文件取值 0.035，調(diào)整后取值0.029。

入口段設(shè)計(jì)亮度：原設(shè)計(jì)文件取值140 cd/m2，調(diào)整后取值87 cd/m2。

過渡段I設(shè)計(jì)亮度：原設(shè)計(jì)文件取值 42 cd/m2，調(diào)整后取值 26 cd/m2。

過渡段II設(shè)計(jì)亮度：原設(shè)計(jì)文件取值14 cd/m2，調(diào)整后取值 8.7 cd/m2。

基本段設(shè)計(jì)亮度：原設(shè)計(jì)文件取值4.5 cd/m2，調(diào)整后取值2.9 cd/m2。

出口段設(shè)計(jì)亮度：原設(shè)計(jì)文件取值22.5 cd/m2，調(diào)整后取值14.5 cd/m2。

3.2 應(yīng)用節(jié)能設(shè)備

常吉高速公路短隧道數(shù)量多，燈具照明占很大比例，用電負(fù)荷較大，在建設(shè)期間考慮照明節(jié)能控制方案，才能保證隧道后期運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益。

3.2.1 節(jié)能控制裝置

由于燈具及設(shè)備用電負(fù)荷大，燈具用電量占主要，為了有效降低能耗，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)，圍繞節(jié)能降耗的原則，提出了增加照明節(jié)能裝置。

（1）電壓和照度的關(guān)系。氣體放電燈具需要一定的啟動(dòng)電壓（220 V公稱電壓）和啟動(dòng)時(shí)間（5～10 min），當(dāng)氣體放電燈正常發(fā)光后，在燈具電壓允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)降低燈具兩端的工作電壓，燈具的功率會(huì)大幅度的下降，但照度不會(huì)隨著電壓的下降而成比例的下降，即照度變化不大的特點(diǎn)，適度的降壓，既保證了照明的質(zhì)量，又大幅度節(jié)約了電能消耗。人的生理特性：天暗以后，瞳孔放大，而過高的電壓容易產(chǎn)生眩光，人體感覺極不舒適。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電壓每下降10%，光照度下降3%～5%。

（2）智能照明控制系統(tǒng)工作原理。智能照明控制系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 智能照明控制系統(tǒng)工作原理圖

其工作原理如下：

t0 to t1：從 200 V 起軟啟動(dòng)：2 min 30 s′′。

t1 to t2：以慢斜坡方式升至220 V：5 min。

t2 to t3：燈具工作在220 V額定電壓下（電子穩(wěn)壓器）。

t3 to t4：發(fā)出“節(jié)能”指令，緩慢降至節(jié)能電壓水平：10 min。

t4 to t5：燈具工作在節(jié)能電壓下（185～195 V）。

t5 to t6：發(fā)出“節(jié)能關(guān)”指令，電壓升至額定電壓水平：10 min。

t6 to t7：設(shè)備在220 V穩(wěn)壓狀態(tài)下工作至關(guān)機(jī)。

3.2.2 節(jié)能燈應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)隧道燈具多采用白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等，大多存在光帶窄、能耗高、質(zhì)量穩(wěn)定性差、壽命短等問題。目前，無極燈、LED燈等新產(chǎn)品引起了人們的日益關(guān)注。這些產(chǎn)品應(yīng)用于隧道照明，除滿足隧道對(duì)燈具光效、光通量、壽命及工作特性、光色、顯色性和配光控制難易程度等主要要求外，還能節(jié)約運(yùn)行和維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

在隧道洞口，引導(dǎo)路燈與隧道洞口的景觀需要考慮協(xié)調(diào)性，尤其是光源顯色性，高壓鈉燈發(fā)的光視覺偏黃，無極燈發(fā)的光與熒光燈發(fā)的光一樣，視覺效果偏白，感觀效果好。而且，無極燈的損壞率低，壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以有效解決維護(hù)困難的場(chǎng)所，減少維護(hù)頻次和費(fèi)用，節(jié)約今后的運(yùn)營(yíng)成本。因此，將路燈燈頭250 W高壓鈉燈調(diào)整為200 W無極燈，進(jìn)一步降耗節(jié)能。

4 節(jié)能應(yīng)用測(cè)算

4.1 優(yōu)化照明參數(shù)和燈具的測(cè)算

本次工程原設(shè)計(jì)燈具功率合計(jì)1 783.25 kW，經(jīng)過降低照度等照明參數(shù)、更換無極燈等節(jié)能措施后，燈具減少33.42%（指隧道內(nèi)高壓鈉燈）；本次工程燈具功率合計(jì)為1 579.60 kW，功率減少了203.65 kW，功率降耗百分比為11.42%。同時(shí)相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也有較大幅度的降低，其中運(yùn)營(yíng)期間的電費(fèi)將比原設(shè)計(jì)降低約9.13%，可年節(jié)省電費(fèi)856 290.70元，節(jié)省燈具維護(hù)費(fèi)用109 480元，照明優(yōu)化年節(jié)約費(fèi)用總計(jì)965 770.70元，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

其中，年節(jié)省電費(fèi)＝功率降耗量×24小時(shí)×365天×0.75元×60%的開燈時(shí)間；

節(jié)省燈具維護(hù)費(fèi)用＝節(jié)省燈具總數(shù)×40元/年套；

優(yōu)化年節(jié)約費(fèi)用＝年節(jié)省電費(fèi)＋節(jié)省燈具年維護(hù)費(fèi)用。

每度電按0.75元計(jì)算。

4.2 增加照明節(jié)能控制裝置的測(cè)算

按照設(shè)計(jì)，整個(gè)常吉高速公路小隧道照明設(shè)備容量約1 595.69 kW，預(yù)計(jì)每年耗電1 378.9萬(wàn)度左右（1 596 kW×24小時(shí)×30天×12月≈1 378.9萬(wàn)度/年），以每度電0.75元計(jì)算，每年電費(fèi)消耗約1 197萬(wàn)元，按60%的時(shí)間開燈，電費(fèi)支出1 197×60%＝712.8萬(wàn)元，因此，在運(yùn)營(yíng)期間存在巨大的電費(fèi)支出。

安裝隧道照明節(jié)能裝置后，其節(jié)電率在 20%～40%（節(jié)電率和燈具類型、燈具老化程度、線路饋電電壓等因素有關(guān)），以平均節(jié)電率為20%，每度電為0.75元計(jì)算，年平均節(jié)約電費(fèi)為：

平均節(jié)電費(fèi)＝年耗電費(fèi)×0.75元×節(jié)電率20%（節(jié)電率按20%計(jì)算）＝1 197×20%＝206.8萬(wàn)元

按以上的測(cè)算可知，整個(gè)常吉高速公路小隧道照明可節(jié)約近300萬(wàn)元電費(fèi)，效益相當(dāng)可觀。

由于安裝智能照明調(diào)控裝置后，照明線路品質(zhì)得到明顯改善，同時(shí)大幅降低燈具損壞的故障發(fā)生率，由此而節(jié)約的維修費(fèi)用也相當(dāng)可觀。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于科學(xué)地設(shè)置了照明參數(shù)、調(diào)整了燈具使用的方案、應(yīng)用新的節(jié)能燈具如無極燈和智能照明節(jié)電裝置等一系列措施，使得該隧道的照明系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯的節(jié)電效益，預(yù)計(jì)高速公路開通運(yùn)行時(shí)實(shí)際的節(jié)能率在20%以上，將給隧道運(yùn)營(yíng)方帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此，隧道節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用前景和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值非常可觀。

［1］陳亮，陳卓，陶品.高速公路隧道照明節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)交通信息產(chǎn)業(yè)，2007（1）：123～125.

［2］包桂鈺.平定高速公路隧道照明節(jié)能技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐［J］.中國(guó)交通信息產(chǎn)業(yè)，2007（11）.

［3］陳曉陽(yáng).高速公路隧道照明光源及綜合節(jié)能系統(tǒng)研究［D］.華南理工大學(xué)，2010.