公路隧道照明節(jié)能方法探析

訾愛(ài)新

（天津市道橋處第二橋梁管理所 天津 300011）

公路隧道照明節(jié)能方法探析

訾愛(ài)新

（天津市道橋處第二橋梁管理所 天津 300011）

本文介紹了公路隧道照明的影響因素，并結(jié)合現(xiàn)階段我國(guó)公路隧道照明中存在的問(wèn)題，從技術(shù)、規(guī)范、設(shè)計(jì)、管理等方面對(duì)公路隧道節(jié)能方法提出了幾點(diǎn)建議。

隧道照明；節(jié)能；LED燈

截至2013年，我國(guó)公路隧道共11359處，全長(zhǎng)960.56× 104m。其中，特長(zhǎng)隧道562處、250.69×104m，長(zhǎng)隧道2303處、393.62×104m[1]。我國(guó)隧道里程不斷增加，規(guī)模不斷擴(kuò)大。而保障公路隧道的運(yùn)行，需要安全可靠的照明。

節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境是我國(guó)的基本國(guó)策。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展必須建立在低碳、節(jié)能、環(huán)保的基礎(chǔ)之上。隧道照明系統(tǒng)，是公路隧道最大的能耗系統(tǒng)之一，是運(yùn)營(yíng)中最主要的開(kāi)支。

保障行車安全和節(jié)約使用電能，是公路隧道照明的兩個(gè)重要目標(biāo)。但我國(guó)的公路隧道還存在著諸多問(wèn)題，如照明規(guī)范不標(biāo)準(zhǔn)、照明控制方法節(jié)能效率低下、照明設(shè)施未得到妥善養(yǎng)護(hù)、耗能過(guò)大等?，F(xiàn)結(jié)合我國(guó)隧道照明的實(shí)際問(wèn)題，對(duì)我公路隧道照明節(jié)能方法進(jìn)行研究。

1 公路隧道照明的影響因素

公路隧道照明受多方面的因素影響，主要有所在地的環(huán)境、隧道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、隧道其他相關(guān)設(shè)施。

1.1 隧道所在地的環(huán)境

公路隧道照明受自然環(huán)境的影響，其中包括所在地的氣候帶、海拔高度、光照時(shí)間、光照長(zhǎng)度、周圍的植被和地勢(shì)。其中，日照強(qiáng)度是隧道照明的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)隧道洞外亮度L20(20)起著決定性作用。

1.2 隧道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

公路隧道的斷面尺寸、洞門型式、洞門的方位朝向以及洞內(nèi)裝飾、路面的材料都會(huì)影響隧道的照明。隧道的斷面面積越大，就越需要更多的照明設(shè)施及相關(guān)配套設(shè)備。隧道的洞門型式、洞門的方位朝向以及洞口的裝飾，會(huì)影響自然光的照射面積。照明效果也受到洞內(nèi)裝飾材料和路面材料的反射系數(shù)的影響。

1.3 隧道其他相關(guān)設(shè)施

隧道的視頻監(jiān)控、交通事故的處理、火災(zāi)的防范及撲滅工作等都需要照明設(shè)施提供良好的照明條件。

2 當(dāng)前照明存在的問(wèn)題

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的隧道照明沿著功能型—節(jié)能型—智能型—人性化的方向發(fā)展，基本上實(shí)現(xiàn)了智能化的照明，部分已經(jīng)處于智能型向人性化的過(guò)渡階段。目前我國(guó)的隧道照水平還比較低，正處于由功能型向節(jié)能型的轉(zhuǎn)換過(guò)程[2]。同國(guó)外先進(jìn)的照明技術(shù)相比，我國(guó)公路隧道照明存在著如下突出的問(wèn)題。

2.1 現(xiàn)有的照明標(biāo)準(zhǔn)有待完善，節(jié)能規(guī)范不適合實(shí)際國(guó)情

我國(guó)現(xiàn)行的《JTJ026.1-1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》和《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的許多標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前公路隧道照明的實(shí)際情況。規(guī)范中，隧道照明設(shè)計(jì)方法、洞外亮度L20(S)參考取值、各照明段亮度指標(biāo)等需要進(jìn)一步的修正和完善。規(guī)范中的照明燈具因具有耗電大、壽命短、相應(yīng)慢、有污染等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前的隧道照明節(jié)能減排和自動(dòng)控制的要求，例如高壓鈉燈和熒光燈。

2.2 照明控制方法節(jié)能效率低

手動(dòng)控制模式、分時(shí)段進(jìn)行的時(shí)序控制模式和分級(jí)控制模式是國(guó)內(nèi)目前對(duì)隧道照明設(shè)備的控制方式[3]。這三種控制方法都無(wú)法使洞內(nèi)的照明亮度與外界自然光的亮度相適應(yīng)，且都不能連續(xù)調(diào)光，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，存在照明的浪費(fèi)。以分級(jí)控制模式為例，這種方式是最常用的方案。在設(shè)計(jì)階段各種參數(shù)只是以最大值考慮，照明亮度的分級(jí)只能做到2～3級(jí)人工或自動(dòng)控制，導(dǎo)致“過(guò)度照明”或“無(wú)效照明”。

2.3 運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，照明設(shè)施未得到妥善的養(yǎng)護(hù)

運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，公路隧道照明燈具會(huì)出現(xiàn)光的衰減，尤其是在公路隧道的出口段或者是靠近出口段的端口的地方，這是由于附著在光源和燈具表面的塵埃和油污會(huì)降低光的透射和反射能力，光源自身也會(huì)衰減和失效。實(shí)際的公路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，也存在著對(duì)隧道照明燈具養(yǎng)護(hù)不到位，不及時(shí)的現(xiàn)象。由于對(duì)燈具的養(yǎng)護(hù)不到位，導(dǎo)致照明水平很低，路面的可視度變差，從而導(dǎo)致的交通事故[4]。

2.4 現(xiàn)有節(jié)能方法效率低下

國(guó)內(nèi)公路隧道照明節(jié)能方法已經(jīng)在實(shí)際的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)中應(yīng)用。例如通過(guò)使用新型的照明燈具來(lái)代替原有能耗大、有污染的燈具，更換隧道內(nèi)的路面的材料而提高反射率的方法來(lái)改變洞內(nèi)的環(huán)境，改變照明基礎(chǔ)設(shè)施的布局（如縮短供電電纜長(zhǎng)度、合理設(shè)置配電放的位置）等。但是，現(xiàn)有的節(jié)能方法的節(jié)能效果有限，仍存在節(jié)能的空間。與此同時(shí)，由于有些節(jié)能方式影響了正常的隧道運(yùn)營(yíng)，導(dǎo)致照明給安全行車和有效的監(jiān)控帶來(lái)問(wèn)題[5]。

3 公路隧道照明節(jié)能方法

結(jié)合隧道照明的影響因素和實(shí)際存在的問(wèn)題，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面采取措施。

3.1 準(zhǔn)確測(cè)量周圍環(huán)境參數(shù)

公路隧道照明設(shè)計(jì)中，周圍環(huán)境中最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)包括洞外亮度L20(S)、交通量、設(shè)計(jì)速度。

照明需求會(huì)隨著洞外亮度L20(S)的增大而加大[6]。洞外亮度L20(S)受到當(dāng)?shù)氐募竟?jié)、天氣、時(shí)段、隧道朝向、洞門構(gòu)造、植被、路面顏色等有關(guān)的影響[3]。洞外亮度L20(S)不能夠盲目的使用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，在實(shí)際調(diào)查和理論分析的基礎(chǔ)上確定合理的數(shù)值。通過(guò)降低洞外亮度L20(S)的方式可以減少照明需要的亮度，可以采用的措施包括洞口山坡繪圖或改變洞內(nèi)結(jié)構(gòu)等。

在設(shè)計(jì)速度相同的情況下，供電量會(huì)隨交通量的增大而增大。高速公路的交通量隨其運(yùn)營(yíng)的時(shí)間而變化，運(yùn)營(yíng)初期的交通量普遍小于預(yù)測(cè)的交通量。因此，要對(duì)公路不同時(shí)期的交通量進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)測(cè)，并對(duì)公路隧道照明系統(tǒng)根據(jù)近、遠(yuǎn)期交通量分期設(shè)計(jì)和實(shí)施。

公路隧道的照明會(huì)隨著設(shè)計(jì)速度的變化而變化。設(shè)計(jì)安全合理的速度也可以實(shí)現(xiàn)照明的節(jié)能。當(dāng)設(shè)計(jì)速度較大時(shí)，隧道不同照明段的照明長(zhǎng)度和亮度應(yīng)相應(yīng)的增加。

3.2 優(yōu)化照明設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用先進(jìn)的節(jié)能理論

現(xiàn)行的規(guī)范和相應(yīng)參數(shù)，應(yīng)根據(jù)我國(guó)公路隧道發(fā)展的實(shí)際情

況進(jìn)行修訂和完善，以適應(yīng)當(dāng)前公路隧道照明的發(fā)展。

現(xiàn)在比較好的節(jié)能理論和方法有，洞外亮度L20(S)精確測(cè)試方法及洞口減光措施、基于中間視覺(jué)理論的照明設(shè)計(jì)方法、隧道照明顯色性與照度、亮度之間的關(guān)系及光源的等效亮度、智能照明控制技術(shù)、節(jié)能光源和節(jié)能燈具的應(yīng)用等[5]。

3.3 使用新型的照明燈具，合理布置照明燈具，采用先進(jìn)的隧道照明控制和管理系統(tǒng)，并加強(qiáng)照明設(shè)施的的養(yǎng)護(hù)。

3.3.1 使用新型的照明燈具

相關(guān)規(guī)范中對(duì)于隧道照明燈具應(yīng)滿足的要求給出了明確的規(guī)定，其中包括防護(hù)等級(jí)不低于IP65、配光合適、眩光少、穩(wěn)定性高等。保障正常的照明的同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和減少其它設(shè)施的能源消耗的目的，與照明相關(guān)的電氣設(shè)備(如電纜、機(jī)房等)也應(yīng)該合理布局、質(zhì)量?jī)?yōu)良[7]。國(guó)內(nèi)隧道燈具多采用白熾燈、緊湊型熒光燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈等，大多存在光帶窄、能耗高、質(zhì)量差、壽命短等問(wèn)題[5]。高壓鈉燈是目前通用的公路隧道照明燈具，同比其他一般使用的燈具相比性質(zhì)較好，但其發(fā)黃光，導(dǎo)致隧道照明的視覺(jué)效果不佳，并影響行車安全[5]。新型的節(jié)能照明燈具有電磁感應(yīng)無(wú)極燈(簡(jiǎn)稱無(wú)極燈)、LED燈。無(wú)極燈具有無(wú)電極、壽命長(zhǎng)、光衰低、高效節(jié)能的特性。LED燈是功耗低、壽命長(zhǎng)、抗震動(dòng)、無(wú)輻射的節(jié)能環(huán)保型光源[5]。

3.3.2 照明燈具的布置

隧道照明燈具的布置除考慮光源特性外，還要考慮空間環(huán)境的影響、維修方便性等因素。不同的布燈方式，會(huì)影響其燈具的數(shù)量和養(yǎng)護(hù)工作。研究表明，中間布置比雙側(cè)布置效率高，雙側(cè)交錯(cuò)布置比雙側(cè)對(duì)稱布置效率高[4]。帶狀光源的照明效果好于點(diǎn)狀光源[8]。

因光線交替變化和人的視覺(jué)適應(yīng)性的需要，入口段和出口段相比中間段的燈具的密度和照度要大，這是隧道照明燈具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題。選擇合適的燈具及其安裝角度，可以通過(guò)隧道頂棚、墻壁和路面之間的多次反射，增大頂棚和墻壁的反光比，提高隧道照明反射光增量系數(shù)，達(dá)到節(jié)電的目的[3]。在隧道引入段及過(guò)渡段采用減光棚，可以使洞口處的亮度隨戶外天空的照度變化而自動(dòng)變化，內(nèi)外同步變化和自然過(guò)渡，從而達(dá)到節(jié)能的目的[8]。

3.3.3 采用先進(jìn)的隧道照明管理方法，并加強(qiáng)照明設(shè)施的養(yǎng)護(hù)。

公路隧道照明控制過(guò)程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洞內(nèi)外環(huán)境的變化，其中包括洞內(nèi)的光照強(qiáng)度、洞內(nèi)的光照強(qiáng)度、現(xiàn)有交通量及平均行車速度、洞外光線的變化趨勢(shì)等，從而實(shí)時(shí)改變燈具的光照強(qiáng)度。先進(jìn)的隧道照明管理方法能夠?qū)崿F(xiàn)洞內(nèi)亮度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，提供安全可靠節(jié)能的照明條件，模糊神經(jīng)控制方法和無(wú)級(jí)調(diào)光控制法是比較先進(jìn)的方法。模糊調(diào)光控制方法，利用模糊控制來(lái)連續(xù)的精確改變光照強(qiáng)度，不僅可以提高照明舒適度，而且可以減少電能的浪費(fèi)；無(wú)級(jí)調(diào)光控制法是一個(gè)系統(tǒng)工程，能夠?qū)崿F(xiàn)“按需照明”，具有延長(zhǎng)使用壽命、控制簡(jiǎn)單、節(jié)省投資、應(yīng)急狀態(tài)的照度均勻度高等優(yōu)點(diǎn)。重慶大學(xué)設(shè)計(jì)的LED隧道照明智能控制系統(tǒng)，采用多種調(diào)光手段相配合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)精確地連續(xù)調(diào)光，但調(diào)光面對(duì)的實(shí)際情境比較少，還需要進(jìn)一步的改善[9]。

根據(jù)隧道所在地的空氣污染程度和進(jìn)出車流量，定期清潔燈具。在清潔時(shí)候，檢查光源和附件有無(wú)損壞，還要調(diào)整照明控制裝置。總之，制定科學(xué)合理的照明管理維護(hù)計(jì)劃，使照明系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)，達(dá)到照明和節(jié)能的雙重目的。

3.4 改善隧道內(nèi)部的環(huán)境

路面和墻壁的反射系數(shù)、燈具直射光在路面和墻壁的光通分配比，共同影響公路隧道照明反射增量系數(shù)，從而影響照明效果。

水泥混凝土路面的反射率比瀝青路面的反射率高，水泥混凝土路面比瀝青混凝土路面節(jié)能30%，公路隧道應(yīng)該盡可能的采用水泥混凝土路面。但是并不是隧道的所有路面都要采用水泥混凝路面，這是由于在此路段處鋪設(shè)這種路面會(huì)提高洞外亮度L20 (S)，這樣會(huì)需要增加隧道內(nèi)的照明強(qiáng)度，故此路段而是以鋪設(shè)瀝青混凝土路面或彩色路面作為替代。研究表明，在公路隧道OGFC-13路面結(jié)構(gòu)中摻加10%～15%的玻璃珠，這種路面有效的抗滑、降噪、阻燃、反光[4]，在實(shí)際的公路修建過(guò)程中也可以考慮使用此種路面。

除了可以通過(guò)使用合適的路面材料來(lái)提高路面的反射系數(shù)外，還可以通過(guò)改變隧道墻壁反射性的方式來(lái)增加環(huán)境的亮度和可視性，例如側(cè)面涂白或者在墻面鋪設(shè)瓷磚。經(jīng)照度測(cè)試,發(fā)現(xiàn)隧道涂白段和沒(méi)有涂白段地面照度相差10%左右，行車司機(jī)可增加對(duì)道路兩側(cè)的視認(rèn)度，隧道全程涂白的效果更好[8]。墻面鋪貼瓷磚可以保障墻面反射效果，山西省雁門關(guān)等隧道墻面通過(guò)進(jìn)行鋪貼瓷磚改造，有效的提高了洞內(nèi)的平均亮度[10]。

3.5 使用清潔、綠色能源

通過(guò)使用綠色能源和技術(shù)，即可以節(jié)省電能，又可以降低發(fā)電設(shè)備的配置和成本。在公路隧道照明中，可以通過(guò)太陽(yáng)能、風(fēng)能、壓力發(fā)電，也可以使用光纖照明。河北韓郭公路小梁東隧道應(yīng)用了國(guó)內(nèi)最大的太陽(yáng)能公路隧道照明系統(tǒng)，吉林省朝長(zhǎng)公路花園隧道是國(guó)內(nèi)第一座應(yīng)用太陽(yáng)能智能LED照明系統(tǒng)的公路隧道[11]。在安徽六潛高速公路獅子尖隧道應(yīng)用了風(fēng)光互補(bǔ)供電技術(shù)。

3.6 協(xié)調(diào)處理好照明設(shè)施和其它設(shè)施的關(guān)系

除照明設(shè)施外，公路隧道的機(jī)電設(shè)施還包括通風(fēng)、消防、供配電、監(jiān)控等機(jī)電設(shè)施[12]。公路隧道照明節(jié)能的同時(shí)，還應(yīng)該保障其他機(jī)電設(shè)施的正常運(yùn)作。以監(jiān)控設(shè)施為例，目前國(guó)內(nèi)隧道普遍采用非紅外線攝像頭，隧道內(nèi)部能見(jiàn)度很低，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)控，從攝像頭到監(jiān)視器之間大量設(shè)備在也夜間并不會(huì)因?yàn)楣庹諒?qiáng)度過(guò)低而停止工作，這樣就造成了能源的浪費(fèi)[13]。在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合隧道在安全、監(jiān)控、節(jié)能及所能提供便利等方面，使隧道各系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

3.7 提高管理科學(xué)化水平

公路隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)部門，應(yīng)提高節(jié)能環(huán)保意識(shí)，統(tǒng)一規(guī)劃，綜合使用各種方法實(shí)現(xiàn)公路隧道隧道照明節(jié)能，同時(shí)加強(qiáng)內(nèi)部管理，提高管理運(yùn)營(yíng)效率，降低運(yùn)營(yíng)成本。與此同時(shí)，還要積極借鑒各地高效的照明管理方法，加強(qiáng)合作，不斷提高節(jié)能水平。

4 結(jié)語(yǔ)

公路隧道照明節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，需要從技術(shù)、規(guī)范、設(shè)計(jì)、管理等方面入手。隧道照明節(jié)能必須保障駕駛員行車安全，這是節(jié)能工作的基礎(chǔ)。公路隧道照明是公路能源消耗最多的設(shè)施之一，公路隧道照明節(jié)能減排的實(shí)現(xiàn)，將會(huì)對(duì)公路交通運(yùn)輸節(jié)能減排工作的深入開(kāi)展起到典型示范的作用。

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訾愛(ài)新(1974—)，男，工程碩士學(xué)位，所長(zhǎng)，主要從事橋梁和隧道的養(yǎng)護(hù)、維修以及相關(guān)設(shè)施管理工作。