公路隧道照明燈具利用系數(shù)研究

楊 超，程 翠

(華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院, 江西 南昌 330013)

公路隧道照明燈具利用系數(shù)研究

楊 超，程 翠

(華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院, 江西 南昌 330013)

燈具利用系數(shù)是隧道照明設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化中計算路面水平照度的一個重要參數(shù)，提高燈具利用系數(shù)有利于提高路面的平均照度。但目前使用該參數(shù)時，多數(shù)采用燈具利用系數(shù)曲線或設(shè)為定值，造成計算誤差。為了得到能根據(jù)燈具配光數(shù)據(jù)和布燈參數(shù)變化的利用系數(shù)，建立了隧道照明燈具利用系數(shù)計算模型，并依據(jù)此模型，分析了利用系數(shù)與布燈高度、布燈橫向偏移距離及布燈仰角的變化規(guī)律。仿真算例表明，所建利用系數(shù)模型正確，用于布燈參數(shù)優(yōu)化時，比利用系數(shù)取定值時的結(jié)果更準(zhǔn)確，照明系統(tǒng)也更節(jié)能。此模型適用于中央布燈、拱頂側(cè)偏布燈、交錯布燈和對稱布燈形式燈具利用系數(shù)的計算。

隧道照明；利用系數(shù)；布燈參數(shù)

引言

燈具利用系數(shù)是指工作面或規(guī)定的參考平面上，直接或經(jīng)相互反射接收的光通量與照明裝置全部燈具發(fā)射的額定光通量總和之比，是燈具效率、燈具光強分布、空間幾何特征和空間結(jié)構(gòu)表面反射系數(shù)的函數(shù)，是照明設(shè)計的一個重要指標(biāo)?！豆匪淼勒彰髟O(shè)計細則》(JTG/J D70/2-01—2014)給出了采用燈具利用系數(shù)曲線圖計算隧道路面平均水平照度的方法[1]，但計算精度不高；文獻[1]沒有給出燈具布燈參數(shù)發(fā)生變化時的計算方法。季佳俊[2]仿真研究了LED燈與高壓鈉燈不同布燈形式、不同高度、不同間距對燈具利用系數(shù)的影響規(guī)律；韓文元等[3]在固定燈具安裝高度、橫向安裝距離和安裝仰角的情況下，對20種不同的公路隧道照明燈具的利用系數(shù)進行了測試，得出了公路隧道照明燈具利用系數(shù)的取值范圍。在隧道照明優(yōu)化設(shè)計過程中，當(dāng)燈具配光曲線、燈具布置參數(shù)發(fā)生變化時，文獻[2-3]給出的方法均無法應(yīng)用。為了簡化計算，國內(nèi)隧道照明設(shè)計和布燈參數(shù)優(yōu)化研究中，通常直接根據(jù)燈具的利用系數(shù)曲線[4]或取燈具利用系數(shù)為某一固定值[5-7]進行計算，帶來設(shè)計、計算上的誤差。更多的隧道照明節(jié)能研究文獻則避開燈具利用系數(shù)。

在隧道照明優(yōu)化設(shè)計中，為了能夠根據(jù)燈具配光曲線和布置參數(shù)實時調(diào)整燈具利用系數(shù)，本文將建立基于隧道照明燈具的配光數(shù)據(jù)和布燈參數(shù)的利用系數(shù)模型，研究其與燈具安裝高度、橫向安裝距離、安裝仰角的關(guān)系，并進行優(yōu)化仿真驗證。

1 單個燈具利用系數(shù)

計算隧道路面水平照度時，路面的有效光通量等于燈具利用系數(shù)η0與照明燈具發(fā)射的額定光通量之積。對于同一個系列的燈具，往往具有相同或相近形狀的配光曲線。

1.1 隧道路面的有效光通量

當(dāng)燈具的類型、安裝高度、安裝仰角、隧道路面寬度、隧道墻壁材料的反光系數(shù)[8-9]等發(fā)生變化時，路面的有效光通量也會發(fā)生變化。隧道照明燈多為方口燈，假設(shè)其投射到地面的照明區(qū)域亦為四邊形(或近似四邊形)。圖1所示為隧道照明布燈的橫截面示意圖。圖中，d為隧道路面的寬度(m)；d1為燈具中心到路面中心線的水平距離(偏移距離，m)；A表示燈具中心位置；AO為燈具垂線；AO1為燈具光軸線；ξ為燈具在Y方向的仰角(rad)；B和C分別為隧道側(cè)壁與路面的交點位置；D和E分別為隧道側(cè)壁上距離地面2 m高的位置；Y方向為隧道橫向，Z方向為隧道高度方向。只考慮一次反射，則一個燈具在隧道路面產(chǎn)生的有效光通量Φe(lm)由燈具直接照射到路面的光通量Φd(lm)和經(jīng)隧道墻壁反射的光通量Φf(lm)組成，即Φe=Φd+Φf。Φf包括隧道側(cè)壁高度2 m以內(nèi)光通量的反射量和2 m以外光通量的反射量。

圖1 燈具照明布燈橫截面示意圖Fig.1 Cross-section diagram of tunnel luminaire distribution

圖2為隧道布燈立體角計算圖，其中，X方向為隧道縱向，θ為水平角(rad)，γ為垂直角(rad)。BC和DE分別為隧道側(cè)壁與路面相交線，BCDE為燈具射出的光線在隧道路面上形成的照明區(qū)域；B′C′和D′E′分別為隧道側(cè)壁2 m高處與燈具光線的相交線，B′、C′、D′、E′分別為燈具以發(fā)光角射出的光線與B′C′和D′E′的交點；γ1和γ3分別為燈具投射到BC和B′C′上的光線AF和AF′與光軸線AO1的夾角；γ2和γ4分別為燈具投射到DE和D′E′上的光線AG和AG′與光軸線AO1的夾角(圖中未標(biāo)出)；θ11和θ12分別為燈具仰角方向的光線投射到C、B點時在配光剖面C0/180(θ=0)兩側(cè)形成的水平角；θ21和θ22分別為燈具仰角反方向的光線投射到D、E點時在配光剖面C0/180(θ=π)兩側(cè)形成的水平角；θ31和θ32分別為燈具仰角方向的光線投射到C′、B′點時在配光剖面C0/180(θ=0)兩側(cè)形成的水平角；θ41和θ42分別為燈具仰角反方向的光線投射到D′、E′點時在配光剖面C0/180(θ=π)兩側(cè)形成的水平角。

圖2 隧道布燈立體角計算圖Fig.2 Solid angle calculaticn diagram of tunnel luminaire distribution

根據(jù)文獻[10]，結(jié)合圖1和圖2，可得利用燈具配光曲線計算光通量的表達式。

1) 燈具產(chǎn)生的總光通量Φ(lm)為

2) 燈具照射到隧道側(cè)壁上光通量Φ1(lm)為

3) 燈具照射到隧道2 m以上側(cè)壁上的光通量Φ2(lm)為

式(1)～(3)中，Ic(γ,θ)為燈具在水平角為θ和垂直角為γ處的光強(cd)；γ1～γ4分別按式(4)～(7)計算；θ11～θ42分別按式(8)～(15)計算。

式中，h為燈具安裝高度(m)；h′=h-2；K1=d/2+d1，K2=d/2-d1；α1、α2分別為燈具在X方向和-X方向的發(fā)光角度(rad)。

燈具直接照射到隧道路面的光通量為Φd=Φ-Φ1，燈具照射到隧道側(cè)壁2m以內(nèi)墻面的光通量為ΔΦ1=Φ1-Φ2。設(shè)隧道側(cè)壁2m以內(nèi)部分的墻壁反光系數(shù)為ρ1，2 m以外部分的墻壁反光系數(shù)為ρ2，則一個燈具在路面產(chǎn)生的有效光通量為

式(1)～(16)不適用于逆光照明的計算。

1.2 單個燈具利用系數(shù)

根據(jù)燈具利用系數(shù)的定義得

可以看出，燈具的利用系數(shù)與燈具的配光曲線、布燈參數(shù)有關(guān)，不宜設(shè)為固定值。

2 多個燈具的利用系數(shù)

假設(shè)多個燈具縱向安裝間距、安裝高度、橫向偏移距離、安裝仰角、燈具型號、功率均相同，在隧道某個區(qū)域內(nèi)安裝了N個燈具，區(qū)域兩端的燈具光通量有一部分投射到區(qū)域之外；只考慮區(qū)域兩端的燈具投射到區(qū)域之外的光通量損失，則有

對于中央布燈、拱頂側(cè)偏布燈和交錯布燈形式，k=1；對于兩側(cè)對稱布燈形式，k=2。當(dāng)研究區(qū)域為隧道中某兩個縱向相鄰的燈具之間的路面區(qū)域時，可取一個燈具的利用系數(shù)η0,1作為研究區(qū)域路面上的利用系數(shù)η0。

3 布燈參數(shù)對利用系數(shù)的影響

3.1 算例隧道

以江西九景高速公路雁列山隧道作為研究對象[11]，該隧道為雙洞單向交通設(shè)計，由1號、2號兩座隧道構(gòu)成，全長3 352 m，其中1號隧道長1 533 m，2號隧道長1819 m，隧道路寬10.25 m，凈高7.425 m，行車道寬8.5 m，設(shè)有人行檢修道，設(shè)計交通量(1 200輛/h，設(shè)計車速80 km/h。以2號隧道為例，其隧道中間段長度約為1 383 m。參照文獻[7]，隧道墻面2 m高范圍內(nèi)鋪設(shè)反光系數(shù)為0.86的材料，即ρ1=0.86，其余部分為水泥混凝土面，反光系數(shù)為0.24～0.31[2]，本文取0.275，即ρ2=0.275。

3.2 燈具選擇

采用雷士照明LED燈系列，燈具型號為NHLED101～NHLED103，α1=α2=π/3，發(fā)光效率為100 lm/W，配光曲線形狀見文獻[7]。

3.3 利用系數(shù)與布燈參數(shù)的關(guān)系

1) 中央布燈形式。根據(jù)文獻[7]，取N=156，燈具安裝高度h的變化范圍為4.5 m～7 m。利用公式(18)可得照明系統(tǒng)的利用系數(shù)隨高度h的變化情況如圖3所示?？梢钥吹剑惭b高度為4.5 m時，利用系數(shù)為0.942，隨著燈具安裝高度的增大，照明系統(tǒng)的利用系數(shù)減小，從提高燈具光通量利用系數(shù)的角度來看，燈具的安裝不宜過高。圖3中還給出了ρ1=0.782時照明系統(tǒng)的利用系數(shù)。當(dāng)反光材料的反光系數(shù)從0.782提高到0.86時(提高幅度10%)，利用系數(shù)的提高幅度在0.745%～1.183%之間?？梢姡捎酶叻瓷渎什牧嫌兄谔岣咚淼纻?cè)壁的亮度，但提高利用系數(shù)的效果不顯著。

圖3 中央布燈η0與h的關(guān)系Fig.3 Relationship between η0 and h of central luminaire distribution

2) 拱頂側(cè)偏布燈形式。取N=156，燈具安裝高度h的取值范圍為4.5 m～6 m，燈具偏移隧道中心線的距離(側(cè)偏距離)d1=0～2 m，燈具安裝仰角0～30°。利用公式(18)可得利用系數(shù)隨h、d1和ξ的變化情況。圖4所示為燈具安裝高度固定為6 m時，利用系數(shù)隨d1和ξ的變化情況。從圖4可以看到，安裝高度固定時，不同的側(cè)偏距離，對應(yīng)最大利用系數(shù)的燈具安裝仰角不同；d1=0時，對應(yīng)最大利用系數(shù)的安裝仰角也為0。

圖4 h=6 m時η0隨d1和ξ的變化情況Fig.4 Changing of η0 with d1 and ξ while h=6 m

圖5所示為側(cè)偏距離固定為1 m，安裝高度取4.5 m～6 m時利用系數(shù)隨燈具安裝仰角的變化情況?？梢钥闯觯?dāng)燈具安裝偏離路面中心線時，一定要有安裝仰角，適宜的安裝仰角可提高燈具利用系數(shù)。

圖5 d1=1 m時η0隨h和ξ變化的情況Fig.5 Changing of η0 with h and ξ while d1=1 m

兩側(cè)交錯布燈和兩側(cè)對稱布燈形式，都可以根據(jù)側(cè)偏布燈形式進行分析。不論何種布燈形式，只要布燈參數(shù)、燈具配光曲線以及隧道側(cè)壁和路面反光系數(shù)發(fā)生變化，其利用系數(shù)都會變化。燈具利用系數(shù)對照明系統(tǒng)的能耗有影響，提高燈具利用系數(shù)可以提高照射到路面的光通量。但是，不能忽視提高燈具利用系數(shù)對其它參數(shù)的影響，例如，采用中央布燈方式，其它參數(shù)保持不變，降低燈具安裝高度可以提高燈具利用系數(shù)，但路面最小照度和照度均勻度會降低，對隧道側(cè)壁2 m高范圍內(nèi)的平均亮度也有影響。因此，在進行布燈參數(shù)優(yōu)化時，需要根據(jù)隧道照明要求，確定最佳布燈參數(shù)和最佳利用系數(shù)。

3.4 布燈參數(shù)及利用系數(shù)優(yōu)化算例

采用NHLED101～NHLED103雷士照明LED燈，以江西九景高速公路雁列山隧道作為研究對象。因最小照度區(qū)域通常位于隧道路面兩邊，以49.5lx≤最小照度≤50.5lx為優(yōu)化條件，對行車安全不會造成影響；無光衰時參數(shù)優(yōu)化結(jié)果、照明效果仿真結(jié)果及總功耗如表1所示。

表1 布燈參數(shù)及利用系數(shù)優(yōu)化結(jié)果、照明效果及總功耗Table 1 Optimized parameters of luminaire distribution, utilization factor, lighting offects and total power consumption

從表1可以看出，即使采用的燈具相同，但布燈方式不同，利用系數(shù)η0也不是固定值，而是與布燈參數(shù)有關(guān)。從照明效果仿真值可以看到，都符合隧道交通照明要求，表明布燈參數(shù)優(yōu)化結(jié)果和本文建立的利用系數(shù)模型是正確有效的。在文獻[7]中，幾種布燈方式下的最優(yōu)布燈參數(shù)，均是取η0=0.85求得的。本文將布燈參數(shù)和利用系數(shù)一起優(yōu)化，優(yōu)化后的布燈參數(shù)與文獻[7]不同；相比文獻[7]，本文優(yōu)化后的照明系統(tǒng)更節(jié)能，總功耗更小，中央布燈、拱頂側(cè)偏布燈、對稱布燈和交錯布燈，分別節(jié)能7.74%、10.26%、10.63%和0.69%。

不同的照明燈具，其配光曲線可能不同，當(dāng)照明燈具或布燈方式變化時，其最優(yōu)布燈參數(shù)和利用系數(shù)也會變化，所以，需要進行較精確的優(yōu)化計算時，利用系數(shù)不宜設(shè)為定值。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)隧道照明的燈具配光曲線、布燈參數(shù)及隧道橫截面結(jié)構(gòu)尺寸，建立了隧道照明單燈利用系數(shù)和照明系統(tǒng)利用系數(shù)計算模型，解決了現(xiàn)行隧道照明設(shè)計、優(yōu)化過程中采用燈具利用系數(shù)曲線或?qū)⒗孟禂?shù)曲線設(shè)定為定值造成計算誤差的問題。利用所建燈具利用系數(shù)模型，分析了利用系數(shù)與布燈高度、布燈橫向偏移距離及布燈仰角的變化情況，分析了利用系數(shù)最大的燈具仰角與布燈橫向偏移距離及布燈高度的變化情況，即最大利用系數(shù)對應(yīng)的燈具仰角隨布燈橫向偏移距離的增大而增大，隨布燈高度的增大而增大。在進行照明系統(tǒng)較精確的優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)燈具配光曲線優(yōu)化布燈參數(shù)和確定利用系數(shù)，不宜將利用系數(shù)設(shè)為定值。

[1] 公路隧道照明設(shè)計細則: JTG/J D70/2-01—2014[S]. 北京:人民交通出版社, 2014.

[2] 季佳俊. 三車道大斷面公路隧道照明節(jié)能參數(shù)優(yōu)化研究[D].重慶: 重慶交通大學(xué), 2012.

[3] 韓文元,殷杰,楊勇，等.公路隧道照明燈具有效能效指標(biāo)分析[J].公路交通科技, 2015, 32(11): 94-99.

[4] 涂鋼.公路隧道照明優(yōu)化設(shè)計方法及軟件開發(fā)[D].西安:長安大學(xué)，2015.

[5] YANG Chao, HUANG ChuanMao, FAN ShiJuan. Study on Energy Saving of Symmetrical Luminaire Distribution Style of Highway Tunnel Lighting[C]//The 2015 International Conference on Mechanics, Building Material and Civil Engineering (MBMCE 2015). Guilin, 2015.

[6] FAN Shijuan, YANG Chao.Parameters Optimization and Energy-saving of Highway Tunnel Stagger Luminaire Distribution Lighting with LED[C]//International Conference on Civil, Transportation and Environment (ICCTE 2016). Guangzhou, 2016.

[7] 黃傳茂. 高速公路隧道照明系統(tǒng)布燈參數(shù)優(yōu)化研究[D].南昌：華東交通大學(xué)，2016.

[8] 楊韜,陳仲林.隧道照明反射增量系數(shù)研究[J].燈與照明, 2009, 33(2):6-14.

[9] 潘國兵,梁波,皮宇航,等.隧道側(cè)壁內(nèi)裝材料的照明節(jié)能[J].公路交通科技, 2012, 29(9):103-109.

[10] 張九紅,莊金迅.配光曲線在照明計算中的應(yīng)用[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2007, 23(6): 941-944.

[11] 何凌堅,李世京.九景公路雁列山隧道復(fù)合式襯砌防排水的設(shè)計與施工[J].探礦工程, 1999, 6: 39-41.

Study of Utilization Factor of Highway Tunnel Luminaire

YANG Chao, CHENG Cui

(SchoolofMechatronics&VehicleEngineering,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China)

Utilization factor (UF) of luminaire is an important parameter in calculating horizontal illuminance of tunnel road surface in the process of tunnel lighting design or parameters optimization of tunnel lighting, increase of UF is conducive to the average illuminance of road surface. However, UF was usually set as a fixed value or get from UF curve of luminaire, which caused calculation errors. An UF model of tunnel lighting luminaire was made to get the real UF in accordance with light distribution data of adopted luminaire and luminaire installation parameters. Based on the model, the relationships between UF and luminaire installation height, crosswise offset distance and elevation angle were analyzed. A simulation example showed that the UF model is correct, when the UF model is applied to optimization of luminaire installation parameters, more accurate optimized parameters and more energy-saving lighting system can be gotten than that of UF set as a fixed value. The UF model is suitable for calculation of UFs of central luminaire distribution, offset-of-vault luminaire distribution, stagger luminaire distribution and symmetric luminaire distribution.

tunnel lighting; utilization factor; luminaire installation parameters

國家自然科學(xué)基金項目資助(項目編號：61463015)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.017