關(guān)于公路隧道照明節(jié)能改造的研究與應(yīng)用

李 卓

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

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關(guān)于公路隧道照明節(jié)能改造的研究與應(yīng)用

李 卓

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

分析了影響公路隧道照明節(jié)能的主要因素，根據(jù)舊有公路隧道能耗成本高、節(jié)能減排空間大的特征，提出了公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能改造的方案，指出隧道照明節(jié)能改造技術(shù)有效降低了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

隧道，照明，節(jié)能改造，燈具

1 研究背景

截止2015年年底，全國(guó)公路隧道14 006處，總長(zhǎng)1 268.39萬m。其中，特長(zhǎng)隧道744處，長(zhǎng)329.98萬m，長(zhǎng)隧道3 138處，長(zhǎng)537.68萬m[1]。隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的發(fā)展，隧道數(shù)量越來越多，隧道建成后的照明能耗也越來越高。在2014年以前已建成通車的公路隧道均按照《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因規(guī)范落后、新型照明燈具和調(diào)光技術(shù)未推廣應(yīng)用等因素，照明節(jié)能減排方面工作進(jìn)展一直緩慢。隨著新規(guī)范《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱“細(xì)則”)的發(fā)布及新技術(shù)的發(fā)展對(duì)于舊有隧道的照明節(jié)能改造工作越來越迫切。本文以時(shí)速為80 km/h的隧道為例，提出隧道照明的節(jié)能改造方案，并對(duì)其節(jié)能改造效果進(jìn)行綜合分析。

2 公路隧道節(jié)能因素研究

2.1 隧道洞外亮度

洞外亮度L20(S)是指在接近段起點(diǎn)S處，距地面1.5 m高正對(duì)洞口方向20°視場(chǎng)實(shí)測(cè)得到平均亮度。洞外亮度L20(S)是照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)參數(shù)之一，該參數(shù)的合理選取對(duì)工程投資和運(yùn)營(yíng)電費(fèi)有極大影響。在隧道設(shè)計(jì)階段，通常隧道洞門尚未實(shí)施完成，因此設(shè)計(jì)者很少到現(xiàn)場(chǎng)做洞外亮度實(shí)測(cè)，造成設(shè)計(jì)中洞外亮度選擇趨于保守，大于實(shí)際的洞外亮度值。

目前《細(xì)則》相對(duì)于舊《規(guī)范》，提供的40 km/h～100 km/h時(shí)速洞外亮度參考值有所降低，并推薦在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中結(jié)合隧道實(shí)際情況“因隧制宜”，合理設(shè)計(jì)。洞外亮度常用的測(cè)試方法有環(huán)境簡(jiǎn)圖法、黑度法、數(shù)碼相機(jī)法。數(shù)碼相機(jī)法由于操作簡(jiǎn)便、測(cè)試較為準(zhǔn)確，是目前提倡的一種測(cè)試方法。根據(jù)福建、重慶、河北、陜西、浙江、廣東等地高速公路隧道洞外亮度L20(S)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：山區(qū)高速公路隧道洞外100 m 停車視距內(nèi)20°圓錐角視場(chǎng)范圍的天空含率一般為0%，絕大多數(shù)公路隧道洞外亮度L20(S)值在3 000 cd/m2以內(nèi)。分析計(jì)算表明，公路隧道洞外亮度L20(S)取值由4 000 cd/m2降低至3 000 cd/m2，入口加強(qiáng)照明可節(jié)能約25.4%[2]。此外通過對(duì)隧道洞口進(jìn)行科學(xué)合理的景觀設(shè)計(jì)，采用濃密的深色植被和深色的洞門型式均可以有效降低洞外亮度，能進(jìn)一步降低隧道照明規(guī)模。

2.2 隧道加強(qiáng)段及中間段照明

原《規(guī)范》入口段亮度Lth=k×L20(S)，其中，Dth為長(zhǎng)度?！都?xì)則》的變化在于將入口段長(zhǎng)度Dth分為2段，入口段1亮度Lth1=k×L20(S)和入口段2亮度Lth2=0.5×k×L20(S)，過渡段的照明亮度相應(yīng)逐次降低。因加強(qiáng)段的照明燈具的功率配備較大，《細(xì)則》通過對(duì)加強(qiáng)段的長(zhǎng)度及亮度的折減有效降低了隧道的燈具功率配備。

相對(duì)于加強(qiáng)段照明，中間段照明的配置功率與隧道長(zhǎng)度相關(guān)，開燈時(shí)間較長(zhǎng)，消耗電量較大，對(duì)基本照明進(jìn)行改造的綜合效益最好[3]?！都?xì)則》降低了中間段的亮度要求，以80 km/h時(shí)速的隧道為例，當(dāng)單向交通量大于1 200輛veh/(h·ln)時(shí)，按舊《規(guī)范》應(yīng)為4.5 cd/m2，按新頒布《細(xì)則》的中間段取值為3.5 cd/m2(見表1)，相當(dāng)于燈具功率節(jié)能達(dá)22%。如隧道照明采用LED燈具，亮度標(biāo)準(zhǔn)可再折減50%，隧道節(jié)能效果會(huì)更進(jìn)一步提高。

表1 《細(xì)則》中間段亮度 Lin

2.3 燈具選型

2.3.1 高壓鈉燈

高壓鈉燈是一種高壓鈉蒸汽放電燈泡，其放電管采用抗鈉腐蝕的半透明多晶氧化鋁陶瓷制成，工作時(shí)發(fā)出金白色光。它具有發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、透霧性好等優(yōu)點(diǎn)，作為隧道照明常采用的傳統(tǒng)燈具，它有如下特點(diǎn)：

1)色溫及顯色性：高壓鈉燈光色呈黃色，色溫為2 000 K～2 100 K，顯色性較差，一般顯色指數(shù)僅為20～25。

2)燈具效率：高壓鈉燈的初始光通量較高，但發(fā)光角度360°。照射到路面方向的光很少只有30%，非應(yīng)用方向的光需要通過燈具的反射罩將光線投射到路面上，燈具的利用效率約為60%。

3)啟動(dòng)時(shí)間：高壓鈉燈啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，每次通電5 min～10 min左右的時(shí)間，才能達(dá)到正常的亮度，再次啟動(dòng)的時(shí)間一般要大于5 min。對(duì)于按需照明，如無極調(diào)光、車來燈亮、車走燈熄的節(jié)能調(diào)光技術(shù)，高壓鈉燈的啟動(dòng)時(shí)間難以滿足要求。

2.3.2 LED燈

LED燈具是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光的半導(dǎo)體，發(fā)光二極管。隨著近幾年的技術(shù)發(fā)展，LED燈具質(zhì)量逐漸趨于成熟，價(jià)格趨于下降，在光通量，節(jié)能環(huán)保和燈具效率方面都超越了高壓鈉燈，受到政府及運(yùn)營(yíng)單位的大力推廣，LED燈具有如下特點(diǎn)。

1)色溫及顯色性：LED色溫在3 000 K～7 000K之間，顯色性較好，一般顯色指數(shù)在75～85。

2)燈具效率：LED燈具為定向放光，發(fā)光角度在180°以內(nèi)，通過燈具透鏡二次配光，LED隧道燈具的利用效率可達(dá)到85%以上。

3)啟動(dòng)時(shí)間：LED燈具可瞬時(shí)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間小于0.01 s,無需預(yù)熱?？筛鶕?jù)此特性實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)光。

從以上對(duì)比可以看出來，LED燈在顯色性、燈具效率及調(diào)光方面比高壓鈉燈的優(yōu)勢(shì)明顯。而且在燈具壽命方面，LED燈具壽命可到達(dá)50 000 h且光衰小于30%，高壓鈉燈的壽命一般為20 000 h。在后期運(yùn)營(yíng)過程中LED燈具的維護(hù)成本也比高壓鈉燈更低。

3 隧道照明節(jié)能改造方案

以2004年設(shè)計(jì)完工的某隧道為例，該隧道設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，全長(zhǎng)1 500 m，路基寬度8.75 m，進(jìn)口為端墻洞門。設(shè)計(jì)參數(shù)采用舊《規(guī)范》，洞外亮度采用4 000 cd/m2時(shí)，隧道內(nèi)入口段、過渡段1、過渡段2、中間段亮度分別為100 cd/m2,30 cd/m2,10 cd/m2，2 cd/m2。照明燈具是高壓鈉燈，使用功率為100 W，150 W，250 W，400 W的高壓鈉燈，采用兩側(cè)對(duì)稱布燈的方式，燈具安裝高度為5.8 m，仰角為13°左右。改造后采用新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)地測(cè)量洞外亮度在3 300 cd/m2左右，按照新《細(xì)則》重新進(jìn)行照明改造設(shè)計(jì)，洞外亮度可按照3 500 cd/m2進(jìn)行取值，隧道可分為入口段1、入口段2、過渡段1、過渡段2，設(shè)計(jì)亮度分別為87.5 cd/m2，43.75 cd/m2，13.13 cd/m2，4.34 cd/m2，1.5 cd/m2?，F(xiàn)根據(jù)《細(xì)則》提出的方法對(duì)隧道內(nèi)照明系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造前加強(qiáng)照明回路平均每天耗電量在76 kW/h，基本照明回路平均每天耗電量在30 kW/h；改造后加強(qiáng)照明回路平均每天耗電量在44.9 kW/h，基本照明回路平均每天耗電量在23 kW/h，如圖1所示?？梢娡ㄟ^對(duì)原有照明系統(tǒng)改造,在同樣采用高壓鈉燈的前提下，加強(qiáng)和基本照明回路耗電量均有下降，加強(qiáng)照明節(jié)能效果顯著，

節(jié)能率達(dá)40%左右，基本照明節(jié)能率達(dá)23%左右。

目前在市政隧道及高等級(jí)公路隧道中LED燈具已普及應(yīng)用，主要設(shè)置于隧道基本照明段落。如果在不改變燈具布置形式的前提下，將基本段原有100 W高壓鈉燈替換為50 W LED燈具，經(jīng)過照明軟件計(jì)算，亮度和縱向均勻度均可滿足規(guī)范要求，而耗電量?jī)H為15 kW/h，通過對(duì)基本段的LED改造，節(jié)能率可達(dá)50%，如圖2所示。

改造后采用高壓鈉燈加LED燈具的方案，隧道照明總耗電量比改造前降低45%。可見，通過對(duì)洞外亮度進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)照明入口段進(jìn)行改造及采用LED燈具等手段，可以大幅度減少照明能耗，節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

4 結(jié)語

在公路隧道運(yùn)營(yíng)過程中，隧道照明是主要的耗能大戶，隨著交通部發(fā)布“交通運(yùn)輸節(jié)能環(huán)?！濉l(fā)展規(guī)劃”，提出了綠色發(fā)展、節(jié)能環(huán)保的要求，對(duì)于舊有公路隧道的照明節(jié)能改造越來越迫切。隧道照明節(jié)能技術(shù)在舊有公路隧道的應(yīng)用，使得改造前后隧道照明節(jié)能效果顯著，有效降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。對(duì)運(yùn)營(yíng)方而言，照明節(jié)能技術(shù)有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有很高的推廣價(jià)值。

[1] 交通運(yùn)輸部綜合規(guī)劃司．2015年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[N].2016-05-06.

[2] 王少飛.公路隧道照明節(jié)能系統(tǒng)論[J].公路，2012(8)：273-277．

[3] 張乃斌.公路隧道照明節(jié)能改造技術(shù)應(yīng)用研究[J].公路交通技術(shù)，2012，32(2):139-142.

Research on lighting energy-saving reconstruction of roads and tunnels and its application

Li Zhuo

(No.1RoadSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,CCCC,Xi’an710075,China)

The paper analyzes the main factors for the lighting energy-saving of roads and tunnels, points out the energy-saving reconstruction scheme of the lighting system of roads and tunnels according to the high energy consumption cost and large space for the energy-saving and emission reduction of the roads and tunnels, and points out the lighting energy-saving technique can lower the operation cost to achieve better economic and social benefits.

tunnel, lighting, energy-saving reconstruction, light

2016-11-27

李 卓(1983- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2017)04-0201-02

TU113.665

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