基于連廊的隧道照明節(jié)能研究

游 峰，劉宜恩，劉易家

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引 言

隧道是高速公路的重要組成部分，隧道行車安全性是衡量整個(gè)高速公路通行暢通與否的重要指標(biāo)。進(jìn)出隧道時(shí)車輛存在黑洞效應(yīng)與白洞效應(yīng)，因此對(duì)隧道照明有著很高的要求，現(xiàn)行規(guī)范將遂道分為接近段，入口段，過渡段，中間段，出口段，其中接近段的亮度對(duì)隧道照明節(jié)能有很大影響[1]。以日本東京灣海底隧道為例，在其他條件相同的情況下，接近段亮度分別取值4 000、6 000 cd/m2，設(shè)備年耗電量相差達(dá)34%?，F(xiàn)階段隧道建設(shè)多采用在隧道接近段兩側(cè)路基種植綠色植物，進(jìn)而達(dá)到減光的作用[2]，還有在隧道接近段修建連廊以降低接近段亮度[3]。

針對(duì)隧道入口段照明的情況，當(dāng)前大多采用加強(qiáng)照明的方式，并未將自然光照明方式列入設(shè)計(jì)選項(xiàng)。在隧道照明中，入口段的照明能耗是整個(gè)隧道照明的主要能耗。入口段亮度和隧道洞外亮度密切相關(guān)，通過降低隧道入口段的亮度值可以很好的降低隧道的照明能耗[4]。

基于連廊的隧道入口段自然光的照明方式，可以充分利用自然光為入口段提供照明，減少了入口段的照明能耗，如圖1。

圖1 帶連廊隧道Fig. 1 Tunnel with corridor

1 連廊下照明模型

1.1 當(dāng)前隧道入口段照明現(xiàn)狀

隧道入口段前半段的亮度直接關(guān)系到駕駛?cè)诉M(jìn)入隧道后的行車安全性，入口段前半段亮度和隧道洞外亮度聯(lián)系密切，為了避免出現(xiàn)“黑洞效應(yīng)”，當(dāng)前常采用傳統(tǒng)的加強(qiáng)照明方式進(jìn)行照明，減少洞內(nèi)外的亮度差值變化。當(dāng)前針對(duì)隧道入口段的研究大都集中于路面材料以及入口段燈具的能耗，利用自然光作為入口段加強(qiáng)照明的研究，當(dāng)前在國內(nèi)外尚處于起步階段，充分利用自然光作為加強(qiáng)照明，較其他照明方式不僅可以節(jié)省能耗，而且也更環(huán)保。

1.2 連廊下的光分配效應(yīng)模型

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，連廊距離隧道入口處一般為一個(gè)停車視距的距離，連廊梁與梁之間的光照處可以形成移動(dòng)光區(qū)。研究中取連廊的一個(gè)梁作為研究對(duì)象，其他梁的研究方式和所取研究對(duì)象一致，圖2是連廊的一個(gè)橫梁所形成的光線分布。Sbrit為橫梁形成的光亮區(qū)的面積，Sshod為橫梁形成的陰影區(qū)的面積。

圖3 隧道入口段采用自然光的連廊模型Fig. 3 Corridor model with natural light at the entrance of thetunnel

太陽光可以近似看做平行光，光線和地平面的夾角為θ，即光線角，光線在地面的投影與車道中心線的夾角為σ，即投影角，光線在連廊作用下呈現(xiàn)出如圖2的光亮區(qū)和陰影區(qū)交錯(cuò)的情形。圖3中l(wèi)1為橫梁投影在路面陰影區(qū)的寬度，l2為橫梁投影在路面的光亮區(qū)的寬度，w為橫梁的寬度，d為橫梁中間的間隔，t為連廊橫梁的高度。則l1和l2可以分別表示為：

l1=tcosσ/tanθ

(1)

l2=d-(cosσ/tanθ)

(2)

連廊的一個(gè)梁在路面上的區(qū)域包括兩部分：陰影區(qū)和亮光區(qū)(圖2)，一個(gè)連廊的橫梁在地面上的總寬度l3為

l3=l1+l2=w+d

(3)

由圖3可知連廊的光分布模型包括兩部分，即光亮區(qū)和陰影區(qū)，這兩部分交替共同構(gòu)成了連廊區(qū)的光分布模型。

1.3 墻面投影在路面的計(jì)算

在研究連廊影響下亮度的變化過程中，因?yàn)檫B廊墻面的遮光作用，會(huì)有一部分墻面的投影與連廊在路面的投影重合，如圖3中的投影角所在的平行四邊形即是墻面在路面的投影部分，由圖3可知，粗虛線構(gòu)成的平行四邊形為連廊的梁在路面上的投影，兩部分投影有重合。墻面投影在路面上的寬度w1為：

(4)

梁在路面的投影的陰影部分的面積為：

Sshod=(L-w1)×l1

(5)

連廊的梁在隧道中的光亮區(qū)的面積為：

Sbrit=(L-w1)×l2

(6)

整個(gè)墻面在隧道中路面上的投影面積為：

(7)

隧道墻壁和連廊的橫梁在路面上的總陰影面積為：

St=Swall+Sshod

(8)

整個(gè)連廊的亮度面積為Stotal,連廊區(qū)的亮度與橫梁的個(gè)數(shù)有關(guān)，設(shè)連廊區(qū)共有N個(gè)梁，連廊區(qū)的亮度面積Stotal為：

(9)

1.4 照度總均勻度的計(jì)算

光通量為光源各個(gè)方向射出的光功率，即每一單位時(shí)間射出的光能量[5]，lm；光亮度為一個(gè)表面的明亮程度，即從一個(gè)表面反射出來的光通量[6]，lm；光照度為從光源照射到單位面積上的光通量[7]，Lux。

1)照度和亮度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

L=λ×E

(10)

式中：L為亮度；λ為路面反射系數(shù)；E為照度。

2)連廊區(qū)的照度總均勻度為：

(11)

式中:l為隧道的寬度；Eh為水平照度。

設(shè)隧道的連廊的長度為：

Scorride=(w+d)×N

(12)

式中：N為連廊中橫梁的個(gè)數(shù)。

橫梁個(gè)數(shù)和橫梁的寬度以及橫梁之間的間距有關(guān)，橫梁的個(gè)數(shù)計(jì)算如式(13)：

(13)

由式(11)～式(13)可得照度總均勻度Eav：

(14)

式中：Scorride為連廊的長度。

當(dāng)σ=0時(shí)，此時(shí)θ=90°，由式(14)可知，照度總均勻度為Eav0，在此情況下洞外的亮度值是一天中的最大值，之后洞外的亮度值會(huì)逐漸減弱：

(15)

由式(15)可知，當(dāng)投影角為0時(shí)，此時(shí)的照度總均勻度為Eav0，與光線角θ成正比，θ越大照度總均勻度越大，反之照度總均勻度越小。

2 隧道入口段連廊的照明節(jié)能功效

2.1 銀山隧道介紹

以廣東省潮惠高速公路陸河段銀山隧道為例，進(jìn)行隧道連廊照明節(jié)能設(shè)計(jì)分析。位于陸河縣境內(nèi)的銀山隧道單洞長530 m，為雙洞雙向六車道，縱坡度為1.5%，隧道洞內(nèi)凈空高度為7.8 m，路面材料為瀝青路面。

銀山隧道左洞593 m，右洞530 m，共有LED燈具1 238套，其中85 W燈具共246套，185 W共992套。

表1 隧道各區(qū)段長度及其燈間距Table 1 Length and lamp spacing of each section of tunnel

燈具安裝在隧道頂部兩側(cè)，距路面高度為4.2 m，安裝角度與水平方向成30°，采用相對(duì)布置方式。根據(jù)銀山施工圖紙和現(xiàn)場燈組安裝的序號(hào)，推算出安裝序號(hào)和燈具安裝距離與隧道入口段位置之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2。

表2 燈具安裝序號(hào)與距離位置Table 2 Installation serial number and distance position of lamps andlanterns

模擬在銀山隧道入口段設(shè)置連廊，以連廊取代隧道入口段前半段的燈具布設(shè)。隧道入口段的亮度值與洞外亮度有很大關(guān)系[8-9]，設(shè)洞外亮度為Lout，入口段分為前半段Sf和后半段Sb,設(shè)前半段亮度值為Lin，設(shè)隧道的入口段總長度為Sin:

(16)

由式(16)可知，隧道入口段的長度為162 m，入口段前半段的長度和后半段的長度相等為81 m。故設(shè)計(jì)連廊的長度為81 m，根據(jù)隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范路面的亮度總均勻度應(yīng)不低于表3所示的值。

表3 路面亮度總均勻度Table 3 Overall uniformity of road surface luminance

按《廣東省高速公路隧道LED照明設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》第4.5.2條規(guī)定：隧道LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)交通量宜按10 a設(shè)計(jì)交通量取值。潮惠高速公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用“一次設(shè)計(jì)，分期實(shí)施”的原則，分別按10 a和20 a設(shè)計(jì)交通量取值，分別按2025年和2034年進(jìn)行照明布設(shè)和預(yù)留，遠(yuǎn)期將以更換燈功率為基本方式。

隧道設(shè)計(jì)高峰小時(shí)系數(shù)取0.12，車輛不均衡系數(shù)取0.52，則計(jì)算可得2034年的高峰小時(shí)交通量N(混合交通量)為1 950輛/h。

2.2 入口段采用連廊的隧道照明節(jié)能效果

銀山隧道設(shè)計(jì)時(shí)，隧道設(shè)計(jì)的入口段的前半段的長度設(shè)計(jì)值為81 m,所以Scorride= 81。采用銀山隧道2016年9月中15 d天氣晴朗時(shí)的洞外亮度得出亮度平均值作為研究數(shù)據(jù)進(jìn)行連廊節(jié)能效果評(píng)估，并將亮度轉(zhuǎn)化為照度得出15 d的平均亮度為6 000 cd/m2,水平方向的平均水平照度值為268 Lux。

該模型中隧道入口段的前半段作為連廊長度Scorride，連廊橫梁寬度w=1.25 m,連廊橫梁的間距d=3.5 m,連廊的橫梁高度t=0.35 m。

1)夏季光線最強(qiáng)是在σ=0時(shí)，此時(shí)θ=90°，也即光線垂直與地面時(shí)，此時(shí)洞外亮度最大。自然光條件下連廊下的照度總均勻度由式(15)計(jì)算可得Eavmx=2 620.4 Lux。

由《常用材料反射系數(shù)表》可知瀝青路面的反射系數(shù)為0.14,由公式(10)可得照度值為2 620.4 Lux時(shí)，對(duì)應(yīng)的亮度為連廊下自然光的亮度最大值Lmax=366.856 cd/m2。

2)廣東省汕尾市陸河縣經(jīng)度為115.37，緯度為22.78，夏季陽光的光線角最小為θ=35°，對(duì)應(yīng)的投影角為θ=25°。在此情況下由公式(15)計(jì)算可得照度總均勻度為Eavmn=2 404.605 8 Lux：

由公式(10)可得照度值為2 404.605 8 Lux時(shí)對(duì)應(yīng)的亮度為連廊下自然光的亮度最小值Lmin=336.644 812 cd/m2。

按照山隧道2016年9月中15 d天氣晴朗時(shí)的洞外亮度，計(jì)算隧道入口段前半部分滿足車輛通行時(shí)的最低基本亮度Lin：

依據(jù)王家會(huì)站1992—2016年實(shí)測大斷面資料，點(diǎn)繪歷年實(shí)測大斷面比較圖（圖1），分析測驗(yàn)大斷面的變化情況。

Lin=k×Lout

(17)

式中：Lout=6 000 cd/m2；k為亮度折減系數(shù)，與車速有關(guān)，k取值參考表4。

表4 入口段亮度折減系數(shù)kTable 4 Inlet section brightness reduction coefficient k

因?yàn)樗淼涝O(shè)計(jì)通車速度為80 km/h,故由式(17)可得隧道入口前半段的亮度值Lin=210 cd/m2。

由上面計(jì)算得出的連廊情況下自然光提供的亮度最小值為Lmin=336.644 812 cd/m2,故可知在采用連廊基于自然光的亮度照明的情況基本可以滿足隧道入口段前半段照明的需要，即Lmin>Lin。隧道入口前半段照明采用燈具照明，燈具類型采用85、185 W兩種LED,實(shí)際燈具參數(shù)指標(biāo)如表5。

銀山隧道入口段前半段采用加強(qiáng)照明方式進(jìn)行照明，采用30組185 W的燈具和40組85 W的燈具共同照明。由計(jì)算可知在洞外亮度為6 000 cd/m2，Lin=210 cd/m2情況下，入口段前半段采用基于連廊的自然光照明已滿足需要，此時(shí)可以節(jié)省下隧道入口段的前半段的燈具照明的消耗。

根據(jù)廣東工業(yè)用電收費(fèi)準(zhǔn)1.025元/(kW·h)在整個(gè)隧道燈光中入口段采用自然光照明時(shí)，前半段共有185 W燈具15套，85 W燈具10套，夏季汕尾地區(qū)天黑時(shí)間為晚上6:00，故從早上9:00太陽光達(dá)到最低照明要求到下午5:00，一天中8小時(shí)都可以利用自然光替代燈具，在此期間燈具每天照明消耗電能為116 000 W。

根據(jù)工業(yè)用電的用電收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)1.025元/(kW·h)，每天入口段前半段需要支付電費(fèi)為11.89元。一年下來整個(gè)入口段前半段需要支付電費(fèi)為4 339.85元。

采用連廊的自然光替代入口段前半段照明，每年可以為銀山隧道省去4 339.85元，整個(gè)隧道的照明每年支出為26 000.00元。則每年可以節(jié)約電費(fèi)占整個(gè)原有電費(fèi)比為16.69%。

綜上可知，銀山隧道入口段的前半段如果采用連廊的自然光替代加強(qiáng)照明不僅可以滿足照明的需要，而且可以降低整個(gè)隧道的電能消耗，降低能耗占整個(gè)隧道能耗比達(dá)到16.69%，隧道采用連廊的照明方式不僅環(huán)保而且高效。

3 結(jié) 論

筆者通過研究分析自然光射入的情況，建立起自然光照射模型，并將該模型引入隧道入口段連廊中，進(jìn)而建立起連廊下隧道的光分配模型。并利用已建立的光分配模型，在隧道入口段照明中，用連廊下自然光照明的方式替代了傳統(tǒng)的燈具照明模式，以潮惠高速公路銀山隧道段的設(shè)計(jì)為例，對(duì)入口段采用連廊自然光照明的模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證表明，將隧道入口段的加強(qiáng)照明換成連廊下的自然光照明，可以很好的滿足隧道入口前半段的照明需求，相比加強(qiáng)照明，大大降低了隧道入口處的照明耗電量，在同等條件下，入口段采用連廊自然光的照明方式較傳統(tǒng)照明方式降低隧道能耗比達(dá)16.69%，可見基于連廊的隧道入口段自然光照明降低了隧道的照明能耗。