涪豐石高速公路隧道LED節(jié)能改造方案研究與應(yīng)用

劉建春， 沈 猛， 納守勇

(重慶忠萬高速公路有限公司， 重慶 404100)

近年來，涪豐石高速公路通行車輛快速增長，車流量的增加對隧道的照明環(huán)境提出了更高要求，加上現(xiàn)運(yùn)營設(shè)備老化、性能下降和新舊規(guī)范更替[1]，現(xiàn)有照明系統(tǒng)難以滿足隧道運(yùn)營安全和駕駛舒適的需要，急需全面提升隧道照明的品質(zhì)。

通過多年的不斷探索和實(shí)踐，LED照明技術(shù)在隧道照明中的應(yīng)用已趨于成熟[2-4]，LED燈具的散熱和光衰得到了較好的控制[5-7]。LED燈具的造價(jià)近年來也逐漸降低，且在全國范圍內(nèi)道路照明和隧道照明領(lǐng)域，LED燈具正逐漸取代能耗高、顯色性低的高壓鈉燈[8-10]。因此從高速公路運(yùn)營需求、技術(shù)條件、經(jīng)濟(jì)合理性等方面來看[11-14]，已經(jīng)具備對隧道進(jìn)行LED照明節(jié)能改造的條件。

以往隧道照明改造案例如浙江金麗溫高速、象山港大橋連接路段、穿好高速，以及四川段滬蓉高速等公路隧道照明系統(tǒng)均采用重新布燈設(shè)計(jì)，供電電纜重新敷設(shè)方式改造，這對隧道正常交通運(yùn)營影響較大。若能采用原位替燈方案將大大減少改造的拆安費(fèi)用和提高電纜利用率，并縮短影響運(yùn)營的時(shí)長。本文正是基于現(xiàn)行規(guī)范針對原位替燈進(jìn)行配置設(shè)計(jì)，研究分析該方案的可行性，并作出經(jīng)濟(jì)效益評估。

1 工程概況

本文研究依托重慶涪豐石高速公路(涪陵至豐都、豐都至石柱段高速公路)隧道照明改造工程，該高速公路是重慶市、貴州北部、四川南部地區(qū)通往長三角地區(qū)最快捷的公路運(yùn)輸通道，也是滬渝通道內(nèi)最后建設(shè)的一條高速公路。涪豐石高速公路全長110.007 km，雙向4車道，于2009年6月開工建設(shè)，2012年底建成正式通車。其中，涪陵至豐都段包含有12座隧道，豐都至石柱段包含有7座隧道，設(shè)計(jì)速度80 km/h。

2 照明節(jié)能改造配置方案

2.1 加強(qiáng)照明部分

涪豐石高速公路隧道照明布置形式為拱頂單排偏側(cè)布置，加強(qiáng)照明燈具為高壓鈉燈，入口段為400 W高壓鈉燈，間距1.5 m，設(shè)計(jì)亮度75 cd/m2，長度81 m；過渡段Ⅰ為250 W高壓鈉燈，間距3 m，設(shè)計(jì)亮度為22.5 cd/m2，長度72 m；過渡段Ⅱ?yàn)?50 W高壓鈉燈，間距4.5 m，設(shè)計(jì)亮度為7.5 cd/m2，長度90 m；出口段為150 W高壓鈉燈，間距4.5 m，設(shè)計(jì)亮度為10.0 cd/m2，長度60 m。原配置方案見表1(不含折減隧道)。

表1 隧道現(xiàn)狀照明配置方案

以《重慶高速公路繞城以外隧道照明品質(zhì)提升總體設(shè)計(jì)方案》(由重慶交通局牽頭，招商局重慶交科院擬定，簡稱重慶繞城總體設(shè)計(jì))對涪豐石高速公路隧道照明改造設(shè)計(jì)為代表(重新整體設(shè)計(jì))，改造提升方案見表2(不含折減隧道)。其中，該方案設(shè)計(jì)采用的配光曲線類型如圖1所示，該類配光曲線也是目前市場上較為普遍的一種，適用于拱頂單光帶照明。

通過現(xiàn)場踏勘、現(xiàn)場測量等手段掌握相關(guān)資料。隧道設(shè)計(jì)速度為80 km/h，洞外亮度L20(S)取3 000 cd/m2，維護(hù)系數(shù)取0.75。入口折減系數(shù)k根據(jù)未來10年交通量取值。結(jié)合JTGT D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》，隧道照明加強(qiáng)區(qū)段入口段Ⅰ、入口段Ⅱ、過渡段Ⅰ、過渡段Ⅱ、出口段Ⅰ、出口段Ⅱ的長度同樣為40 m、40 m、72 m、90 m、30 m、30 m。

為便于對比，原位替燈方案配光曲線與重慶繞城總體設(shè)計(jì)方案一致。原位替燈配置方案見表3(不含折減隧道)。

圖1 照明配光曲線

表2 重慶繞城總體設(shè)計(jì)配置方案

表3 隧道原位替燈配置方案

2.2 基本照明部分

涪豐石高速公路隧道基本照明同樣為拱頂單排偏側(cè)布置?；菊彰鳛?0 W LED燈具，全隧道貫通布置，對長度大于2 000 m的隧道，燈具間距為9 m，長度小于2 000 m的隧道，燈具間距為7 m。各配置方案見表4。

表4 基本照明配置方案

3 光學(xué)仿真分析

3.1 數(shù)值仿真模型

通過查閱涪豐石高速公路原隧道照明系統(tǒng)施工圖建立隧道模型，如圖2所示。實(shí)際工程路面類型為瀝青混凝土，反射特性為R3[15]，數(shù)值仿真軟件采用DIALUX 4.13光學(xué)分析軟件。燈具模型同樣拱頂布置，橫向偏距0.75 m(偏行車方向右側(cè))，縱向間距參照表2、表3分別設(shè)計(jì)，原燈具安裝高度為6.9 m。燈具配光模型如圖1所示，光通量可調(diào)，照明系統(tǒng)維護(hù)系數(shù)取0.75。

3.2 計(jì)算對比

分別對原位替燈配置方案和重慶繞城總體設(shè)計(jì)配置方案進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算指標(biāo)為路面平均亮度。計(jì)算結(jié)果對比分析見表5。

圖2 隧道照明模型

表5 2種配置方案照明計(jì)算對比

由表5可以看出，原位替燈配置方案和重慶繞城總體設(shè)計(jì)配置方案均能較好地滿足規(guī)范設(shè)計(jì)亮度要求值；相比設(shè)計(jì)亮度來說，原位替燈配置方案的各照明區(qū)段計(jì)算亮度平均余留溢出設(shè)計(jì)亮度值的37%左右；重慶繞城總體設(shè)計(jì)配置方案的各照明區(qū)段計(jì)算亮度平均余留溢出設(shè)計(jì)亮度值的92%左右。若不考慮照明系統(tǒng)的0.75維護(hù)系數(shù)折減，2種方案計(jì)算亮度溢出比如圖3所示。

圖3 各照明區(qū)段計(jì)算亮度溢出占比

在隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮運(yùn)營年限內(nèi)燈具光衰、環(huán)境污染和意外損壞等因素需要一個(gè)維護(hù)系數(shù)，一般取值為0.75，加上新燈安裝條件，所以計(jì)算值溢出設(shè)計(jì)值50%～80%較為合理。由圖3可以看出，原位替燈配置方案的各照明區(qū)段計(jì)算亮度平均余留溢出80%左右，重慶繞城總體設(shè)計(jì)配置方案的各照明區(qū)段計(jì)算亮度平均余留溢出150%左右，即重慶繞城總體設(shè)計(jì)配置方案是設(shè)計(jì)值的2.5倍左右。

綜上分析，原位替燈配置方案是可行的，且相比重新整體設(shè)計(jì)的重慶繞城總體配置方案更節(jié)能。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

1) 配置方案效益比選

經(jīng)濟(jì)效益方面，本文主要從照明配置總功率成本、每年使用電費(fèi)和燈具施工成本3個(gè)方面進(jìn)行分析。因涪豐石路段高速公路隧道基本照明燈具平均占總燈數(shù)68.85%左右，占比較大，所以僅對2種配置方案中的基本照明作了相關(guān)比較。經(jīng)查閱涪豐石高速公路原隧道照明系統(tǒng)施工圖等信息，隧道布燈間距為7 m的基本照明燈總計(jì)約3 438盞，布燈間距為9 m的基本照明燈總計(jì)約4 764盞。計(jì)算電費(fèi)單價(jià)0.69元/度，LED燈功率單價(jià)7.5元/W，隧道燈拆安費(fèi)220元/盞。涪豐石高速公路隧道基本照明方案比選見表6。

由表6可知，原位替燈配置方案比重慶繞城總體設(shè)計(jì)配置方案明顯要經(jīng)濟(jì)。原位替燈配置方案在每年電費(fèi)使用、燈具成本、燈具施工成本方面分別節(jié)

表6 涪豐石高速基本照明方案比選

約66.6萬元、113萬元、139.4萬元，即原位替燈方案總體經(jīng)濟(jì)效益約319萬。

2) 基于原位替燈方案照明改造后經(jīng)濟(jì)效益分析

據(jù)上分析，原位替燈配置方案無論是在照明質(zhì)量上，還是經(jīng)濟(jì)效益上都是最佳的。因此，為便于實(shí)際工程應(yīng)用，對照明改造前后進(jìn)行效益對比(不包含洞外引道、緊急停車帶和橫通道照明)。照明燈具工程量統(tǒng)計(jì)見表7，能耗分析對比見表8。

表7 改造前后燈具工程量

由表8可知，按照原位替燈方案進(jìn)行LED照明節(jié)能改造，涪豐路段改造后將節(jié)省電費(fèi)約173.21萬元，改造前后節(jié)能率為52.78%；豐石路段改造后將節(jié)省電費(fèi)約98.9萬元，改造前后節(jié)能率為43.36%；涪豐路段預(yù)計(jì)3.65年后回收成本，豐石路段預(yù)計(jì)5.2年后將回收成本。

表8 改造前后能耗分析對比

注：加強(qiáng)照明和基本照明工作時(shí)長分別按12 h/d和18 h/d計(jì)算。

5 結(jié)論

1) 在照明系統(tǒng)維護(hù)系數(shù)取0.75條件下，原位替燈配置方案和重慶繞城總體設(shè)計(jì)配置方案均能較好地滿足規(guī)范要求，其計(jì)算亮度余留值分別占設(shè)計(jì)亮度值的37%和92%，故原位替燈配置方案不僅可行，且節(jié)能效益更佳。

2) 由基本照明經(jīng)濟(jì)效益分析可知，原位替燈配置方案很明顯比重慶繞城總體設(shè)計(jì)配置方案要經(jīng)濟(jì)，總體經(jīng)濟(jì)效益約節(jié)約319萬元。

3) 按照原位替燈方案進(jìn)行照明改造，涪豐路段改造前后節(jié)能率為52.78%，豐石路段改造前后節(jié)能率為43.36%。