公路隧道照明布燈方案的改良設(shè)計(jì)分析

宮廣濤

摘要：文章以廣西某高速公路隧道為例，對其進(jìn)行了中央單排布燈、兩側(cè)對稱布燈、兩側(cè)交錯(cuò)布燈以及拱頂側(cè)偏布燈四種不同隧道照明布燈方案的理論對比分析。研究結(jié)果表明，中央單排布燈方案（燈具縱向間距為9.5 m，高度為7 m，燈具的額定功率為44 W）的隧道路面光照效果良好，且相比其他設(shè)計(jì)方案具有更少的維修任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)了最佳的節(jié)能降耗目的，建議在工程實(shí)踐中予以改良應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：公路隧道;照明;布燈方案;節(jié)能降耗

0 引言

伴隨著西部大開發(fā)以及“一帶一路”建設(shè)的深入推進(jìn)，中西部地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了大力發(fā)展，由于特殊的地理環(huán)境，在這些地區(qū)修建交通基礎(chǔ)設(shè)施必然會涉及大量的隧道工程，這些隧道工程需要提供照明服務(wù)，但是能耗卻一直居高不下，這就需要對隧道照明能耗問題進(jìn)行優(yōu)化和解決[1-2]。

燈具材料和型號是影響隧道照明節(jié)能降耗的一大原因，當(dāng)前，最為常用的燈源為LED。除了燈具型號影響之外，更重要的是布燈方案的選擇，合理的隧道布燈方式對隧道的節(jié)能控制起到了至關(guān)重要的作用。為此，很多專家學(xué)者及工程實(shí)踐者均對隧道照明節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究，促進(jìn)了相關(guān)理論和實(shí)踐的發(fā)展[3-9]。但是，照明方案不僅要考慮節(jié)能降耗問題，還需要照顧照明的合理性，做到照度和降耗的雙重標(biāo)準(zhǔn)，不同的隧道布燈方案在照度和能耗上均有不同的表現(xiàn)，因此也需要對其進(jìn)行綜合的考量和評估，故本文開展了中央單排布燈、兩側(cè)對稱布燈、兩側(cè)交錯(cuò)布燈以及拱頂側(cè)偏布燈四種不同隧道照明布燈方案對比，可為隧道照明節(jié)能布置提供借鑒。

1 工程概況

廣西某高速公路隧道全長6.85 km，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，設(shè)計(jì)交通量為1 200 veh/（h·ln）。隧道為雙洞單向交通設(shè)計(jì)，隧道洞身形式為單心圓拱式曲墻（圓心半徑大小為5.4 m），設(shè)計(jì)寬度為10.25 m（其中行車帶凈寬為7.5 m），設(shè)計(jì)高度為7.5 m，行車道兩側(cè)設(shè)有0.5 m寬的路緣帶，并在兩側(cè)設(shè)有1 m和0.75 m寬的檢修道，見下頁圖1。隧道照明系統(tǒng)原設(shè)計(jì)方案采用SPT-B40隧道LED燈，其發(fā)光效率、橫向發(fā)光角度、縱向發(fā)光角度分別為100 lm/W、100°和110°，光線輸出率及燈具色溫為100%和5 000 k，顯色指數(shù)>70，LED燈的利用系數(shù)取值為0.85?，F(xiàn)場原設(shè)計(jì)布燈方案為：兩側(cè)對稱布置，燈縱向間距為9.5 m，橫向間距為7 m，高度為7 m，燈具功率為40 W，安裝仰角為15°。

2 優(yōu)化方案設(shè)置

優(yōu)化方案包括中央單排布燈、兩側(cè)對稱布燈、兩側(cè)交錯(cuò)布燈以及拱頂側(cè)偏布燈四種不同隧道照明方案。具體工況設(shè)置情況為：（1）中央單排布燈：燈具縱向間距為9.5 m，高度為7 m，燈具的額定功率為44 W;（2）兩側(cè)對稱布燈：燈具縱向間距為8.89 m，橫向間距為3 m，高度為5.5 m，安裝仰角為5°，燈具額定功率為20 W;（3）兩側(cè)交錯(cuò)布燈：燈具縱向間距為8.89 m，橫向間距為3 m，高度為6.9 m，安裝仰角為10°，燈具額定功率為50 W;（4）拱頂側(cè)偏布燈：燈具縱向間距為8.89 m，橫向間距為2 m，高度為6.9 m，安裝仰角為10°，燈具額定功率為46 W。燈具均使用SPT-B40隧道LED燈，不同隧道照明優(yōu)化方案示意見圖2。

3 模擬分析結(jié)果

3.1 維修任務(wù)

由于該隧道分為前后兩段，為便于分析，取后段共計(jì)5 508 m進(jìn)行分析。一般而言，燈具的使用壽命是指光衰30%時(shí)（即燈具的養(yǎng)護(hù)系數(shù)為0.7），其平均壽命在50 000 h以上，由于本文分析均是使用同型號的SPT-B40隧道照明燈，那么隧道照明的維修任務(wù)就與燈具數(shù)量直接相關(guān)。對優(yōu)化前后共計(jì)五種布燈方式的燈具數(shù)量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見圖3。從圖中可以看到：在原設(shè)計(jì)照明方案下，共需要布置1 224個(gè)LED燈，在中央單排布燈方案下，僅需布置580個(gè)LED燈，在兩側(cè)對稱布置方案下，需要布置1 240個(gè)LED燈，而在兩側(cè)交錯(cuò)布燈和拱頂側(cè)偏布燈方案下則需要布置620個(gè)LED燈，從布燈數(shù)量上來講，中央單排布燈方案最少，因此其維修任務(wù)更少，其次為兩側(cè)交錯(cuò)布燈和拱頂側(cè)偏布燈方案。

3.2 節(jié)能降耗

對不同方案下的隧洞用電功率進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果見圖4。從圖4中可以看到：在原設(shè)計(jì)方案下，隧道的用電額定功率為48.96 kW，在優(yōu)化為中央單排方案后，用電額定功率降至25.52 kW，相較于原設(shè)計(jì)方案下降47.9%;兩側(cè)對稱布置方案下，用電額定功率僅為24.8 kW，較原設(shè)計(jì)方案下降49.3%;兩側(cè)交錯(cuò)布燈方案下，用電額定功率為31 kW，較原設(shè)計(jì)方案下降36.7%;拱頂側(cè)偏方案下，用電額定功率為27.9 kW，較原設(shè)計(jì)方案下降43%;各優(yōu)化方案下，用電量都較原設(shè)計(jì)方案有較大幅度下降，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的，其中雙排對稱布燈方式下雖然LED燈數(shù)量較多，但其燈具額定功率僅為20 W。因此，相對而言，兩側(cè)方案較原設(shè)計(jì)方案下降1/2左右，最為省電，其次為中央單排布置方案，再次為拱頂側(cè)偏方案。

根據(jù)上式分別計(jì)算得到了不同方案下的照度情況，如表1所示：在原設(shè)計(jì)方案下，隧道路面的最小照度為23.72 lx，小于規(guī)范設(shè)計(jì)要求的25 lx，而且，路面的平均照度在五種方案下最小，因此，原設(shè)計(jì)方案是需要進(jìn)行改進(jìn)的;在另外四種優(yōu)化方案中，兩側(cè)對稱布燈和拱頂側(cè)偏布燈方案的路面最小照度分別為24.78 lx和24.91 lx，表明兩種優(yōu)化方案也不滿足相關(guān)規(guī)范要求，故排除這兩種優(yōu)化方案。中央單排布燈和兩側(cè)交錯(cuò)布燈形式下，路面照度參數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，但是從上文分析可知，中央單排布燈情況下，燈具維修任務(wù)和隧道照明用電量較兩側(cè)交錯(cuò)布燈更少。因此，綜合各項(xiàng)因素分析，認(rèn)為中央單排布燈優(yōu)化方案最佳，可在過程中予以改良運(yùn)用。

4 結(jié)語

本文以廣西某高速公路隧道為背景，對原隧道照明布燈設(shè)計(jì)方案提出中央單排布燈、兩側(cè)對稱布燈、兩側(cè)交錯(cuò)布燈以及拱頂側(cè)偏布燈四種改良優(yōu)化方案，通過維修任務(wù)、節(jié)能降耗水平以及隧道路面照度參數(shù)的計(jì)算分析，認(rèn)為中央單排布燈方案（燈具縱向間距為9.5 m，高度為7 m，燈具的額定功率為44 W）光照效果良好，且具有更少的維修任務(wù)和用電量，建議在工程中進(jìn)行改良運(yùn)用。但是，隧道照明參數(shù)受隧道長度、高度、寬度等影響，其他隧道工程還需要做對應(yīng)分析。

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收稿日期：2020-05-27