高速公路隧道遮光棚經(jīng)濟性分析

韓 直，關雨嫣

(1. 招商局重慶交通科研設計院，重慶 400067； 2. 重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074)

0 引 言

近年來，隨著公路隧道的數(shù)量與規(guī)模不斷增長，截至2019年底，我國公路隧道數(shù)量達19 067處，總長約1 896.66萬米[1],與之伴隨的是高昂的運營費用和維護成本，節(jié)能問題日益突出。為了解決隧道照明能耗高和養(yǎng)護費用高等問題，已有不少科研工作者在此方面開展了大量研究并取得了相應進展[2-4]，其研究內(nèi)容大體為以下幾個方向：①替換隧道光源節(jié)能，將能耗高的燈源換為能耗低、光效高的LED燈[5]；②運營節(jié)能，如改變布燈方式、優(yōu)化燈具參數(shù)、多級調(diào)光控制隧道照明[6-9]；③其他措施節(jié)能，如洞口布設遮光棚或其他減光措施、太陽能LED照明等[10-12]。其中，遮光棚技術因其節(jié)能效果好、維護費用較低而被廣泛地應用。然而前者均僅在確定設立遮光棚的基礎上探討節(jié)能效果，而對于是否需要設置遮光棚還沒有較為準確的評估方法和判別標準，致使產(chǎn)生了有的隧道架設了遮光棚，卻造價昂貴、運營維護成本居高不下，而有的隧道沒有架設遮光棚，導致燈具消耗大量電能，甚至威脅到駕駛員的行車安全的情況。

因此，為解決以上問題，針對是否架設遮光棚兩種情況，建立了二者所需光通量的差值模型，并基于此分析了遮光棚與整個隧道的運營造價，為更準確地估計是否設置遮光棚提供更客觀、科學的依據(jù)，從而避免因決策不當造成資源浪費的問題，對降低工程造價，節(jié)省運營維護成本有著較高的工程應用價值和顯著的社會經(jīng)濟效益。

1 照明段落劃分

目前，對公路隧道照明段落的劃分以國際照明委員會(CIE)提出的視覺適應性曲線為主，可將公路隧道照明段落劃分為入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明及洞口接近段減光設施[13]。為敘述方便，筆者將入口段、過渡段簡化為視覺適應段，即隧道照明區(qū)段，其構(gòu)成如圖1。

根據(jù)視覺適應曲線，單個隧道入口處是否架設遮光棚兩種情況下所建立的亮度數(shù)學模型及其照明段落劃分如圖2。

根據(jù)視覺適應曲線，毗鄰隧道間是否架設遮光棚的兩種情況下所建立的亮度數(shù)學模型及段落劃分如圖3。

L20(S)：洞外亮度；L20(A)：適應點A亮度；Lth1、Lth2：入口段亮度； Ltr1、Ltr2、Ltr3：過渡段亮度；Lin：中間段亮度 圖1 隧道照明系統(tǒng)分段簡圖Fig. 1 Sectional diagram of tunnel lighting system

L20(S) ：洞外亮度；La1：不設遮光棚時的入口亮度；La2：設遮光棚時的入口亮度； La3：隧道中間段亮度；D11：隧道不設遮光棚時的視覺適應段長度； D12：隧道不設遮光棚時的中間段長度；D13：隧道不設遮光棚時的出口段長度； D21：隧道設遮光棚時的視覺適應段長度；D22：隧道設遮光棚時的中間段長度； D23：隧道設遮光棚時的出口段長度 圖2 單個隧道亮度模型Fig. 2 Single tunnel luminance model

L20(S) ：洞外亮度；La1：隧道1的入口亮度；La2：隧道2的入口亮度；La3：隧道1和隧道2的中間段亮度；D′11：隧道1的視覺適應段長度； D′12 ：隧道1的中間段長度，D′13 ：隧道1的出口段長度；D0：隧道1與隧道2之間的凈距；D′21 ：隧道2的視覺適應段長度； D′22 ：隧道2的中間段長度；D′23 ：隧道2的出口段長度；D31：隧道設遮光棚時的視覺適應段長度；D32：隧道設遮光棚時的中間段長度；D33：隧道設遮光棚時的出口段長度 圖3 毗鄰隧道亮度模型Fig. 3 Adjacent tunnel luminance model

2 數(shù)學模型

2.1 視覺適應段相關因素確定

2.1.1 照明段落長度確定

根據(jù)視覺適應曲線，隧道視覺適應段的亮度計算公式為：

(1)

式中：Ltr為視覺適應段亮度，cd/m2；Lth為入口亮度，cd/m2；v為車輛行駛速度，m/s；x為隧道視覺適應段長度，即車輛從入口駛?cè)氲木嚯x，m。

隧道視覺適應段長度x由式(1)可推出：

(2)

2.1.2 光通量的確定

隧道照明段落所需要的光通量φ可由式(3)確定：

φ=D·w·Lu·η

(3)

式中：D為照明段落長度，m；w為隧道照明寬度(含兩邊墻高各2 m范圍)，m;Lu為照明段落亮度，cd/m2；η為反射系數(shù)，lx/(cd/m2)。

文中視覺適應段亮度由式(1)決定，可由式(1)、式(3)得出視覺適應段的光通量為：

(4)

2.2 單個隧道

隧道視覺適應段長度由車輛行駛速度、隧道入口段亮度和入口亮度決定。根據(jù)細則[13]，隧道出口段長度為60 m。由式(2)～式(4)可得出隧道是否架設遮光棚兩種情況下的各個照明段落長度及相對應的光通量，如表1。

表1 單個隧道照明段落長度及光通量Table 1 Length and luminous flux of single tunnel lighting section

則設遮光棚與不設遮光棚所需光通量的差值模型為:

(5)

2.3 毗鄰隧道

同理，毗鄰隧道間架設遮光棚時，由式(2)～式(4)可得出隧道是否架設遮光棚兩種情況下的各個照明段落長度及相對應的光通量。不架設遮光棚時，隧道1與隧道2各個照明段落長度及光通量計算均與單個隧道的照明段落長度及光通量計算方法相同，即可得到毗鄰隧道照明段落長度及光通量，如表2。

表2 毗鄰隧道照明段落長度及光通量Table 2 Length and luminous flux of adjacent tunnel lighting section

同理，可得毗鄰隧道間架設遮光棚的光通量差值模型：

(6)

式中：φY為設遮光棚時，將隧道1與隧道2看作一個整體時的總光通量；φN1為不設遮光棚時，隧道1的總光通量；φN2為不設遮光棚時，隧道2的總光通量。

2.4 照明功率

以P表示設遮光棚與不設遮光棚所需照明功率之差，設照明燈具照到路面上的光效為τ，lm/w,則

(7)

3 討 論

在照明經(jīng)濟性分析中，各類照明方式的主要計算內(nèi)容分為以下幾個部分：設備首次投資費用，壽命期內(nèi)耗電費用以及后續(xù)維護費用。其中，影響照明燈具經(jīng)濟性的因素包括燈具數(shù)量、折舊年數(shù)、燈具清掃費單價、折舊年限、日常維護費用以及耗電費用等[14]。而在隧道節(jié)能領域使用遮光棚技術能夠極大地節(jié)省燈具費用以及電力資源。在遮光棚技術中，遮光棚建設費與遮光棚長度、建筑材料以及設置形式等相關，應結(jié)合目標工程的實際情況確定建筑材料以及設置形式，從而確定單位長度下遮光棚建設費[15]。

從遮光棚的初期建設費用與后續(xù)維護費用入手，對遮光棚的經(jīng)濟性進行以下分析：

1)若僅考慮遮光棚初期建設費用，設照明燈具照到路面上的光效性價比為e，元/lm。與不設遮光棚相比，設遮光棚時，照明燈具消耗的光通量少，即節(jié)省下來的燈具光通量的費用為-ey；設遮光棚需要的建設費用為m1，則當-ey≥m1時，即滿足條件ey+m1≤0時，在隧道的入口段處設置遮光棚更具照明經(jīng)濟性。

2)若考慮遮光棚初期建設費用與后續(xù)維護費用，設照明燈具年維護費用為f1，元/w；設電費為f2，元/w；設遮光棚年維護費用為m2，元。與不設遮光棚相比，設遮光棚時，照明燈具消耗的光通量不僅少，而且消耗的電費及單位功率上需要的維護費用也少，即節(jié)省下來的光通量費用、電費及燈具維護費總和為-ey-f2P-f1P。設遮光棚需要的建設費用為m1、遮光棚年維護費用為m2，則當 -ey-f2P-f1P≥m1+m2時，即滿足條件ey+m1+f2P+f1P+m2≤0時，在隧道的入口段處設置遮光棚更具照明經(jīng)濟性。

4 結(jié) 語

在當前“綠色交通”背景下，筆者針對隧道照明節(jié)能問題基于視覺適應性曲線建立了設立、不設立遮光棚兩種情況下所需光通量的差值模型(即y)。在照明經(jīng)濟性討論中，得出如下結(jié)論：若僅考慮遮光棚建設費用，當滿足條件ey+m1≤0時，設立遮光棚更具照明經(jīng)濟性；若考慮遮光棚建設費與后續(xù)維護費，當滿足條件ey+m1+f2P+f1P+m2≤0時，設立遮光棚更具照明經(jīng)濟性。筆者基于光通量差值模型，結(jié)合遮光棚的經(jīng)濟性提出了設置遮光棚的條件，為科學客觀設置遮光棚提供依據(jù)，同時滿足隧道入口段的照明需求，且大大降低了隧道入口處的照明能耗，實現(xiàn)了“節(jié)能減排”、“綠色經(jīng)濟”的目標，有著長遠的工程應用前景和顯著的社會經(jīng)濟效益。