公路隧道側(cè)壁反射率及涂裝高度對(duì)照明的影響研究

石開榮，張彥曉

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

引言

2021年10月，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》，要求有力有序有效地做好碳達(dá)峰工作，確保如期實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)。其中對(duì)交通行業(yè)提出的要求為將綠色低碳理念貫穿于交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)全過程，降低全生命周期能耗和碳排放。公路隧道在改善公路技術(shù)狀態(tài)、縮短運(yùn)行距離、提高運(yùn)輸能力、減少事故等方面起到重要的作用。作為交通基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分，隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)運(yùn)營(yíng)公路隧道數(shù)量及里程長(zhǎng)度均位居世界前列。2010年到2020年期間，我國(guó)公路隧道增加了20 578座，里程增長(zhǎng)1 687.67萬延米。伴隨著運(yùn)營(yíng)里程的增長(zhǎng)，隧道照明能耗問題日益凸顯，已成為隧道運(yùn)營(yíng)的主要成本之一。照明設(shè)施的高能耗與“碳達(dá)峰”理念不符，開展隧道照明節(jié)能研究，在滿足隧道安全運(yùn)營(yíng)的前提下節(jié)約能源，降低隧道碳排放，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本是十分必要的[1-4]。

隧道照明設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)主要依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)開展，對(duì)隧道照明亮度、均勻度等作出要求，同時(shí)提出路面兩側(cè)2 m高范圍內(nèi)墻面宜鋪設(shè)反射率高的材料[5]。隧道墻面反射與襯托作用在隧道照明中非常重要，不容忽視。普通雙車道隧道斷面弧長(zhǎng)約21 m，兩側(cè)2 m高范圍只占隧道側(cè)壁面積約20%，隧道拱腰及拱頂?shù)拿娣e范圍較大，對(duì)隧道照明有較大影響，若能夠通過提高隧道側(cè)壁反射率提高隧道路面亮度，則可在初裝階段降低照明燈具功率或者通過無級(jí)調(diào)光進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而降低照明建設(shè)成本及運(yùn)營(yíng)能耗。目前對(duì)照明控制、燈具選擇等方面的節(jié)能研究較多，通過增強(qiáng)隧道側(cè)壁反射率降低照明能耗的工程實(shí)例較少，依然有較大節(jié)能空間及研究?jī)r(jià)值。本文主要研究隧道側(cè)壁反射率對(duì)路面亮度的影響，明確具體影響比例；同時(shí)通過試驗(yàn)研究，明確公路隧道側(cè)壁涂料的最佳涂裝高度。

若要研究隧道側(cè)壁涂料反射率及涂裝高度對(duì)照明的影響，需要實(shí)際改變隧道側(cè)壁涂料，這將耗費(fèi)大量的財(cái)力和人力，可行度相對(duì)較低。因此，本文將基于DIALux Evo照明設(shè)計(jì)軟件，研究隧道側(cè)壁涂料反射率及涂裝高度對(duì)隧道照明的影響，為其實(shí)際運(yùn)用提供相關(guān)的理論支撐。

1 隧道照明影響因素及反射增量系數(shù)

1.1 隧道照明影響因素

隧道照明既要滿足相關(guān)規(guī)范的亮度要求，避免出現(xiàn)隧道“黑洞”及“白洞”效應(yīng)，保證隧道的行車安全，同時(shí)需要考慮提高照明質(zhì)量，增強(qiáng)隧道內(nèi)行車的舒適性。在保證安全的前提下，照明節(jié)能降耗也一直是研究熱點(diǎn)，同時(shí)也是國(guó)務(wù)院碳達(dá)峰行動(dòng)方案的要求。隧道照明效果受諸多因素影響，主要分為以下幾類：

①隧道照明燈具光源選擇；

②隧道照明燈具布置方式；

③隧道接近段減光，降低隧道洞外亮度；

④隧道照明調(diào)光控制；

⑤隧道側(cè)壁材料選擇。

其中①～④已經(jīng)有較多的專家學(xué)者研究，相關(guān)理論已經(jīng)較為成熟并且已經(jīng)有較多的實(shí)體工程采用，產(chǎn)生了良好的節(jié)能及環(huán)保效果[6-8]。側(cè)壁材料對(duì)隧道照明的影響研究相對(duì)較少，目前隧道側(cè)壁多數(shù)依然為原始狀態(tài)，造成的能源浪費(fèi)較多。通過增強(qiáng)隧道側(cè)壁反射率及合理設(shè)置涂裝高度，降低隧道照明能耗，有較高的研究?jī)r(jià)值。隧道內(nèi)裝常用的材料有混凝土材料、裝飾面板、瓷磚、涂料、油漆等材質(zhì)[9]，其中不同材質(zhì)有不同的反射率，將會(huì)產(chǎn)生不同的照明效果。

1.2 反射增量系數(shù)

隧道照明中，因隧道內(nèi)表面光線的反射使得路面照度提高的比例系數(shù)稱作隧道照明反射增量系數(shù)[10]，按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

反射增量系數(shù)反映的是隧道側(cè)壁及路面等材質(zhì)表面對(duì)隧道照明燈光反射后，隧道路面亮度的變化情況，增量系數(shù)越高，隧道路面亮度越高，越有利于隧道照明節(jié)能。影響反射增量系數(shù)的主要因素為隧道側(cè)壁反射率，其次受隧道照明燈具安裝角度、高度等因素的影響。

2 照明計(jì)算分析

2.1 隧道基礎(chǔ)信息

隧道基本情況：高速公路雙向四車道隧道，左右洞長(zhǎng)度均為1 000 m，凈寬10.25 m，建筑限界凈高5.0 m，路面寬度7.5 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，隧道內(nèi)路面為瀝青混凝土路面，遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)交通量為800[veh/(h·ln)]。依據(jù)JTG/T D70/2-01—2014[5]要求及隧道基本情況計(jì)算，中間段亮度取值2.5 cd/m2，路面亮度總均勻度U0值為0.353，路面中線亮度縱向均勻度U1取值為0.553。

照明燈具選擇：經(jīng)過多年的發(fā)展，LED照明技術(shù)已經(jīng)很成熟，LED隧道照明燈具由于良好的節(jié)能效果及顯色性能，已經(jīng)成為公路隧道照明的首選。且按JTG/T D70/2-01—2014[5]要求，當(dāng)顯色指數(shù)Ra≥65，色溫介于3 500～6 500 K的LED光源用于隧道基本照明時(shí)，亮度可按標(biāo)準(zhǔn)值的50%取值(不低于1 cd/m2)，因此本文采用LED隧道照明燈具，燈具功率為50 W，色溫為4 000 K，配光曲線如圖1所示。

圖1 照明燈具配光曲線Fig.1 Light distribution curve of lighting fixtures

燈具布置形式：目前高速公路隧道燈具布置形式主要有中線形式、中線側(cè)偏形式、兩側(cè)對(duì)稱布置、兩側(cè)交錯(cuò)布置等。本文依據(jù)該隧道實(shí)際燈具布置情況，采用雙側(cè)交錯(cuò)布置進(jìn)行模擬。

2.2 隧道模型搭建

本文采用DIALux Evo照明設(shè)計(jì)軟件對(duì)該隧道進(jìn)行模擬仿真，隧道模型按以下步驟搭建：

1)依據(jù)隧道橫斷面內(nèi)輪廓圖搭建隧道模型，設(shè)置路面及隧道表面材質(zhì)。隧道為瀝青混凝土路面，路面反射率設(shè)置為11%，側(cè)壁未涂裝部分選用普通混凝土面板材質(zhì)，反射率為30%[11]，涂裝部分按實(shí)際試驗(yàn)情況設(shè)置。隧道模型搭建如圖2和圖3所示。

圖2 隧道模型(外部)Fig.2 Tunnel model(outside)

圖3 隧道模型(內(nèi)部)Fig.3 Tunnel model(inside)

2)布置照明燈具，調(diào)整安裝角度及養(yǎng)護(hù)系數(shù)等內(nèi)容。模擬隧道中間段照明，采用雙側(cè)交錯(cuò)布燈方式，布燈間距為10 m，燈具設(shè)置高度為5.5 m，燈具安裝角度為45°。按照J(rèn)TG/T D70/2-01—2014[5]要求，燈具養(yǎng)護(hù)系數(shù)為0.7。

3)設(shè)置照明亮度計(jì)算區(qū)域，用于路面照明亮度及均勻度的計(jì)算，如圖4所示。

圖4 亮度計(jì)算區(qū)域(30 m×7 m)Fig.4 Brightness calculation area(30 m×7 m)

2.3 照明試驗(yàn)

JTG/T D70/2-01—2014[5]提出路面兩側(cè)2 m高范圍內(nèi)墻面宜鋪設(shè)反射率高的材料，因此本研究從2 m開始，依次增加涂裝高度。在不同的隧道側(cè)壁反射率下進(jìn)行模擬，分析不同涂裝高度及反射率對(duì)隧道照明亮度的影響。

試驗(yàn)方法：在隧道照明燈具安裝高度、角度等條件一致的情況下，改變隧道側(cè)壁反射率及涂裝高度，進(jìn)行模擬研究。分別在涂裝高度2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、7.5 m(全斷面)情況下，反射率30%～90%區(qū)間內(nèi)，每隔10%進(jìn)行一次模擬，共進(jìn)行49次模擬實(shí)驗(yàn)。記錄不同安裝高度及隧道側(cè)壁反射率下的路面平均照度、路面亮度總均勻度、路面中線亮度縱向均勻度情況，結(jié)果見表1～表3。

表1 不同側(cè)壁反射率及涂裝高度下路面平均照度(lx)Table 1 Average road surface illuminance under different sidewall reflectivity and coating height(lx)

表2 不同側(cè)壁反射率及涂裝高度下路面亮度總均勻度Table 2 Overall uniformity of road surface luminance under different sidewall reflectivity and coating height

表3 不同側(cè)壁反射率及涂裝高度下路面中線亮度縱向均勻度Table 3 Longitudinal uniformity of road surface luminance under different sidewall reflectivity and coating height

通過模擬計(jì)算，可得到隧道照明效果及偽色效果圖，形象展示隧道照明實(shí)際狀態(tài)，如圖5為涂裝高度4 m、涂裝部分側(cè)壁反射率70%的效果圖，圖6為其對(duì)應(yīng)的照明偽彩色圖。

圖5 隧道照明效果圖Fig.5 Tunnel lighting renderings

圖6 隧道照明偽色圖Fig.6 Tunnel lighting false color map

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 側(cè)壁反射率對(duì)隧道照明的影響分析

將計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出相關(guān)照明指標(biāo)統(tǒng)計(jì)圖，可明顯看出不同隧道側(cè)壁反射率下相關(guān)指標(biāo)的變化趨勢(shì)。圖7～圖9分別為不同涂裝高度和反射率下隧道路面平均照度及照明反射增量系數(shù)、路面亮度總均勻度和路面中線亮度縱向均勻度的變化情況。

圖7 路面平均照度及反射系數(shù)增量Fig.7 Average road surface illuminance and reflectance increment

圖8 路面亮度總均勻度Fig.8 Overall uniformity of road surface luminance

圖9 路面中線亮度縱向均勻度Fig.9 Longitudinal uniformity of road surface luminance

隧道中間段亮度取值2.5 cd/m2，根據(jù)JTG/T D70/2-01—2014[5]要求折合為37.5 lx。從路面平均照度看，不同側(cè)壁反射率下均滿足要求。路面照度與隧道側(cè)壁反射率基本呈線性關(guān)系，隨著側(cè)壁反射率的增加，路面照度增強(qiáng)。涂裝高度為2 m，反射率由30%增長(zhǎng)到90%時(shí)，路面平均照度由43.0 lx增長(zhǎng)到45.9 lx，增加了約7%。涂裝高度為7.5 m(全斷面)時(shí)，路面平均照度由43.0 lx增長(zhǎng)到64.2 lx，增加了約49%。照明反射增量系數(shù)同樣隨著側(cè)壁反射率的增加而增強(qiáng)，大幅度提高了隧道路面亮度，有利于隧道照明節(jié)能。

從路面亮度均勻度及縱向均勻度看，各種反射率下均能滿足JTG/T D70/2-01—2014[5]要求。隨著隧道側(cè)壁反射率的增加，路面亮度總均勻度、路面中線亮度縱向均勻度均呈增加趨勢(shì)。增強(qiáng)隧道側(cè)壁反射率有利于增強(qiáng)隧道照明質(zhì)量，提高隧道行車舒適性及安全性。

3.2 側(cè)壁涂裝高度對(duì)照明的影響分析

隧道側(cè)壁涂裝高度變化時(shí)路面照度及反射增量系數(shù)變化情況如圖10所示。在雙側(cè)交錯(cuò)布燈時(shí)，路面照度與涂裝高度基本呈線性關(guān)系。隨著涂裝高度的增加，路面照度增強(qiáng)，隧道拱頂?shù)炔课灰廊粚?duì)隧道照明有影響。反射增量系數(shù)也基本成線性增長(zhǎng)，有利于隧道照明節(jié)能。路面亮度總均勻度及路面中線亮度縱向均勻度變化情況如圖8和圖9所示，在相同側(cè)壁反射率下，二者均隨涂裝高度的增加而增強(qiáng)。

圖10 路面平均照度及反射系數(shù)增量Fig.10 Average road surface illuminance and reflectance increment

由此可得出結(jié)論，在雙側(cè)交錯(cuò)布燈時(shí)，隧道路面亮度與側(cè)壁涂裝高度基本呈線性關(guān)系，最佳涂裝高度為全斷面涂裝，最有利于照明節(jié)能。

4 結(jié)論

將綠色低碳理念貫穿于公路隧道的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)全過程，降低全生命周期能耗和碳排放，是國(guó)家“碳達(dá)峰”的要求，也是公路隧道運(yùn)營(yíng)的發(fā)展趨勢(shì)和必然選擇。本文通過計(jì)算機(jī)軟件模擬計(jì)算并進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

(1)隧道路面平均亮度與隧道側(cè)壁反射率基本呈線性關(guān)系，路面亮度隨著側(cè)壁反射率增大而增強(qiáng)。提高隧道側(cè)壁反射率能夠提高隧道照明質(zhì)量，有利于隧道照明節(jié)能。

(2)在雙側(cè)交錯(cuò)布燈時(shí)，隧道路面亮度與側(cè)壁涂裝高度基本呈線性關(guān)系，路面亮度隨著涂裝高度增加而增強(qiáng)。最佳涂裝方式為全斷面涂裝，最有利于照明節(jié)能。

(3)不同涂裝高度下，隧道側(cè)壁反射率每增長(zhǎng)10%，路面亮度對(duì)應(yīng)增長(zhǎng)比例見表4。

表4 不同涂裝高度下路面亮度增長(zhǎng)率Table 4 Growth rate of road surface luminance under different coating heights

由于隧道現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多樣，照明設(shè)施的設(shè)計(jì)也需要結(jié)合隧道實(shí)際，采用合適的節(jié)能方案。本文僅采用計(jì)算機(jī)軟件模擬計(jì)算的方式開展研究，相關(guān)研究結(jié)果在實(shí)體工程中的應(yīng)用效果還需進(jìn)一步探索。