高速公路隧道照明節(jié)能設(shè)計研究

劉 玄

北京興延高速公路有限公司，北京 102200

0 引言

公路隧道場地環(huán)境相對特殊，當(dāng)駕駛?cè)藛T駛?cè)胨淼罆r，會經(jīng)歷由亮環(huán)境到暗環(huán)境的駕駛過程，產(chǎn)生黑洞效應(yīng)；當(dāng)駕駛員駛出隧道時，會從暗環(huán)境過渡到亮環(huán)境，產(chǎn)生白洞效應(yīng)[1]。在這些過程中，駕駛員的視覺會存在明顯的滯后性，無法在短時間內(nèi)適應(yīng)環(huán)境亮度的變化。當(dāng)駕駛員長時間處于隧道黑洞效應(yīng)與白洞效應(yīng)的交替環(huán)境中，其駕駛舒適度會嚴(yán)重降低，同時，還會增加交通事故發(fā)生概率。

為保障駕駛員可以在公路隧道環(huán)境中安全駕駛，并擁有良好的視覺環(huán)境，高速公路隧道工程項目參建單位需要重視隧道內(nèi)部的照明設(shè)計。以往的設(shè)計通常圍繞交通量、車輛速度來設(shè)計隧道內(nèi)部的照明亮度。這種設(shè)計方法雖然強(qiáng)調(diào)了安全性，但是在實踐應(yīng)用中，往往會增加電能消耗。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，電費支出約占據(jù)高速公路隧道工程運營總費用的75%；而在電費支出中，隧道照明用電費用可占據(jù)90%。由此可見，在保障公路隧道照明安全性的前提下，隧道照明的能耗問題已經(jīng)成為當(dāng)前高速公路隧道施工建設(shè)需要重點解決的問題。

1 高速公路隧道照明存在的問題及其原因

近年來，隨著照明技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)高速公路隧道工程項目開始主動應(yīng)用新技術(shù)、新設(shè)備，以營造良好的隧道視覺環(huán)境。部分高速公路隧道工程建設(shè)單位為減少能源消耗，會優(yōu)先選擇高功率的高壓氣燈及高反射率的材料。但是在實際的高速公路隧道工程中，照明技術(shù)及設(shè)備系統(tǒng)在使用過程中的能耗問題依舊突出，甚至部分照明系統(tǒng)在運行過程中存在明顯的電能資源浪費問題。如果高速公路隧道運營期間通過的車輛較少，相關(guān)工作人員通常會采取開啟單側(cè)燈及交錯間隔開燈等方式，達(dá)到減少電能資源浪費的目的，但是這種方式難以保障行車安全。而且，受到設(shè)計因素及施工因素的影響，高速公路隧道的照明效果未達(dá)到預(yù)期[2]。高速公路隧道照明存在的主要問題及其原因如下。

1.1 隧道照明亮度超過實際需求

結(jié)合以往經(jīng)驗，照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計需要考慮車速及洞口亮度。一般情況下，設(shè)計人員會以照明燈具的功率及分布情況作為主要設(shè)計依據(jù)，并且在取值時以取最大值為主，導(dǎo)致照明系統(tǒng)亮度明顯超過實際需求，引發(fā)電力資源浪費問題。

1.2 專線供電電壓較高

高速公路隧道工程項目通常采取專網(wǎng)專線方式實現(xiàn)高質(zhì)量供電，在供電期間通過箱變改變電壓的方式供電。但是在這一過程中，實際電壓會明顯超過預(yù)期。因此，在電能輸送過程中，設(shè)計人員還需要考慮降壓因素，以防止對燈具使用壽命造成負(fù)面影響。

1.3 三相電壓不平衡

在安裝照明系統(tǒng)的過程中，部分施工人員未按照預(yù)期設(shè)計方案進(jìn)行規(guī)范操作，導(dǎo)致三相電壓不平衡。再加上電網(wǎng)輸入電壓的過程存在波動問題，容易引發(fā)電能浪費現(xiàn)象。如果不及時解決上述問題，高速公路隧道照明用電期間的能耗問題會越來越嚴(yán)重[3]。

2 節(jié)能技術(shù)在高速公路隧道照明中的應(yīng)用意義

傳統(tǒng)高速公路隧道照明的施工設(shè)計方式問題明顯，如果施工設(shè)計人員未能深刻認(rèn)識傳統(tǒng)設(shè)計方式的不足，高速公路隧道照明系統(tǒng)存在的電能資源浪費、經(jīng)濟(jì)損失等問題會越來越嚴(yán)重。為進(jìn)一步提高高速公路隧道照明系統(tǒng)的運行效率，相關(guān)工作人員主動將節(jié)能設(shè)計理念及相關(guān)技術(shù)引入高速公路隧道照明的施工設(shè)計體系，通過科學(xué)設(shè)計與合理應(yīng)用，可以取得良好的應(yīng)用效果。

2.1 保障高速公路隧道行車安全

保障高速公路隧道行車安全始終是高速公路隧道工程項目的重點。高速公路隧道環(huán)境相對特殊，需要借助照明系統(tǒng)達(dá)到良好的視覺環(huán)境效果。節(jié)能減排理念下的照明設(shè)計工作更加強(qiáng)調(diào)可持續(xù)性與科學(xué)性，為確保高速公路隧道照明用電的可持續(xù)性與科學(xué)性，相關(guān)部門及主體參建單位應(yīng)該圍繞高速公路隧道照明工程系統(tǒng)的設(shè)計問題進(jìn)行統(tǒng)籌部署。在部署規(guī)劃過程中，設(shè)計人員可依托新型照明燈具設(shè)備及相關(guān)技術(shù)、材料，補(bǔ)齊傳統(tǒng)高速公路隧道照明體系存在的短板，為駕駛員提供良好的視覺環(huán)境。

2.2 維持高速公路隧道行車安全與投資成本之間的平衡

隨著節(jié)能減排理念的推廣，高速公路隧道工程對照明系統(tǒng)的應(yīng)用需求發(fā)生了顯著改變。在施工設(shè)計過程中，除了需要滿足高速公路隧道的行車安全標(biāo)準(zhǔn)，還需要結(jié)合高速公路隧道施工區(qū)域的場地環(huán)境及實際需求，科學(xué)設(shè)計與高效應(yīng)用隧道照明系統(tǒng)。為保證高速公路隧道行車安全與投資成本之間的平衡，設(shè)計人員應(yīng)該統(tǒng)籌部署節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，并解決相關(guān)設(shè)計問題。通過不斷提高電能的利用效率，解決隧道照明系統(tǒng)的電能資源浪費問題，減少后期運營費用。與此同時，設(shè)計人員可立足節(jié)能減排理念，應(yīng)用新型照明技術(shù)及新型材料，并通過合理設(shè)計隧道照明系統(tǒng)施工方案，增強(qiáng)隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能運行效果[4]。

總之，在高速公路隧道照明設(shè)計工作中融入節(jié)能減排理念，可以進(jìn)一步促進(jìn)高速公路隧道施工建設(shè)項目的健康、持續(xù)發(fā)展[5]。

3 高速公路隧道照明的節(jié)能設(shè)計措施

3.1 設(shè)計高效、科學(xué)的智能照明控制系統(tǒng)

洞外亮度始終是影響高速公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計效果的重要指標(biāo)。當(dāng)前，部分參建單位未結(jié)合實際情況分析洞外亮度等重要指標(biāo)，而是盲目地采用規(guī)范最大值，容易引發(fā)電能資源浪費問題。與此同時，隧道交通情況也會對高速公路隧道照明需求產(chǎn)生影響。結(jié)合以往的設(shè)計應(yīng)用經(jīng)驗，當(dāng)隧道交通量較大時，電能需求量也較大。對此，在具體設(shè)計過程中，可結(jié)合不同時間段的交通量合理控制照明系統(tǒng)，如合理設(shè)定白天與夜晚的開燈時間。然而，在設(shè)定開燈時間時雖然可以讓維管人員到現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是這一做法會增加高速公路的運維費用，并存在諸多不確定性。

為解決上述問題，并減少白洞效應(yīng)與黑洞效應(yīng)帶來的負(fù)面影響，施工設(shè)計人員在規(guī)劃高速公路隧道照明節(jié)能方案時，應(yīng)該將智能照明控制技術(shù)應(yīng)用于高速公路隧道照明節(jié)能建設(shè)。例如，可以利用智能化監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測、分析當(dāng)前隧道車流量及隧道內(nèi)外部的亮度情況，根據(jù)數(shù)據(jù)反饋結(jié)果自動調(diào)節(jié)燈具。這樣一來，不僅可以滿足隧道行車需求，也可以減少白洞效應(yīng)與黑洞效應(yīng)帶來的負(fù)面影響。更重要的是，基于智能照明控制技術(shù)的高速公路隧道照明系統(tǒng)可以減少電力消耗，并為駕駛員提供良好的視覺環(huán)境。

利用智能化的控制手段也可以調(diào)節(jié)、管理照明系統(tǒng)的運行時間及照明亮度。例如，可根據(jù)隧道內(nèi)外的實際照度對比值，利用智能化控制技術(shù)管理照明系統(tǒng)的運行過程。當(dāng)隧道內(nèi)外的實際照度對比值超過1∶15時，智能化控制器會自動啟動白天的照明燈具；當(dāng)對比值小于1∶15時，智能化控制器會自動啟動夜晚的照明燈具。除此之外，在安裝智能照明系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備時，現(xiàn)場施工人員應(yīng)該嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙要求，加強(qiáng)對細(xì)節(jié)的處理。并且在后期的運行過程中，做好全過程的控制監(jiān)管工作，以切實增強(qiáng)高速公路隧道照明系統(tǒng)的照明效果[6]。

3.2 健全、優(yōu)化照明供配電系統(tǒng)

供配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計是高速公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計的重難點，在具體的優(yōu)化設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)該結(jié)合隧道的行車照明基本需求，及時補(bǔ)齊傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)存在的設(shè)計短板。設(shè)計人員應(yīng)該重點優(yōu)化、調(diào)節(jié)變壓器的負(fù)荷率，減少變壓器負(fù)荷率過低而引發(fā)的電能資源浪費問題[7]。

此外，設(shè)計人員應(yīng)盡量選擇節(jié)能設(shè)備，如LED照明燈具。如果高速公路隧道已經(jīng)安裝高壓鈉燈，為減少電能損耗問題，設(shè)計人員可將其與節(jié)能鎮(zhèn)流器搭配使用；或采用照明節(jié)電控制設(shè)備，加強(qiáng)對高壓鈉燈運行全過程的自動控制與管理，如可結(jié)合高壓鈉燈的啟動特性，采取全壓啟動方式，保障燈泡的各項參數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)；也可以利用切實可行的技術(shù)方法，合理調(diào)整輸出電壓，以避免產(chǎn)生沖擊電流[8]。

3.3 定期維護(hù)隧道配電設(shè)備

為保障高速公路隧道照明系統(tǒng)始終處于高效、穩(wěn)定的運行狀態(tài)，施工單位在完成高速公路隧道照明施工建設(shè)工作之后，應(yīng)該指派專業(yè)人員定期對隧道的配電設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，通過保障隧道配電設(shè)備的電路通暢，提高高速公路隧道照明系統(tǒng)的安全運行水平。

維護(hù)管理人員在維護(hù)保養(yǎng)隧道配電設(shè)備的過程中，應(yīng)該結(jié)合隧道配電設(shè)備的運行狀態(tài)，識別隧道配電設(shè)備可能出現(xiàn)的風(fēng)險，并采取科學(xué)合理的應(yīng)對措施加以處理。如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前隧道配電設(shè)備的能耗問題相對嚴(yán)重，管理人員可適當(dāng)更新照明系統(tǒng)及相關(guān)燈具設(shè)備，以增強(qiáng)高速公路隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能效果。

3.4 結(jié)合使用高壓鈉燈與LED燈具

目前，大多數(shù)高速公路隧道施工單位在照明施工設(shè)計方面都采用了LED燈具與高壓鈉燈相結(jié)合的照明方案。LED燈具與高壓鈉燈的結(jié)合使用，可以進(jìn)一步增強(qiáng)照明系統(tǒng)的靈敏性及節(jié)能效果。

結(jié)合以往的經(jīng)驗來看，高壓鈉燈的透霧能力較強(qiáng)且靈敏度較高，在使用過程中可提高駕駛員的觀測效果。與此同時，因隧道空間環(huán)境相對封閉且沒有外來光源，在照明燈具設(shè)備的選用上應(yīng)該盡量選擇顯色度良好的照明設(shè)備，而LED燈具不僅顯色性良好，滿足駕駛需求，而且成本費用較低。高速公路隧道出入口對于安全性能的要求相對嚴(yán)格，通過采取組合照明的方式可增強(qiáng)照明系統(tǒng)的整體亮度，并且減少能耗。

3.5 規(guī)范設(shè)置照明功率

為確保高速公路隧道照明的節(jié)能設(shè)計效果達(dá)到預(yù)期，設(shè)計人員應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)有法律、法規(guī)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對照明參數(shù)進(jìn)行科學(xué)計算與精準(zhǔn)測量，以強(qiáng)化燈具的照明功率及亮度效果。通常情況下，設(shè)計人員可以將隧道的5 000 m處作為照明功率的參考點，2 500 m處的照明功率應(yīng)該控制在5 000 m處照明功率的50%左右；1 000 m處的照明功率應(yīng)該控制在5 000 m處的65%～75%。受場地環(huán)境條件影響，照明功率可能無法按照上述要求進(jìn)行合理設(shè)置。因此，相關(guān)負(fù)責(zé)人員在確定照明功率之前，應(yīng)該深入施工場地，準(zhǔn)確把握現(xiàn)場環(huán)境條件。

3.6 優(yōu)化隧道出入口照明

隧道出入口是高速公路隧道中電力資源能耗較高的區(qū)域。為減少光線對駕駛員視覺的負(fù)面影響，在設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)遵循節(jié)能減排及可持續(xù)發(fā)展理念，重點研究隧道外部與進(jìn)出口連接處的光照射效應(yīng)?？梢酝ㄟ^種植植物等方式，減輕入口亮度；也可以在入口位置或者內(nèi)部位置放置瓷磚，以增加隧道出入口亮度，保障內(nèi)外照明效果。在鋪設(shè)瓷磚之前，施工人員應(yīng)該精準(zhǔn)測量場地環(huán)境，確保所使用的瓷磚適用于隧道照明施工。

4 結(jié)論

總而言之，隨著高速公路隧道建設(shè)水平的持續(xù)提升，高速公路隧道照明系統(tǒng)施工建設(shè)及相關(guān)節(jié)能應(yīng)用問題逐漸受到關(guān)注。根據(jù)不完全的調(diào)查統(tǒng)計，我國大多數(shù)高速公路的隧道運營費用中的90%用于隧道照明。不難看出，高速公路隧道照明用電建設(shè)成本較高且能耗問題嚴(yán)重。因此，減少隧道照明能耗始終是高速公路隧道施工建設(shè)的重點問題。通過文章的研究，可以明確高速公路隧道照明節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的重要性及可行性。在今后的施工建設(shè)中，高速公路工程項目參建單位應(yīng)該深刻認(rèn)識節(jié)能減排理念及可持續(xù)發(fā)展理念的重要性，運用科學(xué)合理的新型照明設(shè)備及節(jié)能技術(shù)手段，消除傳統(tǒng)照明體系存在的短板。除此之外，設(shè)計人員應(yīng)該始終堅持節(jié)能減排的設(shè)計理念，重點研究照明控制系統(tǒng)以供配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計問題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合使用智能照明控制技術(shù)，為駕駛員提供良好的視覺環(huán)境及安全通行環(huán)境。