論公路隧道照明節能

王少飛 涂 耘 鄧 欣 張 琦 陳建忠 李 科 趙清碧 吳小麗

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司隧道建設與養護技術交通行業重點實驗室，重慶400067;2.國家山區公路工程技術研究中心，重慶400067)

1 引言

截至2010年，全國公路隧道為7384處、512.26萬米(如圖1所示)，其中，特長隧道265處、113.80萬米，長隧道1218處、202.08萬米。公路隧道作為能源消耗大戶，其照明節能問題逐步得到相關行政機構、運營公司、科研院所和社會團體的高度重視［1～3］，通過聯合技術攻關、示范工程建設和成果推廣應用，目前我國已基本掌握公路隧道照明節能成套關鍵技術［4～7］，為交通運輸節能減排事業做出了突出貢獻。然而，從實踐情況看，公路隧道“綠色照明”工作發展還不平衡，仍存在不少深層問題和薄弱環節。公路隧道照明節能是一項系統工程，本文在調查分析公路隧道照明能耗嚴重原因的基礎上，從宏觀層面分析公路隧道照明節能的各個必須環節，提出結構性、技術性和管理性節能措施，以期為推動公路隧道照明節能發展提供有益參考。

圖1 我國公路隧道發展狀況(2000～2010)

2 公路隧道照明能耗嚴重原因

通過對大量投入使用公路隧道運營管理情況的調研［8］，存在的突出問題是公路隧道照明系統“建得起、用不起”，公路隧道照明系統運營電費及養護開支成為管理公司沉重的負擔。目前國內公路隧道照明能耗嚴重的原因如下:

1) 公路隧道照明系統設計超標

其主要表現形式為公路隧道實際照明亮度遠遠高于運營需求亮度，造成公路隧道照明系統規模過于龐大、電能嚴重浪費。這主要在于設計人員未能切實理解和嚴格執行規范［9］要求，基礎參數取值過于保守，且忽視了設計方案的創新性，致使其過于模式化，未能“因隧制宜”。

2) 公路隧道照明控制方式落后

由于未考慮交通量變化對公路隧道照明需求的影響，大量公路隧道各照明段亮度不能根據交通量狀態適時調節，造成不必要的電能浪費。諸多中、短隧道往往只有1～2種照明控制模式，不但造成能耗嚴重，而且還存在一定的安全隱患［3～5］。

3) 公路隧道照明節能理念有誤

公路隧道照明節能并非簡單地開關某些燈具，而是要求建立在行車安全基礎上的最大節能，即公路隧道照明節能不能以犧牲交通安全為代價。部分管理人員一味追求節電省錢，致使公路隧道照明控制方案的隨意性、主觀性很大，這種做法其實忽視了公路隧道照明的特點和本質，對行車安全危害極大［6］。此外，為控制養護維修費用，管理企業不能及時清洗、更換照明燈具，造成公路隧道照明系統效率降低、能耗加劇。

4) 公路隧道照明節能措施單一

公路隧道照明節能是一項系統工程，需要各種節能技術綜合運用，多管齊下全面推進照明節能工作，而目前國內很多公路隧道照明系統節能措施較為單一，不能達到全面、高效的節能目標。

3 公路隧道照明節能五大環節

照明節能是一項系統工程，要全面實現公路隧道“按需照明”，達到節能減排的任務目標，就必須對公路隧道照明系統的規劃、設計、招標、施工及運營等五大環節統籌兼顧(如圖2所示)，確保節能理念深入各個環節并得到有效的貫徹實施。

圖2 公路隧道照明節能環節

1) 科學合理的規劃是實現公路隧道照明節能的基礎

公路隧道照明系統設置規模與交通量、設計速度等技術指標密切相關［4］:設計速度為80km/h時，理論上公路隧道在大交通量條件下比小交通量條件下多用電40%以上;日本東京灣海底隧道曾做過詳細比較，如其他基準參數相同，僅是設計速度由80km/h提高至100km/h，照明設備費將提高63～80%，年運營電耗將提高66～82%。因此，公路建設項目工程可行性研究階段應根據當地經濟、社會發展實際情況，科學預測交通量、合理選用設計速度;此外，還應結合公路隧道等級劃分、功能用途等因素，科學合理地定位公路隧道建設規模。

2) 精心優秀的設計是實現公路隧道照明節能的核心

事實上，設計方案對公路隧道照明節能影響極大。如果忽視設計的重要性，往往會造成照明系統設置規模龐大、電能浪費嚴重，甚至有可能使得公路隧道運營存在安全隱患［3］。即便在公路隧道照明系統投入使用后進行相應的技術改造，也存在投資成本大、維護管理難、能耗相對高等突出問題。此外，由于新理論、新技術、新設備不斷出現，公路隧道照明系統設計也應與時俱進，將最新的照明節能科研成果應用于工程建設，而不宜拘泥于標準規范的限制，阻滯公路隧道照明節能技術的發展和進步。

3) 公開公正的招標是實現公路隧道照明節能的關鍵

公路隧道照明系統是由供配電設備、光環境檢測設備、燈具和光源等組成的，只有選用質高材優的設備，才能構建安全、節能、高效、可靠的公路隧道照明系統。目前市場上充斥太多打著節能旗號的偽劣產品，因而必須在工程招標環節嚴把質量關，真正引入通過國家權威檢測部門認證的節能產品，為公路隧道照明系統工程建設達到優良水準奠定基石。

4) 標準合格的施工是實現公路隧道照明節能的保證

在公路隧道照明系統施工過程中，應確保照明燈具安裝穩固、位置正確，燈具光帶線形與隧道協調、美觀、流暢;照明設施的電力線、信號線、接地線的類別、規格、數量、連接等符合要求并標識清楚。只有嚴格控制公路隧道照明系統施工工藝，公路隧道照明節能減排工作實施才能得到有效保證。

5) 精細規范的運營是實現公路隧道照明節能的重點

先進的公路隧道照明系統離不開精細規范的管理，由于公路隧道運行環境較為惡劣，必須定期對照明燈具、控制設施進行清潔養護，及時更換達到額定使用壽命的光源電器。此外，還應不斷提升公路隧道運營管理人員的業務水平，鼓勵其勇于創新和實踐，不斷豐富和完善公路隧道運營照明節能措施。

4 公路隧道照明節能三大措施

為保障公路隧道照明系統總體節能20%以上目標［10］的實現，一方面要站在建設“資源節約型、環境友好型”公路隧道的高度，充分發揮和提高公路隧道的綜合社會效益;另一方面要加強科技進步與創新，不斷提升公路隧道運營管理水平。貫穿公路隧道照明節能各個環節的三大措施是技術性節能、結構性節能和管理性節能。

1) 技術性節能

(1) 準確測試洞外亮度。福建、重慶、河北、陜西、浙江、廣東等地高速公路隧道洞外亮度L20(S)實測數據表明:山區高速公路隧道洞外100m停車視距內20°圓錐角視場范圍的天空含率一般為0%，絕大多數公路隧道洞外亮度L20(S)值在3000cd/m2以內。分析計算表明，公路隧道洞外亮度L20(S)取值由4000cd/m2降低至3000cd/m2，洞口加強照明可節能約25.4%(按系統功率計算)。

(2) 優化照明設計參數。應當結合公路隧道的工程特點，以及公路隧道照明理論的最新研究成果，對長、短隧道照明設計方法和參數進行區別對待［4］，從源頭根本控制照明能耗。

(3) 選用節能光源。將“中間視覺理論”和“對目標物體反應時間的視覺功效法”應用于公路隧道照明設計，并根據公路隧道節能光源以高壓鈉燈(HPS)為基準的亮度對比換算系數(見表1)計算LED燈等新型節能光源的照明參數指標。實驗數據表明［9］，基于等效亮度法(如LED燈產生2.5×0.4613=1.15cd/m2的照明效果與高壓鈉燈產生2.5cd/m2的照明效果是等效的)，應用節能光源設計的照明系統可比傳統高壓鈉燈照明系統節能35%以上。

表1 MH、LED、CFL和LVD對HPS的亮度對比換算系數R(L)

(4) 應用智能照明控制。公路隧道照明控制有分級調光控制法和無級調光控制法兩種。在傳統分級調光控制法下，照明亮度分級少，造成電能浪費(即“過度照明”或“無效照明”)，而無級調光控制法則能響應跟蹤照明需求曲線，可以得到最優的控制效果并能達到節能目的，即所謂的“按需照明”，如圖3所示。

圖3 公路隧道照明控制輸出曲線

(5) 選用合適的燈具配光。公路隧道照明燈具的配光有縱向(沿隧道長度方向)對稱、不對稱，橫向對稱、不對稱等多種(如圖4所示)。國內外學者研究表明，采用縱向不對稱燈具的逆光照明和寬光帶對稱照明是公路隧道照明最佳配光形式之一:公路隧道中間段采用寬光帶對稱照明系統、入口段采用逆光照明系統為照明系統最佳組合。

(6) 合理布設照明燈具。公路隧道基本照明燈具有中間單排布燈、兩側對稱布燈、兩側交錯布燈等三種傳統布設方式。不同的布燈方式，其所用燈具數量、養護方便程度不盡相同。實驗數據表明［9］，中間布置比雙側布置效率高，雙側交錯布置比雙側對稱布置效率高。工程實踐證明，將照明燈具布設在公路隧道一側，安裝高度為6.3m(如圖5所示)，既是一種較高效率的布燈方式，同時也能較好地解決目前公路隧道營運過程中的養護維修難題(需要完全封閉隧道)。當然，采用何種布置方式和燈具的配光有關。

圖4 公路隧道照明燈具配光

圖5 公路隧道側偏布燈方式

(7) 使用照明節電設備。智能照明節電設備是應用特殊設計的自耦降壓式裝置(有功率因數補償效果)，采用補償變壓器、中央處理器、控制電路、多抽頭變壓器和靜態開關(如圖6所示)，對電網過欠壓進行快速自動補償，為負載提供穩定、完美的正弦波電壓，因而能實現根據內外部用電條件，對電網中的浪涌、噪音、干擾、功率因數、諧波等進行抑制或優化處理，并根據設定的電壓曲線，穩定地供應照明設施所需工作電壓，使系統用電能效達到最佳狀態。當電網電壓為390V、400V、410V時，照明節電設備投入使用后，公路隧道照明系統可分別節能約20.2%、25.3%、30.9%。重慶界水高速公路南湖隧道照明節能改造中使用照明節電設備后效益顯著，節電率高達27%。

圖6 智能照明節電設備工作原理圖

(8) 應用新型節能設備。部分短隧道可增設LED誘導燈(如圖7所示)，以控制照明系統設置規模，不但能節省大量建設投資費用，還減少了養護費用及電能消耗。LED誘導燈不僅使得公路隧道輪廓線更加清晰，而且能極大緩解駕駛員的心理壓力，同時在滿足公路隧道行車安全性的前提下，可適當降低公路隧道照明亮度(尤其是在夜間)。

圖7 LED誘導燈應用案例(短隧道)

(9) 照明系統分期實施。公路隧道照明系統必須根據近、遠期交通量設計分期實施方案，做到統籌規劃、一次設計、分期實施。以單洞長4km的高速公路隧道為例，采用分期實施方案可較一次性實施方案節省初期投資約40%，近、遠期運營照明可分別實現總體節能51%和25%，能夠極大程度地節約電能、保護環境。

2) 采用太陽能和光纖照明技術

(1) 太陽能光伏發電技術。目前，太陽能交通安全設施在109國道東方紅隧道中得到成功應用;國內最大的太陽能公路隧道照明系統在河北承德市韓郭公路小梁東隧道投入使用;吉林省建成全國首座公路隧道太陽能智能LED照明系統;福建金雞嶺隧道采用46KWP太陽能光伏發電系統，與市電并網為照明系統供電，目前年發電量約50000KWh;山東煙臺通世路隧道利用太陽能照明(如圖8所示)，每年可節約標準煤120多噸。

圖8 山東煙臺通世路隧道太陽能光伏發電站

(2) 太陽能和風能互補發電技術。安徽六潛高速公路獅子尖隧道，首次采用太陽能和風能發電互補離網供電系統(如圖9所示)，既節省了電能，又降低了發電設備配置和成本。

圖9 安徽六潛高速公路獅子尖隧道風光互補發電設施

(3) 太陽能光纖照明技術。公路隧道照明節能技術發展趨勢是構建以太陽能光纖照明為代表的節能、高效、安全的綠色照明系統。在美國，連接薩姆勒(Sumner)和卡拉罕(Callahan)的隧道已設計并采用全新的太陽能光纖照明系統(如圖10所示)。應用光纖傳導太陽光進行隧道洞口加強段照明，可以實現加強照明亮度與外界環境亮度同步變化，使得公路隧道更加安全、節能、環保。

3) 管理性節能

(1) 通過加強維護管理實現運營照明節能。如定期對照明燈具、控制設備進行維護及清潔燈具等，以保證照明燈具0.60以上的維護系數，有效利用光通量。

圖10 公路隧道太陽能光纖照明工程案例(美國)

(2) 對達到額定使用壽命的光源電器進行及時更換，以免其在超出額定壽命的低光通、高能耗情況下運行，確保照明質量，避免電能浪費。

(3) 制定科學合理的照明控制管理方案。應根據公路隧道所在路段交通量發展趨勢、車輛實際運行速度及天氣氣象特點，制定切實可行的照明系統節能控制模式，以指導運營照明管理。

5 公路隧道照明節能效益分析

據統計，每節約1度(kWh)電，就相應節約0.4kg標準煤，同時減少排放0.272kg的碳粉塵、0.997kgCO2、0.03kgSO2、0.015kg氮氧化物［10］。以京港澳高速公路粵境北段隧道群為例，2008年全年用電量為7166261度，按實現總體節能20%進行粗略估算，全年可節約用電1433252.2度，節約573.301t標準煤，減排389.845t碳粉塵、1428.952t CO2、42.998t SO2、21.499t氮氧化物。不僅經濟效益相當可觀，生態、社會效益也極為明顯。

6 結語

(1) 目前國內大量公路隧道照明能耗嚴重，其主要原因在于照明系統超標設計、照明控制方式落后、照明節能理念有誤、照明節能措施單一。

(2) 公路隧道照明節能是一項系統工程，要全面實現公路隧道“按需照明”，就必須對公路隧道照明系統的規劃、設計、招標、施工及運營等五大環節統籌兼顧，確保節能理念深入各個環節并得到有效的貫徹實施。

(3) 貫穿公路隧道照明節能各個環節的三大措施是技術性節能、結構性節能和管理性節能。工程實踐表明，堅持從應用單一節能技術向綜合運用各種節能技術轉變、從注重技術性節能向解決結構性節能關鍵問題轉變、從粗放式運營節能管理向精細化運營節能管理轉變的思路觀念，公路隧道運營照明節能20%以上的目標是完全可以實現的。

(4) 公路隧道照明節能經濟、環境、社會效益顯著，相關行政機構、運營公司、科研院所和社會團體應繼續加大科技投入、不斷推動技術創新，努力建設“資源節約型、環境友好型”公路隧道。

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