高速公路隧道群照明節能方案的設計應用

亢若伏

（云南省交通規劃設計研究院，云南 昆明 650011）

1 概述

近年來，我國的公路建設規模不斷擴大，全國各地的高速公路建設項目日益增多，其中，隧道耗電占高速公路運營中的很大一部分，在實際營運中電能的浪費十分嚴重，營運過程中為了節約電能產生了照明與行車安全和隧道監控之間的矛盾等問題。在高速公路建設中采用隧道節能照明技術可以節約電能，降低運營成本，提高高速公路的經濟效益和社會效益。

2 隧道照明設計規范

根據國家《公路隧道通風照明設計規范》標準，對于長度超過100 m的隧道應設計照明，照明設計的基本要求如下：

隧道分成入口段、過渡段、中間段、出口段等部分，根據規范，各個段有其規定的最低亮度要求。

入口段亮度可按下式計算：

式中，Lth：入口段亮度，cd/m2；

K：入口段亮度折減系數，可根據規范查表取值；

L20（S）：洞外亮度，cd/m2；

過渡段由TR1、TR2、TR33個照明段組成，其中：

中間段的照明也根據規范查表取值，中間段照明只和車速、車流量有關，而和洞外亮度無關。

3 設計方案

長沙至重慶公路通道湖南境內常德至吉首分為兩段：一段為常德至懷化段，簡稱常德懷化段；另一段為威爾懷化至吉首段，簡稱吉首段。

湖南省常德至吉首高速公路常德、懷化段隧道照明系統共包括郭家溪隧道、梅子譚隧道、鄧家灣隧道、地穆庵隧道、殿會坪隧道、牛兒埡隧道、清水沖隧道、土江沖隧道、朱良溪隧道、青龍尖隧道、青山崗隧道、豆子坪隧道、櫻桃灣隧道等共計13個隧道的照明。隧道凈寬9.75 m，設計行車速度為80 km/h，凈高5.0 m。

隧道照明節能的應用是在確保安全的前提下，實現隧道照明的有效節能。隧道照明取值與車速、車流量、洞外光照有密切的關系。

3.1 調整照明系統參數

為滿足遠期（至2020年）交通流量的需求，根據隧道內水泥路面改瀝青路面的實際變化和當前節能降耗的社會需要，并滿足隧道內照度指標，而合理調整照明參數。

3.1.1 洞外照度

原設計取值4 000 cd/m2，根據目前隧道路面和洞口的實際變化和現場實際測量平均值，調整后取值3 000 cd/m2。

3.1.2 入口亮度折減系數

根據《公路隧道通風照明設計規范JTJ 026.1－1999》的要求和入口亮度折減系數表，當交通流量為1 305輛/h，且行車速度為80 km/h；按照內插法進行計算，入口段亮度折減系數計算如下：

（1 305－700）×（0.035－0.025）/（2 400－700）＋0.025＝0.029原設計文件取值0.035，調整后取值0.029。

3.1.3 入口段設計亮度

根據《規范》要求，調整后入口段亮度為：

原設計文件取值140 cd/m2，調整后取值87 cd/m2。

3.1.4 過渡段I設計亮度

根據《規范》要求，入口段亮度取值方式為：

原設計文件取值42 cd/m2，調整后取值26 cd/m2。

3.1.5 過渡段II設計亮度

過渡段II的亮度為Ltr2＝0.1Lth＝0.1×87＝8.7；取值為8.7 cd/m2。

原招標文件取值14 cd/m2，現調整后取值8.7 cd/m2。

3.1.6 基本段亮度折減系數

過渡段 III的亮度為 Ltr3＝0.035Lth＝0.035×87＝3.045；取值為3 cd/m2。

原招標文件取值4.5 cd/m2，現調整后取值3 cd/m2。

3.1.7 出口段設計亮度

根據《規范》要求，出口段亮度取值方式為：

出口段亮度為：2.9×5＝14.5 cd/m2，取值為14.5 cd/m2。

原設計文件取值22.5 cd/m2，調整后取值14.5 cd/m2。

3.1.8 亮度取值

根據以上計算，在原設計的基礎上對亮度指標進行了如下調整，調整指標如下：

入口亮度折減系數：原設計文件取值 0.035，調整后取值0.029。

入口段設計亮度：原設計文件取值140 cd/m2，調整后取值87 cd/m2。

過渡段I設計亮度：原設計文件取值 42 cd/m2，調整后取值 26 cd/m2。

過渡段II設計亮度：原設計文件取值14 cd/m2，調整后取值 8.7 cd/m2。

基本段設計亮度：原設計文件取值4.5 cd/m2，調整后取值2.9 cd/m2。

出口段設計亮度：原設計文件取值22.5 cd/m2，調整后取值14.5 cd/m2。

3.2 應用節能設備

常吉高速公路短隧道數量多，燈具照明占很大比例，用電負荷較大，在建設期間考慮照明節能控制方案，才能保證隧道后期運營的經濟性和社會效益。

3.2.1 節能控制裝置

由于燈具及設備用電負荷大，燈具用電量占主要，為了有效降低能耗，達到節能目標，圍繞節能降耗的原則，提出了增加照明節能裝置。

（1）電壓和照度的關系。氣體放電燈具需要一定的啟動電壓（220 V公稱電壓）和啟動時間（5～10 min），當氣體放電燈正常發光后，在燈具電壓允許的范圍內，適當降低燈具兩端的工作電壓，燈具的功率會大幅度的下降，但照度不會隨著電壓的下降而成比例的下降，即照度變化不大的特點，適度的降壓，既保證了照明的質量，又大幅度節約了電能消耗。人的生理特性：天暗以后，瞳孔放大，而過高的電壓容易產生眩光，人體感覺極不舒適。實驗數據表明，電壓每下降10%，光照度下降3%～5%。

（2）智能照明控制系統工作原理。智能照明控制系統工作原理見圖1。

圖1 智能照明控制系統工作原理圖

其工作原理如下：

t0 to t1：從 200 V 起軟啟動：2 min 30 s′′。

t1 to t2：以慢斜坡方式升至220 V：5 min。

t2 to t3：燈具工作在220 V額定電壓下（電子穩壓器）。

t3 to t4：發出“節能”指令，緩慢降至節能電壓水平：10 min。

t4 to t5：燈具工作在節能電壓下（185～195 V）。

t5 to t6：發出“節能關”指令，電壓升至額定電壓水平：10 min。

t6 to t7：設備在220 V穩壓狀態下工作至關機。

3.2.2 節能燈應用

目前，國內隧道燈具多采用白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等，大多存在光帶窄、能耗高、質量穩定性差、壽命短等問題。目前，無極燈、LED燈等新產品引起了人們的日益關注。這些產品應用于隧道照明，除滿足隧道對燈具光效、光通量、壽命及工作特性、光色、顯色性和配光控制難易程度等主要要求外，還能節約運行和維護成本，實現穩定經濟運行。

在隧道洞口，引導路燈與隧道洞口的景觀需要考慮協調性，尤其是光源顯色性，高壓鈉燈發的光視覺偏黃，無極燈發的光與熒光燈發的光一樣，視覺效果偏白，感觀效果好。而且，無極燈的損壞率低，壽命長的特點，可以有效解決維護困難的場所，減少維護頻次和費用，節約今后的運營成本。因此，將路燈燈頭250 W高壓鈉燈調整為200 W無極燈，進一步降耗節能。

4 節能應用測算

4.1 優化照明參數和燈具的測算

本次工程原設計燈具功率合計1 783.25 kW，經過降低照度等照明參數、更換無極燈等節能措施后，燈具減少33.42%（指隧道內高壓鈉燈）；本次工程燈具功率合計為1 579.60 kW，功率減少了203.65 kW，功率降耗百分比為11.42%。同時相應的運營費用也有較大幅度的降低，其中運營期間的電費將比原設計降低約9.13%，可年節省電費856 290.70元，節省燈具維護費用109 480元，照明優化年節約費用總計965 770.70元，達到了節能降耗的目的。

其中，年節省電費＝功率降耗量×24小時×365天×0.75元×60%的開燈時間；

節省燈具維護費用＝節省燈具總數×40元/年套；

優化年節約費用＝年節省電費＋節省燈具年維護費用。

每度電按0.75元計算。

4.2 增加照明節能控制裝置的測算

按照設計，整個常吉高速公路小隧道照明設備容量約1 595.69 kW，預計每年耗電1 378.9萬度左右（1 596 kW×24小時×30天×12月≈1 378.9萬度/年），以每度電0.75元計算，每年電費消耗約1 197萬元，按60%的時間開燈，電費支出1 197×60%＝712.8萬元，因此，在運營期間存在巨大的電費支出。

安裝隧道照明節能裝置后，其節電率在 20%～40%（節電率和燈具類型、燈具老化程度、線路饋電電壓等因素有關），以平均節電率為20%，每度電為0.75元計算，年平均節約電費為：

平均節電費＝年耗電費×0.75元×節電率20%（節電率按20%計算）＝1 197×20%＝206.8萬元

按以上的測算可知，整個常吉高速公路小隧道照明可節約近300萬元電費，效益相當可觀。

由于安裝智能照明調控裝置后，照明線路品質得到明顯改善，同時大幅降低燈具損壞的故障發生率，由此而節約的維修費用也相當可觀。

5 結束語

由于科學地設置了照明參數、調整了燈具使用的方案、應用新的節能燈具如無極燈和智能照明節電裝置等一系列措施，使得該隧道的照明系統產生了明顯的節電效益，預計高速公路開通運行時實際的節能率在20%以上，將給隧道運營方帶來巨大的經濟效益，因此，隧道節能技術的應用前景和社會、經濟價值非常可觀。

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