城市交通隧道照明節(jié)能設(shè)計(jì)

劉 莉，鄭東東

中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010

0 引言

中心湖隧道位于寧波杭州灣新區(qū)新建學(xué)海路，道路等級(jí)為城市次干路，雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)速度為40 km/h，單層雙孔隧道，僅設(shè)置機(jī)動(dòng)車(chē)道，隧道起點(diǎn)里程為K3+250，終點(diǎn)里程為K4+355，全長(zhǎng)1 105 m，其中敞口段長(zhǎng)280 m，暗埋段長(zhǎng)825 m。文章以中心湖隧道的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，闡述其對(duì)隧道無(wú)極調(diào)光方案的設(shè)計(jì)與LED燈具的選用，使該項(xiàng)目竣工時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的要求。

1 隧道無(wú)極調(diào)光系統(tǒng)概述

1.1 無(wú)極調(diào)光系統(tǒng)的控制原理

該工程隧道照明系統(tǒng)由隧道中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)可編程邏輯控制器（PLC）所采集的洞內(nèi)外亮度、車(chē)流量信息，通過(guò)預(yù)設(shè)的控制方案，給無(wú)極調(diào)光控制器下達(dá)指定，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)照明的實(shí)時(shí)控制。

1.2 無(wú)極調(diào)光系統(tǒng)的組成

該工程隧道無(wú)極調(diào)光系統(tǒng)由中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成[1]，各組成部分通信方式如圖1所示。

圖1 隧道無(wú)極調(diào)光系統(tǒng)組成示意圖

圖1中，由中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)極調(diào)光控制器下達(dá)控制指定，無(wú)極調(diào)光控制器接收到中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)下達(dá)的指令，實(shí)現(xiàn)單燈的無(wú)極控制；現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)由洞內(nèi)外亮度檢測(cè)器、微波車(chē)輛檢測(cè)器、PLC等組成，PLC將采集到的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；照明系統(tǒng)由隧道內(nèi)LED照明燈具、無(wú)極調(diào)光控制器、信號(hào)傳輸線(xiàn)纜等組成。

2 隧道照明設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

隧道主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)《LED城市道路照明應(yīng)用技術(shù)要求》（GB/T 31832—2015）、《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）要求，隧道內(nèi)各項(xiàng)照明指標(biāo)確定如下[2]：（1）隧道洞外亮度L20（S）按3 500 cd/m2取值；（2）入口段亮度折減系數(shù)均選取0.012；（3）入口段的總長(zhǎng)度取一個(gè)照明停車(chē)視距；（4）亮度均勻度Uo≥0.4，縱向均勻度Ul≥0.6；（5）路面亮度換算系數(shù)瀝青混凝土路面15 lx/（cd·m-2）；（6）燈具維護(hù)系數(shù)M=0.7。

2.2 隧道照明設(shè)計(jì)

該工程單孔隧道為單向交通，隧道照明包含入口段照明、過(guò)渡段照明、中間段照明、出口段照明，其中隧道入口段、過(guò)渡段、出口段照明由基本照明（與中間段照明一致）和加強(qiáng)照明組成，基本照明分布于隧道全段。通過(guò)計(jì)算，隧道路段每段的設(shè)計(jì)亮度及長(zhǎng)度如表2所示。

表2 隧道路段每段的設(shè)計(jì)亮度及長(zhǎng)度

2.3 應(yīng)急照明設(shè)計(jì)

應(yīng)急照明亮度應(yīng)不低于中間段亮度的10%，應(yīng)急照明燈具須保持常亮，部分隧道基本照明燈具兼具應(yīng)急照明功能，在火災(zāi)情況下，應(yīng)急照明可以保障人員逃生及救援安全。

3 節(jié)能照明燈具的選擇

3.1 照明光源參數(shù)

目前，交通隧道照明光源多采用高壓鈉燈、熒光燈、LED，為了滿(mǎn)足隧道節(jié)能要求，應(yīng)選擇合適的照明光源。光效、顯色指數(shù)、色溫、壽命是照明光源節(jié)能的主要標(biāo)準(zhǔn)，以上3種照明光源的相關(guān)參數(shù)如表3所示[3]。

表3 3種照明光源的相關(guān)參數(shù)

3.2 照明光源優(yōu)缺點(diǎn)分析

由表3可知，與熒光燈相比，LED光源光效高、使用壽命長(zhǎng)，光源轉(zhuǎn)換效率高；與高壓鈉燈相比，LED光源顯色性好、色溫高。與傳統(tǒng)照明光源相比，LED光源具有使用壽命長(zhǎng)、能耗小、顯色性好、色溫高、起動(dòng)時(shí)間短、發(fā)熱量小、不含汞等明顯優(yōu)勢(shì)，并且符合節(jié)能及環(huán)保的要求，隨著其成本的不斷降低，在城市交通隧道照明系統(tǒng)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

3.3 燈具的選擇

該工程選用LED隧道燈具，各照明段燈具色溫均為3 500 K，燈具效能限值要求不小于 95 lm/W，功率因數(shù)不小于0.95[4]，燈具選用情況如表4所示。

表4 燈具選用情況表

通過(guò)照明各段的亮度和長(zhǎng)度取值，計(jì)算出相應(yīng)照明段的燈具功率、布置間距，單個(gè)LED燈具均帶有單燈控制器，單燈控制器與調(diào)光控制器之間通過(guò)RS485總線(xiàn)傳遞信號(hào)。

3.4 燈具的布置

車(chē)行道照明燈具采用雙側(cè)對(duì)稱(chēng)布設(shè)，根據(jù)隧道橫斷面實(shí)際情況，設(shè)置燈具的安裝高度≥5.2 m。

4 隧道照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

傳統(tǒng)隧道照明控制一般包括時(shí)間控制、手動(dòng)控制、自動(dòng)控制，已經(jīng)難以滿(mǎn)足當(dāng)前倡導(dǎo)的經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能的要求。為了達(dá)到節(jié)能的目的，該工程隧道照明采用無(wú)極調(diào)光控制系統(tǒng)。根據(jù)預(yù)設(shè)的亮度調(diào)節(jié)指標(biāo)，自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具功率，滿(mǎn)足綠色照明的要求，以實(shí)現(xiàn)按需照明的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 控制方式

該工程隧道照明采用分級(jí)手動(dòng)控制和自動(dòng)無(wú)極調(diào)光控制相結(jié)合的方式，以自動(dòng)無(wú)極調(diào)光控制為主，分級(jí)手動(dòng)控制為輔，手動(dòng)控制級(jí)別優(yōu)先于自動(dòng)無(wú)極調(diào)光控制。

4.3 無(wú)極調(diào)光系統(tǒng)

入口段、過(guò)渡段、出口段的照明亮度，與車(chē)流量、車(chē)速、洞外亮度取值相關(guān)，其是影響隧道內(nèi)照明的重要因素。采用無(wú)極調(diào)光系統(tǒng)，控制隧道內(nèi)照明燈具的功率根據(jù)洞外亮度、車(chē)速、車(chē)流量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化[5]，準(zhǔn)確地進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。

4.4 分級(jí)手動(dòng)控制

該工程將隧道加強(qiáng)照明調(diào)光分為5級(jí)控制，分別為白天3級(jí)控制（晴天、云天、重陰天/傍晚），夜晚2級(jí)控制（夜間、午夜）。

（1）白天控制模式。晴天，洞外亮度按L20（S）取值，加強(qiáng)照明燈具全開(kāi)；云天，洞外亮度按0.5L20（S）取值，加強(qiáng)照明燈具開(kāi)啟1/2；重陰天/傍晚，洞外亮度按0.25L20（S）取值，加強(qiáng)照明燈具開(kāi)啟1/4，3級(jí)控制模式下各照明段亮度均不得低于中間段亮度。

（2）夜晚控制模式。2級(jí)控制下均關(guān)閉隧道加強(qiáng)照明燈具，僅開(kāi)啟隧道基本照明，其中在午夜時(shí)，關(guān)閉一半的隧道基本照明燈具，隧道內(nèi)亮度與連接道路的亮度保持一致。

各照明段燈具按控制模式分為多個(gè)不同回路，分級(jí)手動(dòng)控制即對(duì)回路進(jìn)行控制，開(kāi)啟或關(guān)閉燈具。分級(jí)手動(dòng)控制模式主要用于隧道檢修、交通事故、節(jié)假日車(chē)流量巨大時(shí)，按應(yīng)急預(yù)案控制所有照明段的亮度。

4.5 無(wú)極調(diào)光控制

無(wú)極調(diào)光控制不再是開(kāi)啟或關(guān)閉燈具，而是將燈具的使用功率根據(jù)隧道內(nèi)的亮度需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使隧道內(nèi)照明亮度實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑變化，調(diào)節(jié)頻率應(yīng)高于人眼感光反應(yīng)的速度，從而既可以降低照明的能耗，又可以提高照明的舒適度[6]。

隧道左右線(xiàn)洞口設(shè)置一組亮度檢測(cè)器，由1臺(tái)洞內(nèi)亮度檢測(cè)器和1臺(tái)洞外亮度檢測(cè)器組成。洞內(nèi)亮度檢測(cè)器用于檢測(cè)隧道入口引入段照明亮度，安裝在洞內(nèi)離洞門(mén)10 m的行車(chē)隧道右側(cè)墻上；洞外亮度檢測(cè)器用于檢測(cè)洞口亮度，安裝在行車(chē)右側(cè)路燈燈桿上，離洞口一個(gè)照明停車(chē)視距位置。左右線(xiàn)隧道洞外設(shè)置微波車(chē)輛檢測(cè)器，用于檢測(cè)交通量參數(shù)。

無(wú)極調(diào)光控制器接收亮度檢測(cè)器、微波車(chē)輛檢測(cè)器的信號(hào)，控制隧道照明燈具的輸出功率。無(wú)極調(diào)光控制時(shí)的隧道照明系統(tǒng)按白天和夜晚分時(shí)控制，白天控制模式下根據(jù)洞外亮度和交通量參數(shù)，按預(yù)設(shè)程序調(diào)節(jié)加強(qiáng)照明燈具0～100%的輸出功率，基本照明燈具可在隧道運(yùn)營(yíng)初期按80%的輸出功率設(shè)定[7]，但要求基本段照明亮度不低于2 cd/m2，隨著使用年限增加，根據(jù)LED光衰情況，逐年調(diào)整燈具的輸出功率；夜晚控制模式與第4.3節(jié)一致，夜間的基本照明燈具輸出功率如果為80%，則午夜的基本照明燈具輸出功率為40%。

5 隧道照明設(shè)計(jì)效果

該工程隧道照明工程情況檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 隧道照明工程情況檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，測(cè)試路段平均亮度、亮度均勻度均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。檢測(cè)時(shí)由于燈具輸出功率均為100%，測(cè)試亮度高于亮度設(shè)計(jì)值，在運(yùn)營(yíng)時(shí)可以切換至無(wú)極調(diào)光模式，即隧道內(nèi)的亮度可按設(shè)定值自動(dòng)調(diào)整。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章從隧道照明光源的選擇、亮度取值、照明控制三個(gè)方面對(duì)隧道照明的節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。通過(guò)對(duì)隧道常用的照明光源優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，分析了LED光源在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)。基于LED光源的無(wú)極調(diào)光系統(tǒng)將隧道照明控制按時(shí)間分為白天和夜晚分別控制，白天通過(guò)接收洞內(nèi)外的亮度參數(shù)、交通量參數(shù)，平穩(wěn)柔和地調(diào)節(jié)隧道內(nèi)加強(qiáng)照明段的亮度，夜晚通過(guò)當(dāng)?shù)氐囊酝煌繑?shù)據(jù)，按時(shí)間段控制隧道基本段照明的亮度，實(shí)現(xiàn)按需照明，以達(dá)到節(jié)能的效果，同時(shí)為隧道內(nèi)的駕駛員提供舒適的駕駛環(huán)境。