新舊規范對比下的隧道照明節能設計研究

史玲娜，涂 耘，王小軍

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，交通工程與節能分院，重慶 400067)

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新舊規范對比下的隧道照明節能設計研究

史玲娜，涂 耘，王小軍

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，交通工程與節能分院，重慶 400067)

根據隧道行車視覺特點，在參考CIE《公路隧道和地道照明指南》的基礎上，分析比較了《公路隧道照明細則》(以下簡稱細則)和《公路隧道通風照明設計規范》(以下簡稱規范)在隧道照明區段和照明參數設置上的不同。結合具體的隧道采用《細則》方法進行照明優化設計，將設計所得結果與根據原《規范》所得結果比較。結果表明：利用《細則》方法進行隧道照明設計，與原《規范》相比，每個照明區段的照明能耗都有不同程度降低，對于一般長隧道，總體節能可在原《規范》基礎上減少40%。

隧道照明；暗適應；明適應；節能設計

引言

近年來，隨著我國綜合國力的增強和社會經濟的快速發展，高速公路逐年增多。根據交通部數據統計，截止2012年底，我國公路總里程達到423.75萬公里，隧道達到1萬余處，總長805萬米。其中特長隧道265處，長113.80萬米，長隧道1218處，長202.08萬米[1]。我國目前已成為世界上隧道工程最多、發展最快的國家[2]。

隨著公路隧道建設的加快，隧道能耗問題日益突出。據不完全統計，在公路隧道機電系統中，照明負荷約占總負荷的30%左右，已成為公路隧道運營中的最大開支[3]。重慶市公路隧道用電量統計表明，隧道每公里年電費為40余萬元，按此推算，全國公路隧道年電費高達13億元。在目前隧道里程不斷增多，照明能耗問題日益突出的前提下，如何實現隧道安全運營的前提下減小照明能耗已經成為隧道照明設計及運營管理部門共同面臨的問題。

2014年8月，交通運輸部發布了《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)(以下簡稱《細則》)，對2000年頒布的《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ 026.1—1999)(以下簡稱《規范》)進行了全面的修訂。《規范》自2000年頒布以來，對推進我國公路隧道照明工程科技進步，規范其設計行為，完善隧道照明體系等均起到了積極的作用[4]。但我國公路隧道建設和隧道照明技術起步較晚，規范編制階段的經驗和基礎性工作不足，未能全面覆蓋相關技術內容。招商局重慶交通科研設計院有限公司在學習借鑒國內外成熟的照明技術成果和成功經驗的基礎上，對國內的隧道運營現狀進行廣泛調研，并深入研究駕駛員的隧道行駛中的視覺特性，提出了符合隧道行駛視覺特點，滿足隧道照明安全的一系列的節能設計方法。該研究成果的提出可顯著提高公路隧道照明運營節能水平、降低公路隧道運營成本，對于實現隧道交通在安全前提下的節能具有重大的社會效益和經濟效益；該研究成果已被納入新頒布的《細則》，其成果應用可大幅提升我國在公路隧道照明節能與安全領域的理論和設計管理水平，為公路隧道照明實現科學、合理、安全的設計、運營管理及評價提供強有力的技術支撐。

1 節能設計理論依據

根據人眼視覺特點，當人從比較明亮的地方進入相對較暗的地方時，必須經過一段時間的適應之后才可以逐漸看清楚周圍的環境情況，這個過程稱為暗適應；反之，當人從黑暗的環境進入明亮的環境時，開始會感到刺眼，但過一會就可恢復正常，這個過程稱為亮適應。明適應和暗適應所需要的適應時間依據具體情況有所不同，經歷暗適應時，眼睛從明到暗，開始時靈敏度很低，以后慢慢增加，最后才能達到穩定和清晰，在暗適應的整個過程中，最初5分鐘視覺靈敏度變化非常快，以后逐漸變緩慢，但是要達到完全適應一般需要25～30分鐘左右的時間；而明適應過程相對較短，一般大約需要1分鐘左右的時間[5]。

對應于隧道行車，當駕駛員白天駕車駛入隧道時，會有一個暗適應過程，駛離隧道時會有一個明適應過程，這些適應過程都存在交通隱患。根據國際照明委員會(CIE：International Commission on Illumination)的《公路隧道和地道路照明指南》，入口段的長度可分為兩部分，前一部分的亮度取Lth，后一部分的亮度逐漸減小(也可分步逐漸減小)，如圖1所示[6]。我國原《規范》規定在按規定計算的入口段長度范圍內，亮度取值均為Lth=kL20(s)[7]。根據研究表明，對于一般長隧道，入口段的照明能耗占了總能耗的一半以上，在入口段采用分段照明方法可以大大減小隧道照明能耗。對應于明適應過程，CIE提出，出口段的亮度應在一個停車視距內線性增加，在距離出口20m處，其亮度增加到遂道中間段亮度的5倍。原《規范》規定出口段60m的長度范圍內，亮度取值為中間段亮度的5倍。相比較隧道中間段的基本照明，出口段的加強照明在隧道照明總能耗中也占了相當的比重，結合人眼在出口段的明適應過程和CIE提出的出口段亮度線性增加理論，在出口段進行亮度的分段設置亦有利于隧道照明能耗的降低。

圖1 隧道亮度的變化趨勢Fig.1 Luminance evolution along the tunnel

CIE在《公路隧道和地道路照明指南》指出，過渡段的亮度變化規律需滿足式(1)：

Ltr=Lth(1.9+t)-1.4

(1)

同時指出，過渡段亮度不能處于圖1所示連續亮度曲線的下方，該亮度曲線可以用階梯曲線代替，從一個階梯到相鄰下一個階梯的最大亮度比為3，最后一個亮度階梯的亮度不應大于中間段亮度的2倍。該規定體現了人眼的暗適應過程，我國原《規范》中過渡段的亮度規定基本體現了這一原則，結合入口段亮度的分段實施原則，現《細則》通過參數設計進一 步提高了過渡段的節能空間。

對于中間段照明，CIE提出長隧道的中間段分成兩個照明區段，中間段的前30s行車距離作為第一個照明區段，余下部分作為第二個照明區段，并根據停車視距和交通量分別規定了第一區段和第二區段的照明亮度。我國原《規范》尚未對長隧道的中間段進行區段劃分，根據人眼行車視覺特點，對中間段進行照明區段劃分，不僅符合人眼的暗適用過程，亦可進一步提高隧道照明的節能效果。

2 節能設計研究及分析

2.1 《細則》和《規范》比較

結合近些年公路隧道照明技術發展的趨勢，招商局重慶交通科研設計院有限公司對國內公路隧道運營現狀進行了大量的調研，吸收了CIE在《公路隧道和地道路照明指南》中部分思想，在原《規范》基礎上，提出了公路隧道照明設計的節能性建議并納入《細則》，與《規范》相比變動如下[8]：

(1)調整了入口段照明要求，將入口段劃分為兩個照明段

《規范》：入口段亮度按Lth=kL20(s)計算，入口段長度按Dth=1.154Ds-(h-1.5)/tan10°計算；

《細則》：入口段宜劃分為TH1、TH2兩個照明段，其亮度應分別按式Lth1=kL20(s)、Lth2=0.5kL20(s)計算，入口段長度按Dth1=Dth2=[1.154Ds-(h-1.5)/tan10°]/2計算。

(2)調整了過渡段照明的亮度計算系數

《規范》：過渡段分為三個照明段，亮度依次為：Ltr1=0.3Lth，Ltr2=0.1Lth、Ltr3=0.035Lth。

《細則》：鑒于入口段分為兩個照明段，過渡段的三個照明段的亮度依次為：Ltr1=0.15Lth1、Ltr2=0.05Lth1，Ltr3=0.02Lth1。

(3)完善了特長隧道中間段分段設置的亮度及長度要求

《規范》：當雙車道單向交通700輛/h

表1 《規范》所列中間段亮度LinTable 1 Luminance in the interior zone proposed by Specifications

《細則》：單向交通且以設計速度通過隧道的行車時間超過135s時，隧道中間段宜分為兩個區段，第一區段長度取設計速度下的30s 行程，亮度值按表2規定取值，余下的中間段長度與之對應的長度及亮度不應低于表3的標準。

(4)調整了出口段照明要求，出口段劃分為兩個照明段

《規范》：在單向交通隧道中,應設置出口段照明；出口段長度宜取60m，亮度宜取中間段亮度的5倍。

表2 《細則》所列中間段亮度LinTable 2 Luminance in the interior zone proposed by Guidelines

表3 《細則》所列中間段分區段設置的長度及亮度取值Table 3 Length and Luminance in the interior zone proposed by Guidelines

《細則》：出口段宜劃分為EX1、EX2兩個照明段，每段長30m，第一區段的亮度取中間段亮度的3倍，第二區段亮度取中間段亮度的5倍 。

2.2 節能設計及分析

現以重慶市內一座近2.5km的長隧道為例，進一步說明《細則》相比原《規范》的節能效果，該隧道的洞外亮度取3000cd/m2,設計車速為80km/h，單向交通且交通量小于350 veh/(h·ln)，設計分別采用原《規范》和新《細則》所提出的方法。為體現隧道照明節能的最大化，設計采用最優化算法并用DIALUX軟件進行效果驗證。圖2和圖3為利用《細則》所提出的方法得到的該隧道基本照明和入口段1加強照明的照明效果仿真圖以及對應的亮度分布。

圖2 隧道照明效果Fig.2 Lighting effect of tunnel

該隧道的原設計以《規范》為依據，現對該隧道采用《細則》提出的方法結合最優化算法對隧道照明進行優化設計，所得的隧道每一區段的劃分、對應的設計亮度以及所選用燈具的數量和功率與原《規范》相比如表4所示。

圖3 隧道路面亮度分布Fig.3 Luminance distribution of tunnel表4 重慶市某一長隧道的照明設計原方案與優化方案之比較Table 4 Comparison of design scheme deduced by Specifications and Guidelines of a special tunnel in Chongqing

按《規范》的原設計按《細則》的優化設計長度/m亮度/(cd/m2)燈具數(加強+基本)/套總功率/W長度/m亮度/(cd/m2)燈具數(加強+基本)/套總功率/W入口段18475.069+12285604275.0024+69642入口段24237.5018+67620過渡段17222.536+997207211.2532+85680過渡段2967.548+125760893.7524+103100中間段20651.53402720020671.5026018200出口段1607.531+103900304.504+3820出口段2307.506+3540總計——56775140——40445602

由表4可見，通過對兩種設計方案的比較，根據人眼視覺特點對長隧道按《細則》方法進行節能優化設計后，與原《規范》的設計結果相比，每一照明區段的燈具數和總功率都有不同程度降低。總體而言，采用《細則》的方法所用燈具數量可比原方案減少近30%，耗電功率可減少40%。由于采用《細則》所提出的方法考慮了人眼的行車視覺特點，對隧道出入口段進行分段設計，既可以滿足隧道行車照明需求，保證照明安全，又可以進一步減少隧道照明能耗，大大降低隧道運營成本。

該研究成果表明，對隧道照明區段進行進一步細分也是解決高速公路隧道照明能耗高的一種有效途徑，可以指導我國高速公路隧道的安全與節能管理方法的建立，對于提高我國公路隧道運營安全，降低高速公路隧道運營成本起到積極的作用。

3 結論

本文通過分析隧道行車的人眼視覺特性，在研究CIE提出的《公路隧道和地道路照明指南》和駕駛員行車視覺特點的基礎上，對交通部剛頒布的《細則》進行分析，根據隧道亮度等級劃分的思想，以具體隧道為例進行隧道照明設計，得出新《細則》與原《規范》相比在隧道照明方面的節能性，具體結論如下：

(1)根據人眼暗適應過程對入口段照明進行分兩段設置，與原《規范》相比可實現入口段節能；

(2)由于過渡段的分段設置，對過渡段的照明系數進行調整，可使過渡段的能耗在原《規范》基礎上有所下降；

(3)中間段的亮度取值比現行規范有所降低，可使實現中間段的節能目標，對于特長隧道，如果對中間段進行分段設置，有利于能耗的進一步降低；

(4)根據隧道行車的明適應過程，對出口段進行分兩段設置，亦可在原《規范》基礎上實現出口段的節能目標。

總之，根據隧道行車的人眼視覺特性，并借鑒CIE的隧道亮度等級劃分思想，對隧道照明區段進行細分，新《細則》所提出的隧道照明設計方法既符合隧道行車的照明需求，保證隧道行車的安全，同時也可以進一步降低隧道照明的運營成本。

[1] 交通運輸部綜合規劃司. 2013年交通運輸行業發展統計公報[EB/OL]. [2014-05-13].http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201405/t20140513_1618277.html.

[2] 王夢恕.中國是世界上隧道和地下工程最多、最復雜、今后發展最快的國家[J]. 鐵道標準設計,2013(1):1-4.

[3] 季佳俊.三車道大斷面公路隧道照明節能參數優化研究[D].重慶：重慶交通大學,2012.

[4] 項小強,李偉平.對現行《公路隧道通風照明設計規范》中兩個問題的探討[J].公路,2009(11):256-258.

[5] 黃彥.隧道照明過渡段人眼適應問題研究[D].重慶：重慶大學,2013.

[6] CIE. CIE 88:2004 Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses[S]. Austria:International Commission on Illumination, 2004.

[7] 中華人民共和國交通運輸部. JTJ 026.1—1999 公路隧道通風照明設計規范[S]. 北京: 人民交通出版社,2000.

[8] 中華人民共和國交通運輸部. JTG/T D70/2-02—2014 公路隧道照明設計細則[S]. 北京: 人民交通出版社,2014.

《照明工程學報》編委、中央美院教授常志剛應邀參加國際媒體建筑雙年展及高峰論壇

國際媒體建筑雙年展MAB(The Media Architecture Biennale)2014，由丹麥奧胡斯大學(University of Aarhus)與國際媒體建筑協會(Media Architecture Institute)共同主辦，并得到了哥本哈根和奧胡斯市政府，以及連接城市(Connecting city)、丹麥建筑中心(Danish Architecture Center)、ONLYGLASS等多家學術機構、設計機構與企業的鼎力支持。

雙年展匯聚了來自于世界各個城市的、擁有多元化思想的先鋒人物和探索者，他們就媒體建筑在未來城市發展中的作用以及媒體建筑之于“世界城市”這一主題的積極的應對策略展開了激烈的討論，在此基礎上，探討了媒體建筑在社會、文化和商業領域的巨大發展潛力。本屆媒體建筑雙年展的主題是“世界城市”。在全球城市中，媒體建筑正在成為城市公共空間的日益重要的數字化表皮，成為諸如購物中心、娛樂場所、數字標牌以及商業廣告等建筑或城市空間的組成部分，并進而成為公眾心聲的代言者和政府核心職能的窺視器。

常志剛教授在主會場發表了題為“媒體建筑的發展線索”的演講，從建筑學的視角對媒體建筑的歷史脈絡和發展趨勢進行了系統梳理和分析。在互動提問環節中，現場聽眾對于中國的媒體建筑發展表現出極大的興趣。

Research of Energy-saving Design for Tunnel Lighting based on Earlier and New Specifications

Shi Lingna, Tu Yun, Wang Xiaojun

(TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.Ltd,Chongqing400067,China)

According to the visual characteristic of tunnel driving，GuidelinesforDesignofLightingofHighwayTunnelandSpecificationsforDesignofVentilationandLightingofHighwayTunnelare compared, based on the reference to theGuidefortheLightingofRoadTunnelsandUnderpasseswhich is proposed by CIE. The comparisons and analysis are focused on the division of lighting zones and setting of indicators. By optimized lighting design for a specific tunnel withGuidelines, the energy consumption of each lighting zone can be reduced at different levels compared with that deduced bySpecifications. And for general long tunnel, the total energy-saving can reach to 40% compared toSpeifications.

tunnel lighting; light adaptation; dark adaptation; energy-saving design; guidelines

交通運輸部科技成果推廣項目(2013316350070),陜西省交通廳科技項目(13-29K)，貴州省交通廳科技項目(2014-122-020)

史玲娜，E-mail：shilingna@cmhk.com

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.009