關于公路隧道照明節能改造的研究與應用

李 卓

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

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關于公路隧道照明節能改造的研究與應用

李 卓

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

分析了影響公路隧道照明節能的主要因素，根據舊有公路隧道能耗成本高、節能減排空間大的特征，提出了公路隧道照明系統節能改造的方案，指出隧道照明節能改造技術有效降低了運營費用，具有顯著的經濟和社會效益。

隧道，照明，節能改造，燈具

1 研究背景

截止2015年年底，全國公路隧道14 006處，總長1 268.39萬m。其中，特長隧道744處，長329.98萬m，長隧道3 138處，長537.68萬m[1]。隨著我國高速公路建設的發展，隧道數量越來越多，隧道建成后的照明能耗也越來越高。在2014年以前已建成通車的公路隧道均按照《公路隧道通風照明設計規范》(以下簡稱“規范”)進行設計，因規范落后、新型照明燈具和調光技術未推廣應用等因素，照明節能減排方面工作進展一直緩慢。隨著新規范《公路隧道照明設計細則》(以下簡稱“細則”)的發布及新技術的發展對于舊有隧道的照明節能改造工作越來越迫切。本文以時速為80 km/h的隧道為例，提出隧道照明的節能改造方案，并對其節能改造效果進行綜合分析。

2 公路隧道節能因素研究

2.1 隧道洞外亮度

洞外亮度L20(S)是指在接近段起點S處，距地面1.5 m高正對洞口方向20°視場實測得到平均亮度。洞外亮度L20(S)是照明系統設計的基準參數之一，該參數的合理選取對工程投資和運營電費有極大影響。在隧道設計階段，通常隧道洞門尚未實施完成，因此設計者很少到現場做洞外亮度實測，造成設計中洞外亮度選擇趨于保守，大于實際的洞外亮度值。

目前《細則》相對于舊《規范》，提供的40 km/h～100 km/h時速洞外亮度參考值有所降低，并推薦在照明系統設計中結合隧道實際情況“因隧制宜”，合理設計。洞外亮度常用的測試方法有環境簡圖法、黑度法、數碼相機法。數碼相機法由于操作簡便、測試較為準確，是目前提倡的一種測試方法。根據福建、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100 m 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3 000 cd/m2以內。分析計算表明，公路隧道洞外亮度L20(S)取值由4 000 cd/m2降低至3 000 cd/m2，入口加強照明可節能約25.4%[2]。此外通過對隧道洞口進行科學合理的景觀設計，采用濃密的深色植被和深色的洞門型式均可以有效降低洞外亮度，能進一步降低隧道照明規模。

2.2 隧道加強段及中間段照明

原《規范》入口段亮度Lth=k×L20(S)，其中，Dth為長度。《細則》的變化在于將入口段長度Dth分為2段，入口段1亮度Lth1=k×L20(S)和入口段2亮度Lth2=0.5×k×L20(S)，過渡段的照明亮度相應逐次降低。因加強段的照明燈具的功率配備較大，《細則》通過對加強段的長度及亮度的折減有效降低了隧道的燈具功率配備。

相對于加強段照明，中間段照明的配置功率與隧道長度相關，開燈時間較長，消耗電量較大，對基本照明進行改造的綜合效益最好[3]。《細則》降低了中間段的亮度要求，以80 km/h時速的隧道為例，當單向交通量大于1 200輛veh/(h·ln)時，按舊《規范》應為4.5 cd/m2，按新頒布《細則》的中間段取值為3.5 cd/m2(見表1)，相當于燈具功率節能達22%。如隧道照明采用LED燈具，亮度標準可再折減50%，隧道節能效果會更進一步提高。

表1 《細則》中間段亮度 Lin

2.3 燈具選型

2.3.1 高壓鈉燈

高壓鈉燈是一種高壓鈉蒸汽放電燈泡，其放電管采用抗鈉腐蝕的半透明多晶氧化鋁陶瓷制成，工作時發出金白色光。它具有發光效率高、壽命長、透霧性好等優點，作為隧道照明常采用的傳統燈具，它有如下特點：

1)色溫及顯色性：高壓鈉燈光色呈黃色，色溫為2 000 K～2 100 K，顯色性較差，一般顯色指數僅為20～25。

2)燈具效率：高壓鈉燈的初始光通量較高，但發光角度360°。照射到路面方向的光很少只有30%，非應用方向的光需要通過燈具的反射罩將光線投射到路面上，燈具的利用效率約為60%。

3)啟動時間：高壓鈉燈啟動時間較長，每次通電5 min～10 min左右的時間，才能達到正常的亮度，再次啟動的時間一般要大于5 min。對于按需照明，如無極調光、車來燈亮、車走燈熄的節能調光技術，高壓鈉燈的啟動時間難以滿足要求。

2.3.2 LED燈

LED燈具是一種能夠將電能轉化為光的半導體，發光二極管。隨著近幾年的技術發展，LED燈具質量逐漸趨于成熟，價格趨于下降，在光通量，節能環保和燈具效率方面都超越了高壓鈉燈，受到政府及運營單位的大力推廣，LED燈具有如下特點。

1)色溫及顯色性：LED色溫在3 000 K～7 000K之間，顯色性較好，一般顯色指數在75～85。

2)燈具效率：LED燈具為定向放光，發光角度在180°以內，通過燈具透鏡二次配光，LED隧道燈具的利用效率可達到85%以上。

3)啟動時間：LED燈具可瞬時啟動，啟動時間小于0.01 s,無需預熱。可根據此特性實現實時調光。

從以上對比可以看出來，LED燈在顯色性、燈具效率及調光方面比高壓鈉燈的優勢明顯。而且在燈具壽命方面，LED燈具壽命可到達50 000 h且光衰小于30%，高壓鈉燈的壽命一般為20 000 h。在后期運營過程中LED燈具的維護成本也比高壓鈉燈更低。

3 隧道照明節能改造方案

以2004年設計完工的某隧道為例，該隧道設計時速為80 km/h，全長1 500 m，路基寬度8.75 m，進口為端墻洞門。設計參數采用舊《規范》，洞外亮度采用4 000 cd/m2時，隧道內入口段、過渡段1、過渡段2、中間段亮度分別為100 cd/m2,30 cd/m2,10 cd/m2，2 cd/m2。照明燈具是高壓鈉燈，使用功率為100 W，150 W，250 W，400 W的高壓鈉燈，采用兩側對稱布燈的方式，燈具安裝高度為5.8 m，仰角為13°左右。改造后采用新的設計標準，通過實地測量洞外亮度在3 300 cd/m2左右，按照新《細則》重新進行照明改造設計，洞外亮度可按照3 500 cd/m2進行取值，隧道可分為入口段1、入口段2、過渡段1、過渡段2，設計亮度分別為87.5 cd/m2，43.75 cd/m2，13.13 cd/m2，4.34 cd/m2，1.5 cd/m2。現根據《細則》提出的方法對隧道內照明系統進行改造，改造前加強照明回路平均每天耗電量在76 kW/h，基本照明回路平均每天耗電量在30 kW/h；改造后加強照明回路平均每天耗電量在44.9 kW/h，基本照明回路平均每天耗電量在23 kW/h，如圖1所示。可見通過對原有照明系統改造,在同樣采用高壓鈉燈的前提下，加強和基本照明回路耗電量均有下降，加強照明節能效果顯著，

節能率達40%左右，基本照明節能率達23%左右。

目前在市政隧道及高等級公路隧道中LED燈具已普及應用，主要設置于隧道基本照明段落。如果在不改變燈具布置形式的前提下，將基本段原有100 W高壓鈉燈替換為50 W LED燈具，經過照明軟件計算，亮度和縱向均勻度均可滿足規范要求，而耗電量僅為15 kW/h，通過對基本段的LED改造，節能率可達50%，如圖2所示。

改造后采用高壓鈉燈加LED燈具的方案，隧道照明總耗電量比改造前降低45%。可見，通過對洞外亮度進行優化，對照明入口段進行改造及采用LED燈具等手段，可以大幅度減少照明能耗，節省運營費用。

4 結語

在公路隧道運營過程中，隧道照明是主要的耗能大戶，隨著交通部發布“交通運輸節能環保‘十三五’發展規劃”，提出了綠色發展、節能環保的要求，對于舊有公路隧道的照明節能改造越來越迫切。隧道照明節能技術在舊有公路隧道的應用，使得改造前后隧道照明節能效果顯著，有效降低運營費用。對運營方而言，照明節能技術有著顯著的經濟效益和社會效益，具有很高的推廣價值。

[1] 交通運輸部綜合規劃司．2015年交通運輸行業發展統計公報[N].2016-05-06.

[2] 王少飛.公路隧道照明節能系統論[J].公路，2012(8)：273-277．

[3] 張乃斌.公路隧道照明節能改造技術應用研究[J].公路交通技術，2012，32(2):139-142.

Research on lighting energy-saving reconstruction of roads and tunnels and its application

Li Zhuo

(No.1RoadSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,CCCC,Xi’an710075,China)

The paper analyzes the main factors for the lighting energy-saving of roads and tunnels, points out the energy-saving reconstruction scheme of the lighting system of roads and tunnels according to the high energy consumption cost and large space for the energy-saving and emission reduction of the roads and tunnels, and points out the lighting energy-saving technique can lower the operation cost to achieve better economic and social benefits.

tunnel, lighting, energy-saving reconstruction, light

2016-11-27

李 卓(1983- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2017)04-0201-02

TU113.665

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