多功能儲能式發光材料替代隧道中照明燈具的節能分析

常文偉，劉立湘，冒衛星，高 巍

（1.山西路橋集團陽蟒高速公路有限責任公司，山西 太原 030000；2.安徽中益新材料科技有限公司，安徽 滁州 239000）

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，高速公路建設也逐步向山區、經濟欠發達地區等延伸。近10年來，我國公路隧道年新增里程在1100km 以上，已成為目前世界上公路隧道規模最大、數量最多、發展速度最快的國家。截止2019年底，全國公路隧道共計14006 處、1268.39 萬m。其中，特長隧道 744 處、329.98 萬 m，長隧道 3138 處、537.68 萬m，位列世界第一[1-2]。根據對已建成通車公路隧道的運營現狀情況調研發現，隧道照明年運營費用成為公路隧道運營管理部門沉重的負擔，特別是部分公路運營收不抵支，造成隧道照明設備配得起、用不起。為減少運營費用，部分隧道存在不開燈或少開燈等運營不規范現象，導致交通安全隱患突出。另一方面，近幾年隨著隧道照明節能技術的不斷發展，部分新技術、新材料可有效降低隧道照明建設和運營成本，但由于缺乏相關規范支撐，使得這些新技術、新材料在應用上缺乏技術指導依據。盡管也有一些單位開展了節能新技術、新材料的應用試點，但由于缺乏規范支撐，或是不同節能技術單獨應用未體現綜合節能優勢，或是技術應用后僅僅作為錦上添花的效果，未能有效減少照明運營能耗。在隧道數量增加伴隨照明能耗急增的當下，特別是近幾年對照明品質要求的提升，如何采用新材料、新技術在提高照明品質的同時有效降低隧道照明能耗成為隧道建設及運營管理單位急需解決的問題[3]。多功能儲能式發光涂料是現代新型的隧道輔助照明技術，其不僅能夠滿足在隧道側壁的反光要求，還能夠自主發光來提高隧道內的亮度，特別是在較暗的地方能夠使駕駛員看清路面狀況，保證行車安全。多功能儲能式發光涂料與其他隧道照明燈具結合使用能夠大大的增加隧道內亮度，可達到經濟節能的效果，隧道內涂裝增亮材料的綜合分析，由于蓄能發光多功能材料具備多項獨特的優勢，項目通過實驗對比，分別研究了采用蓄能發光多功能涂料與其他涂料進行比較，對應的亮度增亮及對隧道照明質量的增量，進而得到的隧道照明節能的貢獻[4-5]。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗方案

在隧道檢修道向上1.35m 高部分的兩側墻壁上涂裝納米硅負離子涂料，檢修道1.35m 以上涂裝30cm 紅色警示帶，檢修道向上1.65m 至3m 高部分涂裝多功能儲能式發光涂料，剩余隧道拱頂部分涂裝多功能儲能式動態景觀涂料（藍天白云效果，白云發光）。多功能儲能式發光涂料的外觀顏色為淺黃色，黑暗中發光顏色為黃綠色；檢修道3m 高處橫向設置10cm 寬黑色條形涂料帶，隧道側壁3m 高范圍每隔3m 豎向噴涂一條6cm 條狀黑色涂料帶。

云嶺1 號隧道左線采用節能高效的隧道LED 燈，其燈具的功率規格分別為45W、100W 和70W，燈具采用對稱布置的方式。根據云嶺1 號隧道左線施工圖可知，入口段1 加強照明共有100W 燈具80 盞，入口段2 加強照明共有100W 燈具40 盞，過渡段1 加強照明共有70W燈具34 盞，過渡段2 加強照明共有45W 燈具20 盞，出口段1 加強照明共有45W 燈具14 盞，出口段2 加強照明共有45W 燈具28 盞，全線共有基本照明45W 燈具97盞、應急照明45W 燈具33 盞。在未涂裝多功能儲能式發光材料之前，每隔8m 安裝一盞燈具，開燈測其平均亮度，在涂裝多功能儲能式發光涂料后，通過改變燈具的數量和多功能儲能式發光涂料輔助照明，使其平均亮度和未涂裝多功能儲能式發光涂料時相同，得出此時燈具的安裝間距。

2.2 試驗儀器

此次試驗中主要用到的測試儀器為CX-2B 遠方成像亮度計（見圖1）。CX-2B 遠方成像亮度計測量范圍寬，測試范圍 0.1mcd/m2～15kcd/m2，USB 接口，既適用于實驗室測試，也適用于野外現場測試。

圖1 遠方成像亮度計

2.3 發光亮度驗收

施工完成后采用燈具照射，在1000lux 的照度下照射5min，停止照射后，在照射面中心點，用瞄點式亮度計測量，10min 時測試其發光亮度不低于100mcd/m2，1h 時發光亮度不低于15mcd/m2，且余輝時間大于12h。

2.4 亮度分布效果測試

隧道作為照明綜合節能技術實施的載體，其洞內的亮度是反應實施節能照明技術后最直觀的指標。本次亮度分布效果測試選取云嶺1 號隧道左線入口段、過渡段和出口段的部分區域，采用亮度計進行照明參數測定。

2.4.1 入口段的路面亮度分析

以云嶺1 號隧道為研究對象。根據隧道照明分段方法，整條隧道分為入口段1、入口段2、過渡段1、過渡段2、中間段和出口段1、出口段2，本次測試選在隧道左線入口段1 和中間段進行測點布設。

表1 云嶺1 號隧道左線入口段1 亮度表（cd/m2）

通過表1 可以觀察到路面中線靠右側附近的亮度較高，最高可達到59.89cd/m2，將大部分光通量投射到行車的路面上，提高行車的安全性。可以求得測量區域的路面平均亮度為55.2cd/m2，入口段2 的設計亮度是39cd/m2，測量區域的亮度滿足設計要求；總均勻度U0 為0.87，滿足設計要求的0.3，路面中線亮度縱向均勻度U1 為0.89，滿足設計要求的0.5。

2.4.2 中間段的路面亮度分析

結合遠方成像亮度計軟件，為測量中間段的路面亮度，在隧道中間段布置3.5×10m 的測量區域，沿隧道橫向均勻布設5 個點，沿隧道縱向均勻布設11 個點，測試結果如表2 所示。

表2 云嶺1 號隧道中間段亮度表（cd/m2）

從表2 中可以看出，路面中線靠右側附近的亮度較高，最高可達到9.619cd/m2，將大部分光通量投射到行車的路面上，提高行車的安全性。可以求得路面平均亮度為5.772cd/m2，中間段的設計亮度是2.5cd/m2，測量區域的亮度滿足設計要求；總均勻度U0 為0.7，滿足設計要求的0.3，路面中線亮度縱向均勻度U1 為0.79，滿足設計要求的0.5。

表3 涂裝多功能儲能式發光涂料前后的云嶺1 號隧道左線照明設計與效果參數比較

2.4.3 隧道照明節能分析

云嶺1 號隧道左線采用了隧道照明綜合節能技術后，對隧道內的光照環境均起到了一定的輔助照明作用，在達到相同照明指標及需求的前提下，可以適當降低傳統功能照明的裝機規模及功率。本項目優化前后的云嶺1號隧道左線裝機規模和裝機功率對比情況如表3 所示。

由表3 可知，即使采用相同燈具，經過節能優化設計后，在達到相同亮度情況下，經過優化設計的照明功率比未優化設計前可降低約20%。

2.5 多功能儲能式發光涂料與普通涂料增光效果比較

根據對隧道內涂裝增亮材料的綜合分析，由于多功能儲能式發光涂料具備多項獨特的優勢，項目通過實驗對比，分別研究了采用多功能儲能式發光涂料與其他涂料進行比較，對應的亮度增亮及對隧道照明質量的增量，進而得到的隧道照明節能的貢獻。

在900mm×900mm 標準木工板表面噴涂多功能儲能式發光涂料，并在另外相同的900mm×900mm 標準木工板表面噴涂和多功能儲能式發光涂料顏色相同的普通涂料。測試前放置在不透光的黑色空間內，避光保存24h 以上。測試時將涂裝多功能儲能式發光涂料和普通涂料的多組木工板分別放置于色溫為2700K、3000K、4000K、5000K、6500K 的標準光源中，并將測試探頭放入其中，開啟光譜輻射計，連續測三次光通量并取它們的算術平均值，測試結果如表4 所示：

表4 不同色溫光源照射下不同材料的光通量

從表4 的數據分析，可知在2700K、3000K、4000K、5000K、6500K 的標準光源中，多功能儲能式發光涂料比普通涂料的增光率分別為35.23%、34.88%、29.33%、28.33%、26.62%，增光率普遍在26%～35%之間，可以看出使用蓄多功能儲能式發光涂料的光通量還是比較高的，增光率也是比較高的并且比較穩定，進一步算出這些實驗組的平均增光率為30.878%，可見多功能儲能式發光涂料的優勢還是比較明顯的。

3 結論

通過多功能儲能式發光涂料在山西陽蟒高速公路云嶺1 號隧道實際應用測試結果顯示：

（1）多功能儲能式發光涂料可以明顯改善隧道進出口的光環境條件，消除隧道進口和出口的“黑洞”和“盲光”現象，總余輝時間大于12h。

（2）隧道在改造后，在相同平均照度條件下，涂裝多功能儲能式發光涂料可節約約20%的照明功率，使得隧道運營成本大大降低。

（3）多功能儲能式發光涂料與普通涂料相比，增光率高，可以減少隧道內燈具的用量，達到節能的目的。