公路隧道節(jié)能照明研究現(xiàn)狀與展望

潘國兵，劉 圳，李靈愛

(重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

公路隧道節(jié)能照明研究現(xiàn)狀與展望

潘國兵，劉 圳，李靈愛

(重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

在公路隧道運營中，照明系統(tǒng)是能耗最大，與行車安全關(guān)聯(lián)最為直接的部分，在滿足隧道行車環(huán)境的安全性與舒適性的前提下，如何節(jié)能減排已成為公路隧道照明研究的重點。本文回顧了國內(nèi)外公路隧道照明的發(fā)展歷史，總結(jié)了目前公路隧道節(jié)能照明的研究成果與方向并作出展望，旨在為公路隧道節(jié)能照明的研究和發(fā)展提供參考。

公路隧道；節(jié)能照明；節(jié)能減排

引言

隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，高速公路的建設(shè)逐步向地形地貌復雜的西南片區(qū)推進，公路隧道的應(yīng)用也越來越廣泛，由于隧道封閉的構(gòu)造方式，獨特的行車環(huán)境，隧道照明系統(tǒng)是隧道必不可少的一部分，但其耗能嚴重、運營維護費用高等問題一直困擾著交通建設(shè)工作者。

據(jù)我國交通部綜合規(guī)劃司統(tǒng)計，截止2015年底，全國公路隧道共計14006處、1 268.39萬m。其中，特長隧道744處、329.98萬m，長隧道3 138處、537.68萬米[1]。隧道照明系統(tǒng)作為隧道在行車運營中與行車環(huán)境關(guān)系最為密切、作用最為直接的系統(tǒng)，也是在整個隧道行車運營中投資、耗能最大的系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，照明費用占整個隧道機電工程的30%左右，隧道照明的電耗費已成為隧道運營管理的沉重負擔。目前關(guān)于公路隧道節(jié)能照明的研究較多，并已取得一些成果，本文通過對現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)的歸納總結(jié)，提出隧道照明節(jié)能的思路，以旨解決隧道照明能耗過高的問題提供參考。

1 國內(nèi)外隧道節(jié)能照明研究現(xiàn)狀

國外在隧道節(jié)能照明方面的研究相對于國內(nèi)較早，早在20世紀60年代，意、法兩國之間的MontBlanc隧道就已經(jīng)按照交通量、行車速度和洞外亮度的變化進行照明調(diào)光[2]。20世紀80年代后期，世界各國相繼頒布了適合本國國情的標準規(guī)范，以保障行車安全和規(guī)范隧道照明設(shè)計。如歐洲制定的《歐洲隧道照明標準》、日本制定的《隧道照明指南》、國際照明委員會制定的《公路隧道與地道照明準則》等。發(fā)達國家的照明理論比較完善，已經(jīng)形成了規(guī)范性的標準。進入21世紀，國外開始朝著智能化照明系統(tǒng)發(fā)展，歐洲著名照明設(shè)備廠商 Philips、Osram、Trodonic、Trilux、Vosslon、Schwabe等聯(lián)合起草了DALI(Digital Addressable Lighting Interface)協(xié)議，這一協(xié)議得到發(fā)達國家主要電子鎮(zhèn)流器生產(chǎn)廠商的廣泛支持。DALI 是一種開放的標準協(xié)議，代表了照明技術(shù)的數(shù)字化、智能化、人性化方向發(fā)展的總趨勢[3-5]。

相對而言，國內(nèi)關(guān)于隧道照明的研究起步較晚，但隨著我國隧道的不斷廣泛應(yīng)用以及隧道建設(shè)與運營技術(shù)的不斷成熟，有關(guān)隧道照明的節(jié)能減排研究也逐漸得到重視。在我國現(xiàn)有的隧道照明經(jīng)驗基礎(chǔ)上以及借鑒國外的成功經(jīng)驗與研究，2000年我國交通部正式頒布了明確針對公路隧道通風與照明的第一部規(guī)范，《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)[6]。國內(nèi)科學工作者也逐漸開始重視隧道照明系統(tǒng)的研究。目前我國公路隧道照明系統(tǒng)仍存在：隧道照明設(shè)計過于保守、智能化控制程度不高、高性能節(jié)能燈具應(yīng)用較少等問題。

節(jié)能照明是指在滿足隧道行車運營中的安全舒適照明需求下降低能耗與負荷。目前國內(nèi)外隧道節(jié)能照明研究主要集中在新型節(jié)能照明燈具；發(fā)光涂料增光照明；智能化照明控制系統(tǒng)；隧道洞口減光構(gòu)筑物；隧道照明設(shè)計規(guī)范的完善；光伏照明；光導照明；光纖照明；LED誘導節(jié)能等方面的研究。由于篇幅的限制，只對部分隧道節(jié)能照明研究進行綜述。

2 新型節(jié)能照明燈具

隧道照明燈具是隧道照明系統(tǒng)中最為重要的環(huán)節(jié)，也是最為直接作用于照明的環(huán)節(jié)。目前我國現(xiàn)行的隧道照明燈具主要有這幾種：高壓鈉燈、熒光燈、高壓汞燈以及LED燈具，在這些燈具中高壓鈉燈因其長壽命、高光效及其優(yōu)良的顯色性目前在我國應(yīng)用范圍最為廣泛，但隨著科學的進步與發(fā)展，LED燈具的開發(fā)研究與應(yīng)用開始凸顯高壓鈉燈光源的不足。

LED光源相比于現(xiàn)行其他類型的幾種光源燈具具有：顯色指數(shù)高、功耗低、光源利用率高、啟動時間短、工作電壓范圍寬、綜合成本低的優(yōu)點，其中可無級調(diào)光的特點使LED燈具逐漸成為隧道節(jié)能照明的首選，可看出LED將是未來隧道照明的主要發(fā)展方向。我國2006年6月在貴州省的貴-黃高速公路東苗沖隧道首例采用 LED 燈照明；我國南京模范馬路隧道也是采用高光效大功率 LED 隧道燈，該隧道為分離式雙洞六車道，設(shè)計車速 60 km/h，高峰車流量大于2 000輛/h，洞體左線長1 010 m，右線長1 006 m。采用了高光效大功率 LED 隧道燈替代傳統(tǒng)熒光燈，明顯減少了燈具數(shù)量，單燈總功率也從熒光燈的80W降低為72W。實際使用效果證明，僅從使用 LED隧道燈替代傳統(tǒng)燈具上，就能降低約三分之一的隧道照明能耗[7-9]。

目前基于LED燈具的照明系統(tǒng)開發(fā)研究已經(jīng)炙手可熱?；贚ED的智能控制系統(tǒng)研發(fā)、LED誘導節(jié)能技術(shù)、LED光源結(jié)合中間視覺理論等研究已成為隧道照明系統(tǒng)研究的主流。

3 蓄能反光涂料輔助隧道照明

在研究高性能節(jié)能隧道照明燈具的同時，人們在研究蓄能反光涂料在隧道照明中的輔助照明節(jié)能技術(shù)。蓄能反光涂料是利用側(cè)壁涂料的反光(蓄能自發(fā)光)輔助隧道照明，從而優(yōu)化照明環(huán)境，減小照明能耗，必要時還可作為應(yīng)急光源。

我國安徽省六武高速公路隧道照明就采用了蓄能反光涂料輔助LED燈光源進行照明。六武高速公路全長約90.9 km，全線共有8處隧道。該高速公路隧道照明系統(tǒng)就充分考慮了隧道側(cè)墻裝飾增光輔助照明作用。隧道邊墻采用柔和的乳白色瓷磚，拱頂噴涂灰白色防火涂料，這類材料都具有反射率較高的特點，利用墻面的反射光對隧道照明環(huán)境進行增光照明。六武高速公路隧道還首次大量在照明入口段、過渡段和出口段防火涂料表面增設(shè)發(fā)光涂料面層。這些發(fā)光涂料能吸收部分燈具照明的光能，以自發(fā)光的形式二次釋放出來，提高洞內(nèi)亮度的同時也提高了光源的有效利用率[10-11]。

重慶交通大學梁波、潘國兵等人 研制了基于反應(yīng)時間的隧道照明縮尺模型集成系統(tǒng)，并進行了一系列針對隧道內(nèi)飾涂料的輔助照明作用研究試驗，發(fā)現(xiàn)隧道蓄能發(fā)光涂料具有縮短駕駛?cè)朔磻?yīng)時間，提高行車安全性的有效作用，且在配合同種燈具在達到同等照明條件的條件下，能夠減小照明功率，減少后期維護成本[12-14]。蓄能反光涂料在隧道照明節(jié)能性、安全性、舒適性方面效果都十分顯著，且蓄能發(fā)光涂料在輔助隧道照明效果顯著的同時，也可以作為裝飾，改善隧道內(nèi)壓抑單調(diào)的行車環(huán)境，提高行車舒適度。

4 智能化照明控制系統(tǒng)

隨著科技的進步和社會的發(fā)展，智能化是人類發(fā)展的主要方向，隧道照明系統(tǒng)也不例外。我國隧道照明控制系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段，人工控制、時序控制、分級控制。但這三種都無法實時與隧道照明曲線相貼合，也就導致了過度照明或者無效照明的現(xiàn)象。隧道智能照明控制系統(tǒng)則是指利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、信息處理反饋等技術(shù)組成的無線或有線控制系統(tǒng)，在隧道不同區(qū)段，不同洞外亮度，不同氣候，不同通車量等情況下智能控制調(diào)整隧道照明從而達到按需照明，節(jié)約能源的目的。

2008年12月通車的合肥市壽春路下穿蒙城路隧道，就成功應(yīng)用了LED無級調(diào)光系統(tǒng)，大幅減小了隧道照明能耗，延長了燈具壽命，據(jù)估算，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)分級調(diào)光鈉燈相比，可以節(jié)省能耗70%以上。2009年我國何鵬、董敏娥以終南山隧道為研究背景提出了一種隧道智能模糊控制照明系統(tǒng)。系統(tǒng)通過采集洞內(nèi)外亮度、車速、車流量等信息，作為控制參數(shù)輸入該系統(tǒng)，經(jīng)過模糊控制算法運算，輸出照明的控制信號。測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)照明控制法相比，該系統(tǒng)能顯著降低隧道照明電能損耗，減少系統(tǒng)運營成本[15]。同年，王霞、周建則通過對分級調(diào)光和無級調(diào)光的的能效性分析，說明了隧道LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)的節(jié)能原理及在城市隧道中的應(yīng)用實效[16]。

智能化照明控制系統(tǒng)研發(fā)的意義在于，一個貼合隧道照明曲線的控制系統(tǒng)不僅可減少“黑洞現(xiàn)象”“白洞現(xiàn)象”等隧道特有的不良現(xiàn)象對行車安全所帶來的影響，還能有效改善駕駛者在行駛過程中由隧道特殊的行車環(huán)境所帶來的壓抑感。更重要的是，能有效提高光源利用率，減少能耗，按需照明[17-20]。

5 洞口減光構(gòu)筑物

隧道照明設(shè)計最為關(guān)鍵的部分就在于洞口段與過渡段的亮度設(shè)置，隧道洞口處于明暗交替區(qū)段，存在有“黑洞”、“白洞”等不良現(xiàn)象，是交通事故多發(fā)段，為解決這一問題現(xiàn)行隧道照明設(shè)計大都是采用基于洞口亮度L20為標準，設(shè)置洞口照明加強段，依次折減過渡到照明中間段的方法。但這一方式不僅可控性、高效性差，還帶來了能耗巨大、養(yǎng)護維修頻繁、費用昂貴的缺點。減光構(gòu)筑物的設(shè)置就起到了減小洞內(nèi)外亮度差、削弱人眼不適感、延緩亮度變化速率的作用，同時還能減小隧道照明能耗，節(jié)省后期養(yǎng)護維修費用。

隨著我國隧道建設(shè)范圍愈發(fā)廣泛，隧道數(shù)量逐步增加，隧道減光構(gòu)筑物也已逐步應(yīng)用于實際工程之中，如重慶向陽隧道、廣西隆百高速公路田林隧道群等，人們也逐漸重視有關(guān)減光構(gòu)筑物的研究。2011年，王長春就遮光棚的作用，結(jié)構(gòu)類型及工程適用性進行了分析總結(jié)，得到了在隧道洞口設(shè)置減光構(gòu)筑物能夠有效改善隧道行車環(huán)境，降低事故率，減小照明能耗的結(jié)論[21]。2013年，吳忠勝、陳山泉就以廣西隆百高速公路田林隧道群中的遮光棚為實例，總結(jié)了減光棚遮光、節(jié)能、協(xié)調(diào)景觀等作用，分析了設(shè)置減光構(gòu)筑物的必要性[22]。

實踐與研究證明，在隧道洞口合理設(shè)置減光構(gòu)筑物具有安全性、節(jié)能性、適應(yīng)性等多方面意義。但目前，我國仍缺乏關(guān)于減光構(gòu)筑物的關(guān)鍵性問題研究，如減光構(gòu)筑物的適應(yīng)條件、設(shè)置原則、減光曲線等都有待研究。

6 隧道照明設(shè)計規(guī)范

國外對于公路隧道照明的研究起步較早，在20世紀60年代就開始相關(guān)研究并頒發(fā)了相應(yīng)規(guī)范和標準，并隨著科學的不斷進步和時代的發(fā)展逐步修改完善。我國則在2000年頒布《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)和2004年頒布《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D 70—2004)[23](簡稱《規(guī)范》)作為隧道照明設(shè)計的標準，依據(jù)《規(guī)范》，隧道各段的照明是根據(jù)全年的最不利情況考慮，即年最大通車量和最大洞外亮度等條件，這種較保守的設(shè)計使隧道照明系統(tǒng)造成了極大的能源浪費。隨著我國公路隧道規(guī)模不斷擴大、種類逐漸增多、設(shè)計車速不斷提高，照明理念和照明技術(shù)的不斷進步，各種新材料、新設(shè)備的不斷投入使用，為適應(yīng)隧道照明形勢的發(fā)展。2014年，我國交通部頒布《公路隧道照明設(shè)計細則》(JTG/TD 70/2-01—2014)[24-25](后簡稱《細則》)，并于2014年8月1日正式實施?！都殑t》在原《規(guī)范》的基礎(chǔ)上明顯更加注重節(jié)能，注重細節(jié)。比如：《細則》在隧道照明區(qū)段的劃分上就做了很大的改進，《細則》將入口段劃分為Lth1和Lth2兩段，將出口段劃分為Lex1和Lex2兩段。

除此之外，《細則》還針對隧道照明節(jié)能方面獨立成章，提出了“因隧制宜”的隧道照明理念，也提出了從隧道照明光源的選擇、隧道照明燈具、接近段減光、隧道智能調(diào)光等方面的節(jié)能措施與要求。

總之，新規(guī)范在舊規(guī)范的基礎(chǔ)上根據(jù)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(qū)段進行了細分，在保證隧道正常行駛的情況下，減小了能耗，可降低了隧道照明系統(tǒng)的運營成本。這對我國的公路隧道的運營安全與節(jié)能環(huán)保都有巨大的推進作用[26]。

7 光纖傳導技術(shù)

光纖照明技術(shù)早在20世紀30年代就已經(jīng)被人們所發(fā)現(xiàn)，光纖照明傳導技術(shù)的主要原理是通過透鏡和反光鏡等光學元件無限次數(shù)改變光線的傳播方向，使光線隨光纖的路徑進行傳導，從而實現(xiàn)光的柔性傳播。在隧道照明系統(tǒng)中可利用光纖傳導技術(shù)提高光源利用率，提高定向性，還能將洞外自然光導入隧道內(nèi)部增強或者替代傳統(tǒng)燈具照明，可以從根本上減少隧道日間照明能耗。

在光纖傳導技術(shù)的初期，光纖采用的集束玻璃光纖成本極高，根本不能應(yīng)用到實際照明系統(tǒng)中，但隨著近年來逐漸發(fā)展的聚合物光纖材料性能的提高和成本的下降，歐美國家已經(jīng)在隧道光纖照明領(lǐng)域取得突破。在美國，連接Sumner和Callahan的隧道就已經(jīng)成功應(yīng)用了光纖照明方式[27-30]。一年的跟蹤測試和數(shù)據(jù)分析表明，光纖照明系統(tǒng)既能滿足隧道照明安全舒適的基本要求，又可以保持長效的使用壽命和維護途徑。

相比于傳統(tǒng)隧道照明方式，光纖照明光電分離的特點使得整個隧道照明系統(tǒng)更加安全可靠，而且光源更加易于維護和更換。在節(jié)能方面，光纖作為傳光介質(zhì)具有極好的定向性，在隧道空間內(nèi)能夠有效實現(xiàn)定向、按需照明，傳導自然光對隧道內(nèi)行車環(huán)境進行輔助照明甚至取代傳統(tǒng)燈具光源已經(jīng)成為未來光纖傳導技術(shù)在隧道照明系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展新方向[31-33]。

8 結(jié)論與展望

目前我國公路隧道運營在照明系統(tǒng)在節(jié)能方面還有很大的提升空間，目前大部分隧道照明燈具仍采用高壓鈉燈，對于墻面、路面的反光(或自發(fā)光)的研究尚不成熟，而且我國規(guī)范標準的起步較晚，設(shè)計上相對保守，這些原因都導致隧道在運營中產(chǎn)生了大量的能源浪費。因此，公路隧道照明系統(tǒng)在滿足行車舒適性和安全性的前提下，還應(yīng)滿足綠色環(huán)保、節(jié)能減排的要求。為此可以從以下幾個方面著手：

1)結(jié)合最新照明研究成果，完善隧道照明設(shè)計規(guī)范，建立健全的公路隧道照明評價體系，設(shè)計貼合各隧道實際情況的照明系統(tǒng)，做到因隧制宜。

2)充分考慮隧道照明各影響因素、綜合合理利用節(jié)能燈具、隧道洞外減光措施、側(cè)壁反蓄光作用、清潔能源等各照明節(jié)能方式，以達到節(jié)能的作用。

3)開發(fā)智能控制系統(tǒng)，針對不同時段、氣候、車流量等因素實時動態(tài)調(diào)整隧道照明參數(shù)，以實現(xiàn)按需照明，減小照明能耗。

4)對老舊照明系統(tǒng)進行改造。我國還有一大批隧道存在設(shè)計參數(shù)保守、照明燈具落后、節(jié)能措施缺失、線路老舊等缺點，故而對此類隧道進行重新照明評估及改造、逐步推廣節(jié)能燈具、合理增設(shè)隧道照明節(jié)能措可改變我國隧道照明系統(tǒng)普遍能耗高、能源利用率低等現(xiàn)狀。

公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能方式多種多樣，無論從燈具光源、附屬設(shè)施、傳導方式、能源效率等各方面都有很大的發(fā)展空間。有理由相信，隨著社會的進步、科技的發(fā)展和工程的經(jīng)驗積累，隧道照明系統(tǒng)一定會越來越安全，越來越舒適，越來越節(jié)能環(huán)保。

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The Present Situation and Development Trends of Tunnel Lighting Equivalent Energy Saving

PAN Guobing, LIU Zhen, LI Lingai

(ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing,CollegeofCivilEngineering,Chongqing400074,China)

In the tunnel operation, the tunnel lighting system consumes the biggest energy, and it is also the key component of the road safety. Therefore how to reduce the energy consumption of tunnel lighting system while ensuring the road safety and comfort has become an important and meaningful topic. This paper reviewed history of tunnel lighting, at the same time it also summarized the achievements and trends of energy saving in tunnel lighting system. It provides design ideas and reference for equivalent energy saving in tunnel lighting system’s development．

tunnel; lighting energy saving; energy conservation

國家自然科學基金資助(5167082166)；交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2014319814260)；重慶市教委科學技術(shù)研究項目(KJ1500505)；重慶交通大學研究生創(chuàng)新基金

潘國兵，E-mail：panguobing@126.com

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10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.018