基于洞外減光的高速公路隧道照明節(jié)能

貝登榮，殷 杰，夏楊于雨，王 乾

(1.廣東省高速公路有限公司，廣東 廣州 510000；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067；4.海口市市政工程設(shè)計研究院，海南 海口 570208)

引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，各等級公路向山嶺地區(qū)延伸，公路隧道的數(shù)量逐年增多。然而，隧道照明將消耗巨大的電能，因此，在不降低隧道服務(wù)質(zhì)量的前提下，如何實現(xiàn)隧道照明節(jié)能成為重點關(guān)注的內(nèi)容。通過研發(fā)新型燈具、優(yōu)化系統(tǒng)控制技術(shù)、應(yīng)用功能性材料等，可以實現(xiàn)有效地降低隧道照明電能消耗的目的[1,2]。

目前，高效的LED燈已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于公路隧道照明，在保證同樣路面亮度的情況下，LED燈的功率能減少40%左右，亮度均勻度也更優(yōu)，使得隧道內(nèi)行車的視覺信息更加清晰[3，4]。隨著LED燈的廣泛應(yīng)用，對隧道照明系統(tǒng)的控制模式研究也取得了相應(yīng)進展[5，6]，實現(xiàn)了從燈群組控制、燈管陣列控制到無級調(diào)光的控制模式，真正滿足隧道“按需照明”的要求。反光、蓄光材料本身的發(fā)光作用使隧道側(cè)壁具有一定的亮度，其對光的高反射率在一定程度上改善了隧道照明環(huán)境[7]，工程應(yīng)用表明：隧道出入口應(yīng)用蓄光材料后晴天的照明耗能將減小50%[8]。在太陽能和風(fēng)能豐富的地區(qū)，可以充分開發(fā)新型能源為隧道照明及其他機電設(shè)施提供電能[9-11]。管理人員定期維護照明燈具和控制設(shè)備，定期檢修光源及附件設(shè)施，保證照明燈具有0.6以上的維護系數(shù)，隧道照明系統(tǒng)的維護管理也是隧道節(jié)能的關(guān)鍵[12，13]。

1 洞外減光結(jié)構(gòu)

1.1 入口段亮度設(shè)計

公路隧道照明對行車安全起著非常重要的作用，一般分為入口段照明、過渡段照明、中間段照明和出口照明。其中，入口段連接著洞外道路，起著路面亮度從洞外較高水平至洞內(nèi)較低的水平的過渡作用，其亮度標(biāo)準(zhǔn)最高。入口段亮度由洞外亮度、行車車速以及隧道長度等因素確定，常用方法有k值計算法、SRN主觀評價法和察覺對比度法[14]。我國相關(guān)規(guī)范采用k值計算法法，根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)，入口段宜由TH1、TH2兩個照明段組成，對應(yīng)的亮度可分別按式(1)及式(2)計算。

Lth1=k×L20(S)

(1)

Lth2=0.5×k×L20(S)

(2)

式中：Lth1為入口段TH1的亮度(cd/m2)；Lth2為入口段TH2的亮度(cd/m2)；k為入口段亮度折減系數(shù)，可按表1取值；L20(S)為洞外亮度(cd/m2)。

表1 入口段亮度折減系數(shù)

注：當(dāng)交通量在其中間值時，用內(nèi)插法取值。

洞外亮度L20(S)是指在接近段起點S處，高度距離地面1.5 m，正對洞口方向20°視場實測得到的平均亮度，如圖1所示。隧道洞外亮度值是洞內(nèi)照明系統(tǒng)設(shè)計的重要參考數(shù)據(jù)，因此，洞外亮度對隧道運營的電能消耗有很大的影響。

圖1 洞外亮度L20(S)測試示意圖Fig.1 The testing of access zone luminance L20(S)

1.2 減光結(jié)構(gòu)物形式

隧道入口段照明保證了駕駛者以一定的運行速度進入隧道時能夠識別到路面上的障礙物，其亮度標(biāo)準(zhǔn)必須與洞外亮度保持一定的比例關(guān)系，洞外的環(huán)境亮度越高，洞內(nèi)的人工照明的亮度也需要相應(yīng)越高，消耗的電能就越高。

近年來，我國的部分城市道路隧道設(shè)置了洞外減光結(jié)構(gòu)，這些減光結(jié)構(gòu)在一定程度上起到了減光作用，同時也提升隧道洞口的景觀效果，如圖2所示。但是，圖2或類似的減光結(jié)構(gòu)物難以與山嶺地區(qū)的高速公路隧道相融合，根據(jù)相關(guān)研究[15-18]，提出一種利用綠色藤蔓遮擋自然光的高速公路隧道洞外減光結(jié)構(gòu)，在高速公路毗鄰隧道出口和入口連接段有較少應(yīng)用，如圖3所示。利用綠色藤蔓減光具有工程造價低，壽命長，維護簡單等優(yōu)點，能與山嶺地區(qū)的自然環(huán)境相匹配，有很好的景觀效果。

圖2 隧道洞外減光結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of tunnel opening to reduce light

圖3 洞外綠化減光Fig.3 The green architecture to reduce light

2 節(jié)能效益分析

為探討高速公路隧道洞外減光的節(jié)能效益可行性，本文以長度為1 000 m、單洞單向2車道、限速80 km/h、縱坡1%的高速公路隧道為算例。

隧道入口段加強照明燈具按雙側(cè)對稱布置，配置方案見表2、表3。若采用高壓鈉燈時，每天全功率等效開燈時間為10 h，則50年營運期的電費為438萬元(電費按1元/kW·h計算)，按每4年更換一次，需投入36萬元，合計474萬元；若采用LED燈，則50年營運期的電費為197.1萬元，按每8年更換一次，需投入64.8萬元，合計261.9萬元。

減光結(jié)構(gòu)采用矩形倒角斷面形式，凈空高度為7.0 m，縱向長度為80 m，橫向?qū)挾葹?4 m，綜合透光率30%左右。減光結(jié)構(gòu)的立柱采用325無縫鋼管，直徑為12 cm，用法蘭連接，布置于道路護欄外側(cè)，縱向間距為10 m。鋼管之間采用直徑為2 cm的鋼絞線十字交叉連接，構(gòu)成穩(wěn)定的支撐體系。頂部和兩側(cè)鋪設(shè)不銹鋼網(wǎng)，網(wǎng)的孔徑為5.0 cm。減光結(jié)構(gòu)一次性建成的造價為35萬元，見表4。

表2 入口段加強照明高壓鈉燈配置方案

表3 入口段加強照明LED燈配置方案

表4 減光結(jié)構(gòu)造價預(yù)估表

隧道減光結(jié)構(gòu)能有效地將洞外亮度降低為原來的30%左右，以隧道入口段、過渡段照明亮度順適為依據(jù)，通過計算，入口段加強照明燈具可省去原來的一半，其余照明段保持不變。因此，對于照明燈具為高壓鈉燈(LED燈)的隧道在50年運營期能節(jié)約電能219×104kW·h(98.5×104kW·h)，占整個隧道照明能耗的22%左右。在均不考慮減光結(jié)構(gòu)和照明燈具維護成本的情況下，隧道洞外減光結(jié)構(gòu)在50年運營期能節(jié)省費用202萬元(高壓鈉燈)、95.9萬元(LED燈)。

3 結(jié)論

本文通過分析公路隧道照明節(jié)能研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，參考城市道路隧道和高速公路毗鄰隧道的洞外減光結(jié)構(gòu)，提出一種利用綠色藤蔓、適應(yīng)山嶺地區(qū)自然環(huán)境的高速公路隧道洞外減光結(jié)構(gòu)。長度為1 000 m的高速公路隧道在設(shè)置洞外減光結(jié)構(gòu)的50年營運期可節(jié)約22%的電能，照明燈具為高壓鈉燈(LED燈)的隧道可節(jié)省費用202萬元(95.9萬元)，其節(jié)能效益較好。

在減光結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于山嶺地區(qū)的高速公路隧道之前，應(yīng)該對減光結(jié)構(gòu)的減光效果及通過車輛的行車安全做進一步的研究。