隧道LED照明設(shè)計與節(jié)能研究

謝曉琳，陳 仁，何 敏，陳國杰，陳澤畑，周蘭君，陳秋娥

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院,廣東 佛山 528000；2.物理與光電工程學(xué)院，廣東 佛山 528000)

引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，LED燈具相比傳統(tǒng)燈具的優(yōu)勢越來越明顯。在我國大力倡導(dǎo)節(jié)能減排、綠色發(fā)展的背景下，本文從LED燈具替代傳統(tǒng)燈具的角度出發(fā)，根據(jù)隧道照明設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對參照對象廣東省佛山市丹桂路羅村隧道進行照明節(jié)能改造與分析。

1 隧道照明設(shè)計方案

本文以我國現(xiàn)行的公路隧道隧道照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，即JTG/T D702-01—2014《公路隧道照明設(shè)計細則》(以下簡稱《細則》)。以羅村隧道為依托工程，采用照明軟件 DIALux evo建立隧道模型，并進行照明節(jié)能分析。羅村隧道位于廣東省佛山市羅村街道城區(qū)中心地帶的羅村中心廣場下，雙向八車道，限速為80 km/h，東西朝向，全長為410 m，寬約為36 m，黑色瀝青路面，屬于下沉式城市地下隧道。桂丹路羅村隧道采用的是兩側(cè)對稱布置的571套壁裝式陶瓷金鹵燈與高壓鈉燈[1]，總功率達到98.9 kW，并采取物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)。隧道內(nèi)的燈具發(fā)出穿透性強的光線，呈現(xiàn)暖黃光。羅村隧道一端，如圖1所示。

圖1 羅村隧道現(xiàn)場勘測建筑照片F(xiàn)ig.1 Site survey of Luocun tunnel

經(jīng)現(xiàn)場勘查了解，該隧道照明系統(tǒng)的照明路段分為入口TH1照明段、TH2照明段、過渡TR1照明段、中間段與出口段[2]。

1.1 隧道凈空斷面形式

經(jīng)實地勘察，通過激光測距儀，獲得隧道凈空斷層面數(shù)據(jù)，如表1所示。由測試結(jié)果，可知隧道單洞寬度約為18 m，洞內(nèi)高度約為5.8 m。其中，燈具高度約為5.4 m。

表1 隧道凈空斷面數(shù)據(jù)Table 1 Tunnel clearance section data

1.2 隧道洞外亮度L20(S)

本文選取查表法進行現(xiàn)場測定。由于測定現(xiàn)場為已投入使用的一級公路，因此，先測量停車視距Ds確定S點，然后乘坐汽車(可獲得視覺高度約為1.5 m的面包車)通過隧道洞口。當(dāng)汽車到達S點時向洞口方向拍攝照片做記錄，分析后即可獲得20°視角如圖2所示。

由圖2(a)和(b)所示，白色圈內(nèi)即停車視距S處的1.5 m高度往洞口方向取20°視場大小，紅色標(biāo)記范圍即天空占比。經(jīng)過分析和綜合考慮，20°視場的天空占比的取值為20%。該隧道為東西朝向，洞外景物(包括洞門建筑)為反射率較低的環(huán)境，根據(jù)《細則》查表，該隧道的洞外亮度L20(S)取值為4 000 cd/m2。

1.3 隧道側(cè)壁墻面材料反射率

經(jīng)現(xiàn)場勘查，隧道側(cè)壁采用的是穿孔鋁板，如圖2所示。僅取2 m高范圍內(nèi)1.5 m的測試點，通過測試，羅村隧道側(cè)壁墻面反射率約為0.14，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 洞口洞外亮度L20(S)的20°視角Fig.2 20°view of brightness L20(S) outside hole

圖3 羅村隧道側(cè)壁墻面材料——穿孔鋁板Fig.3 Materials——perforated aluminium sheet on side wall of Luocun tunnel

表2 羅村隧道側(cè)壁墻面反射情況Table 2 Reflections on the sidewall of Luocun tunnel

1.4 照明仿真的標(biāo)準(zhǔn)亮度值與分段設(shè)計的長度計算

經(jīng)分析與計算，照明仿真的標(biāo)準(zhǔn)亮度值與分段設(shè)計的長度如表3所示。

表3 照明仿真的標(biāo)準(zhǔn)亮度值與分段設(shè)計的長度Table 3 Standard luminance values and length of segment design for lighting simulation

2 隧道模型的建立

隧道建模一般分為兩個步驟：

1)隧道狀況及參數(shù)設(shè)置。隧道橫截面如圖4所示，隧道橫截面設(shè)置如表4所示；隧道各面反射率參數(shù)設(shè)置如表5所示。

圖4 隧道凈空斷面Fig.4 Tunnel clearance section

表4 隧道凈空斷面數(shù)據(jù)設(shè)置Table 4 Data of tunnel clearance section

表5 隧道各面反射參數(shù)Table 5 Reflection parameters of tunnels

2)導(dǎo)出隧道效果圖。添加完隧道接近段相應(yīng)的裝飾后，完成的隧道建模后的效果如圖5所示。

3 燈具的選擇及其布置

3.1 燈具選擇

本文采用三款燈具進行仿真設(shè)計，設(shè)計的參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。其中，一個全新的傳統(tǒng)鈉燈燈具系列為照明方案一，此方案作為其他方案的節(jié)能參考。另外兩個LED光源燈具系列分別為照明方案二、三。這三個系列燈具的具體信息如表6所示。

表6 燈具信息Table 6 Lamp information

續(xù)表6

3.2 燈具布置

由于本次照明設(shè)計的研究對象羅村隧道路面較寬，且可選擇的隧道燈具有限。為了保證平均亮度、路面亮度均勻度、眩光等參數(shù)，綜合考慮，本次設(shè)計的燈具布置應(yīng)采取兩側(cè)對稱布置形式。

4 照明計算結(jié)果輸出

這次照明設(shè)計中，在相同的燈具高度(5.6 m)以及相同的布置形式(兩側(cè)對稱布置形式)使用不同系列的燈具制定三種不同的照明方案。方案一作為傳統(tǒng)燈具對照組使用的是鈉燈；方案二使用的是LED隧道燈1；方案三使用的是LED隧道燈2。這三種方案在DIALux4.13軟件中計算的結(jié)果如表7和圖6所示。

表7 三種隧道照明方案的計算結(jié)果Table 7 Calculation of three tunnel lighting schemes

圖6 各照明方案效果圖與偽色圖Fig.6 Lighting rendering and pseudo-color image of each lighting scheme

由表7中的三種照明方案的計算結(jié)果分析可知，加強照明中的TH1照明段和出口照明段中亮度均勻度U0受接近洞外的光環(huán)境影響而偏低，各加強照明段也受鄰近的照明段的光照影響而導(dǎo)致縱向均勻度U1偏低。但三種照明方案的基礎(chǔ)照明與加強照明都基本能達到相應(yīng)的照明指標(biāo)且照明效果都相差不大。其中，照明方案一由于使用的是大功率的鈉燈，發(fā)光點分布較為分散，而燈具的光通主要照射集中在道路中線，道路兩側(cè)的邊緣亮度較低，導(dǎo)致白天或夜間隧道內(nèi)的亮度均勻度U0都偏低。照明方案二、三的燈具布置與照明效果也基本一致。但方案三中使用的燈具光效較高，基礎(chǔ)照明的路面亮度是最高的，且系統(tǒng)總功率比較方案二要低一些。

5 照明節(jié)能分析及建議

5.1 方案比較

對于三種方案的照明計算結(jié)果進行匯總比較，如表8所示。其中，白天的功率密度為照明系統(tǒng)的總功率與隧道道路面積之比，即此時開啟基礎(chǔ)照明與加強照明；夜間的功率密度僅為基礎(chǔ)照明的功率與隧道道路面積之比。節(jié)電率為傳統(tǒng)燈具對照組方案一的總功率與方案二、三LED隧道燈的總功率的差和傳統(tǒng)對照組方案一的總功率之比。

表8 方案比較Table 8 Comparison of Programmes

由表8可知，與采用傳統(tǒng)鈉燈的照明方案一相比，兩種LED燈具照明方案的照明效果都基本達到相應(yīng)的亮度指標(biāo)，節(jié)電率均達到40%以上。從節(jié)能的角度考慮，應(yīng)選擇方案三作為最優(yōu)方案。

5.2 社會效益估算

在上述公路隧道狀況，傳統(tǒng)鈉燈照明方案一與LED燈照明方案三作比較。照明系統(tǒng)運營：白天以10 h滿負荷運行系統(tǒng)；早晚以4 h滿負荷運行基礎(chǔ)照明與開啟50%的加強照明負載；夜間以10 h滿負荷運行基礎(chǔ)照明。用電的節(jié)能分析以照明系統(tǒng)365 d，每天24 h運營作計算。如表9所示。由表9可知，相比于采用傳統(tǒng)鈉燈的隧道照明系統(tǒng)，選擇合適的LED燈具節(jié)能和采用合理的照明設(shè)計能達到節(jié)能減排的作用，有效地降低隧道照明系統(tǒng)的運營成本，有利于可持續(xù)發(fā)展。

表9 社會效益估算Table 9 Social benefit estimates

5.3 照明節(jié)能的相關(guān)建議

隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能改造除了可以選擇高效節(jié)能燈具與合理布置燈具以外，還可以通過多種舉措進一步降低能耗：

1)降低洞外環(huán)境亮度。通過在隧道接近段合理地設(shè)置減光設(shè)施以及在隧道洞口兩側(cè)栽種綠植等方法降低洞外亮度，降低加強段的照明指標(biāo)。

2)調(diào)整隧道內(nèi)環(huán)境的反射。隧道內(nèi)部的光照度受隧道內(nèi)環(huán)境反射率有較大影響，適當(dāng)提高隧道各反射面反射率，可以增強路面照明照度值，實現(xiàn)降低能耗的目的。

3)采用智能動態(tài)調(diào)光控制系統(tǒng)。采用智能動態(tài)調(diào)光控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)隧道照明，智能動態(tài)調(diào)光控制系統(tǒng)依據(jù)洞外亮度、車流量等實時信息，結(jié)合各照明段的燈具通光量和對應(yīng)的季節(jié)時段等綜合信息，計算出洞內(nèi)所需亮度，然后通過調(diào)節(jié)基礎(chǔ)照明和加強照明實現(xiàn)動態(tài)調(diào)光。

4)照明系統(tǒng)日常維護。由于隧道屬于半密閉的空間，照明設(shè)備容易被灰塵污染，導(dǎo)致燈具光通量和墻面的反射率下降，引起智能照明系統(tǒng)的照明調(diào)光水平上升。進行照明系統(tǒng)間隔維護，可大幅度降低系統(tǒng)的能耗。

6 結(jié)論

本文從LED燈具替換傳統(tǒng)燈具的角度出發(fā)，嚴格按照隧道照明設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以羅村隧道作為建模對象進行傳統(tǒng)鈉燈與LED燈具的對比節(jié)能分析。根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細則》中的要求，經(jīng)過現(xiàn)場勘查利用查表法和實測數(shù)據(jù)處理獲得洞外亮度L20(S)和隧道側(cè)壁墻面材料反射率后，完成桂丹路羅村隧道的建模與隧道照明設(shè)計。經(jīng)過建模與計算，比較不同光源的三種燈具系列， 研究發(fā)現(xiàn)LED燈具在實現(xiàn)同樣的光照環(huán)境下，進行合理的燈具布置和選型，優(yōu)化后的LED照明方案比現(xiàn)有鈉燈的方案節(jié)能55.44%，每年可以節(jié)省51.03×104kWh。