基于Dialux隧道照明仿真節(jié)能設(shè)計(jì)

黃培榮

(泉州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,福建 泉州 362000)

為實(shí)現(xiàn)能耗總量和強(qiáng)度的“雙控”目標(biāo)，提高電力能源的綜合利用效率，加強(qiáng)建設(shè)領(lǐng)域的節(jié)能效率，加強(qiáng)能源、能耗的管控，大力推進(jìn)建設(shè)項(xiàng)目的節(jié)能，隧道照明高能耗的問(wèn)題受到工程界的廣泛重視[1].如何在隧道照明設(shè)計(jì)階段采取節(jié)能措施、降低隧道照明能耗設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、形成一種安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、可操作的隧道照明能耗設(shè)計(jì)模型，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.傳統(tǒng)隧道照明設(shè)計(jì)方法有經(jīng)驗(yàn)表格法、利用系數(shù)法、等照度曲線法等，不管哪種方法都是人工計(jì)算，圖表繁多，計(jì)算繁瑣，不但計(jì)算精度不高，調(diào)整費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且無(wú)法評(píng)價(jià)照明的質(zhì)量和效果[2].本文利用Dialux軟件先進(jìn)的設(shè)計(jì)功能，實(shí)時(shí)對(duì)光源燈具選型、燈具布置方式、洞外亮度等進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整；對(duì)隧道照明的均勻度、亮度、舒適度等進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，結(jié)合不同控制方式的節(jié)能效果，分析不同模型的能源消耗狀況對(duì)隧道照明的節(jié)能設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值.

1 隧道照明設(shè)計(jì)要求

1.1 隧道概況

選取快速通道上的一個(gè)單向隧道，利用Dialux照明設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行隧道照明仿真設(shè)計(jì).隧道的基本設(shè)計(jì)參數(shù)為：隧道長(zhǎng)度L=607 m；隧道路面寬度標(biāo)準(zhǔn)段W=13.25 m，入口處由于右側(cè)有匯入車(chē)道進(jìn)行分段加寬，從入口點(diǎn)算起，起點(diǎn)到105 m處寬度W=18.5 m，105 m到125 m處寬度W=17.25 m，125 m到150 m處寬度W=15.25 m，其余寬度W=13.25 m；斷面高度h=7.8 m；設(shè)計(jì)速度V=60 km/h；計(jì)小時(shí)交通量N>1 200輛/h；隧道路面材料為瀝青，均亮度與平均照度間的系數(shù)：15 lx/(cd/m2)；洞外亮度(假設(shè)為亮環(huán)境)L20(S)=3 500 cd/m2；交通特性為單向交通.

1.2 隧道照明基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)道路概況本工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2]：路面亮度總均勻度U0不小于0.4，路面中線亮度縱向均勻度U1不小于0.6，中間段亮度Lin=2.0 cd/m2.

1.2.1 照度計(jì)算 通過(guò)查找燈具利用系數(shù)曲線圖相關(guān)資料，按照式(1)計(jì)算路面的平均水平照度[2]：

(1)

其中:φ為燈具的光通量(單位:lm)；u為燈具的利用系數(shù)，與燈具配光有關(guān)；n為單側(cè)或交錯(cuò)布置時(shí)取1，對(duì)稱(chēng)布置時(shí)取2；k為燈具的維護(hù)系數(shù)，水泥路面取1.3，泥青路面取2；W為道路寬度(單位:m)；S為燈具間距(單位:m).

1.2.2 亮度計(jì)算 路面亮度按照式(2)計(jì)算，由式中可知，計(jì)算路面任意點(diǎn)的亮度必須知道亮度系數(shù)或簡(jiǎn)化亮度系數(shù)，再通過(guò)亮度系數(shù)q與該點(diǎn)水平照度E相乘，即L=qE.亮度系數(shù)不僅與路面材料有關(guān)，還取決于觀察者與光源的位置.由于亮度系數(shù)必須通過(guò)實(shí)測(cè)才能獲得，因此設(shè)計(jì)中通常采用國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)推薦的簡(jiǎn)化亮度系數(shù)表.

(2)

其中:r(β，γ)為簡(jiǎn)化亮度系數(shù)；I(β，γ)為燈具指向c，γ方向上的光強(qiáng)；H為燈具安裝高度(單位:m).

1.2.3 分段設(shè)計(jì)參數(shù) 依據(jù)JTGTD 702-01-2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》，單向隧道內(nèi)照明設(shè)計(jì)可劃分為：入口段照明、過(guò)渡段照明、中間段照明和出口段照明[2].其中入口段照明、過(guò)渡段照明和出口段照明由基本照明和加強(qiáng)照明兩部分組成[2]；基本照明與中間段照明一致.查表得中間段亮度Lin=2.0 cd/m2；本設(shè)計(jì)采用LED光源，根據(jù)規(guī)范規(guī)定中間段亮度可以取Lin=1.0 cd/m2，各段設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.中間段照明燈具布置間距應(yīng)滿足閃爍頻率低于2.5 Hz或高于15 Hz，相對(duì)應(yīng)本工程明燈具布置間距應(yīng)大于6.7 m.應(yīng)急照明燈具利用部分基本照明燈具，應(yīng)急照明亮度不小于中間段的10%，且不應(yīng)低于0.2 cd/m2，為控制設(shè)計(jì)方便，隧道應(yīng)急照明亮度一般取四分之一中間段基本照明亮度[3].

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算Tab.1 Calculation table of design parameters

2 不同光源燈具節(jié)能比較

2.1 光源燈具比較

目前，隧道工程比較普遍采用的光源是高壓鈉燈和隧道用LED燈.高壓鈉燈光優(yōu)點(diǎn)是光效高、壽命長(zhǎng)、穿透性好，缺點(diǎn)是顯色性差，比較適合于無(wú)顯色要求的隧道，由于燈具不能進(jìn)行單獨(dú)調(diào)光，會(huì)造成電能大量浪費(fèi)；LED具有光指向性好、光效高、易于調(diào)光、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[3]，但是透霧性能不夠強(qiáng).隧道用LED效率比較高，能很好地滿足隧道照明的要求，且LED燈具有無(wú)極調(diào)節(jié)功能[4]，可以有效避免分級(jí)調(diào)光控制方法造成的路面亮度不均勻情況，相對(duì)于高壓鈉燈，LED節(jié)能效果顯著，目前LED燈具主要問(wèn)題是廠家多，質(zhì)量參差不齊，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[5].

本文模擬計(jì)算高壓鈉燈采用PAK-M04-系列燈具如圖1，LED燈采用PAK-LED-M05-系列燈具如圖2，高壓鈉燈與LED燈的燈具設(shè)計(jì)參數(shù)詳表2.由表中可知，LED燈無(wú)論從光源的發(fā)光效率以及燈具的效率，都比高壓鈉燈在節(jié)能方面上有不少的優(yōu)勢(shì).

圖1 高壓鈉燈 圖2 LED燈Fig.1 High pressure sodium lamp Fig.2 Led lamp

表2 高壓鈉燈與LED燈的燈具設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameter table of high pressure sodium lamp and LED lamp

2.2 能耗比較

采用隧道兩側(cè)交錯(cuò)布置方式進(jìn)行比較，燈具高度、仰角、布置方式一樣，模擬結(jié)果亮度、均勻度均符合設(shè)計(jì)要求，高壓鈉燈照明方案與LED隧道燈照明方案的燈具數(shù)量及功率模擬結(jié)果見(jiàn)表3.由表中可知，采用LED燈比高壓鈉燈裝機(jī)容量少14.1 kW,節(jié)約23.62%，節(jié)能效果明顯.

表3 兩側(cè)交錯(cuò)布置方式模擬方案燈具數(shù)量功率Tab.3 Lamp number and power meter with two-side staggered arrangement

3 不同布置方式節(jié)能比較

隧道照明燈具的布置方式，不僅影響隧道照明的亮度質(zhì)量，而且直接決定隧道照明的電能消耗量，如何選取燈具參數(shù)及確定燈具的最優(yōu)的布置方式，對(duì)隧道照明節(jié)能設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.照明燈具布置方式主要有：中線形式、兩側(cè)交錯(cuò)和兩側(cè)對(duì)稱(chēng)等形式[6].

3.1 效果比較

根據(jù)計(jì)算模型，選用LED燈采用中線布置與兩側(cè)交錯(cuò)布置兩種方式進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)比較，設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4,出、入口處的設(shè)計(jì)等亮度線平面圖見(jiàn)圖3～6.

表4 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算表Tab.4 Calculation table of design parameters

由圖3和圖5可知，中線布置的等亮度曲線在出、入口處的形狀類(lèi)似山峰的等高線，中間有明顯的亮點(diǎn)，兩側(cè)則產(chǎn)生暗斑，對(duì)視覺(jué)刺激比較明顯；而圖4和圖6兩側(cè)交錯(cuò)布置的等亮度曲線類(lèi)似馬鞍線，中間與兩側(cè)過(guò)渡比較平滑，同時(shí)在行車(chē)方向上比較平順，光線的誘導(dǎo)性非常強(qiáng)，不僅視覺(jué)上非常舒服，而且有助于行車(chē)安全.

圖3 中線布置入口段TH1的亮度圖 圖4 兩側(cè)交錯(cuò)布置入口段TH1的亮度圖 Fig.3 Luminance diagram of the entrance section TH1 interlaced on both sides Fig.4 Luminance diagram of the entrance section TH1 along the middle line

圖5 中線布置出口段EX2的亮度圖 圖6 兩側(cè)交錯(cuò)布置出口段EX2的亮度圖Fig.5 Luminance diagram of the entrance section TH2 interlaced on both sides Fig.6 Luminance diagram of the entrance section TH2 along the middle line

3.2 舒適度比較

燈具兩側(cè)交錯(cuò)布置的模擬照明效果圖如圖7，中線布置的模擬照明效果圖如圖8.通過(guò)對(duì)圖7和圖8的分析可以發(fā)現(xiàn)，在照明質(zhì)量方面，中線布置燈具方式與兩排交錯(cuò)布置燈具方式相比，存在明顯的不足；在對(duì)行車(chē)舒適度方面，兩排交錯(cuò)布置燈具方式也明顯比中線布置燈具方式要好很多，但中線布置燈具方式的經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較高，因此在設(shè)計(jì)燈具布置方案時(shí)應(yīng)結(jié)合交通流量的實(shí)際情況做相應(yīng)的設(shè)計(jì).對(duì)于小交通流量的隧道，著重考慮照明設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，以中線布置方式為主；在大交通流量的隧道，照明節(jié)能設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)則應(yīng)該是行車(chē)的舒適性和安全性，而選擇兩排交錯(cuò)的布置方式.

圖7 兩側(cè)交錯(cuò)布置的模擬照明效果圖 圖8 中線布置的模擬照明效果圖Fig.7 Simulation of lighting effect with of centerline layout Fig.8 Simulated lighting effect diagram staggered arrangement on both sides

3.3 節(jié)能比較

模擬結(jié)果亮度、均勻度均符合設(shè)計(jì)要求，中線布置、兩側(cè)交錯(cuò)布置形式隧道照明方案的燈具數(shù)量功率見(jiàn)表5.由表中可知，燈具兩側(cè)交錯(cuò)布置方式比中線布置方式節(jié)能，但相差不多.

表5 燈具數(shù)量功率Tab.5 Luminaire quantity power meter

4 不同控制方式節(jié)能比較

目前,隧道照明系統(tǒng)普遍采用的控制方式有三種[2]：人工控制、自動(dòng)控制和智能控制.

4.1 人工控制

人工控制是控制方式的最基本方式.無(wú)論采用其他任何的控制方式都必須具有人工手動(dòng)控制的功能，通過(guò)人工手動(dòng)對(duì)照明回路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，手動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉燈具的照明回路控制器.目前主要是在有應(yīng)急預(yù)案需要時(shí)，如在交通事故處理、隧道例行維護(hù)檢修或交通高峰、節(jié)假日等有巨大的車(chē)流量時(shí)段，都需要人工介入進(jìn)行手動(dòng)控制.

4.2 自動(dòng)控制

根據(jù)季節(jié)、天氣、時(shí)間段等因數(shù)對(duì)隧道照明分時(shí)段進(jìn)行控制.將加強(qiáng)照明燈具及基本照明燈具均勻、對(duì)稱(chēng)地各分成幾個(gè)回路，把基本照明燈具的一個(gè)回路作為應(yīng)急照明回路，應(yīng)急回路的燈具數(shù)量產(chǎn)生的隧道亮度應(yīng)符合規(guī)范要求.控制時(shí)段的具體分配應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)、不同季節(jié)進(jìn)行具體調(diào)整[7]，各級(jí)控制模式下各照明段亮度均不得低于中間段亮度，特別是午夜時(shí)段控制，若隧道外道路有照明系統(tǒng)，則隧道內(nèi)實(shí)時(shí)的亮度必須與連接道路的亮度盡可能一致，關(guān)閉隧道基本照明燈具的數(shù)量應(yīng)根據(jù)隧道外道路的亮度來(lái)進(jìn)行調(diào)整[8].本文設(shè)計(jì)的時(shí)段僅為電能損耗計(jì)算方便選取，工程實(shí)際中由運(yùn)營(yíng)單位根據(jù)管理需要制定，控制內(nèi)容及時(shí)段設(shè)計(jì)參照表6.

表6 分時(shí)段控制Tab.6 Timesharing control list

4.3 智能控制

根據(jù)隧道照明設(shè)計(jì)方法，影響隧道照明各個(gè)分段照明亮度的設(shè)計(jì)參數(shù)有：車(chē)輛行駛速度、交通流量和洞外亮度.這三個(gè)參數(shù)的選取影響著隧道照明設(shè)計(jì)燈具容量以及燈具布置方式的選擇，從而直接關(guān)系到隧道照明的能耗水平.由于在設(shè)計(jì)階段車(chē)輛行駛速度、交通量和洞外亮度的取值是按照規(guī)范要求確定的固定值，但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，這三個(gè)參數(shù)是實(shí)時(shí)變化的，特別是洞外亮度和交通流量會(huì)隨時(shí)間進(jìn)行變化[9].只有充分考慮這些因數(shù)變化的影響，才能真正做到安全運(yùn)營(yíng)與節(jié)約電能的理想效果.因此，有必要對(duì)隧道照明系統(tǒng)進(jìn)行按需照明的智能管控.目前，對(duì)隧道照明進(jìn)行智能控制的設(shè)備，主要由采用檢測(cè)洞外亮度的亮度檢測(cè)器結(jié)合檢測(cè)車(chē)輛行駛速度、交通流量的微波車(chē)輛檢測(cè)器組成[10].基于數(shù)字雷達(dá)波技術(shù)的微波車(chē)輛檢測(cè)器被廣泛用于進(jìn)行交通信息檢測(cè)與采集，側(cè)掛式固定安裝在需要檢測(cè)的地點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算車(chē)輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域的時(shí)間差來(lái)對(duì)車(chē)輛速度、交通流量等交通信息進(jìn)行有效采集[11]，可以全天候檢測(cè)，并具有漏檢率低和預(yù)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛行駛速度、交通流量等數(shù)據(jù).該系統(tǒng)充分考慮交通、天氣等參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，通過(guò)調(diào)光控制器根據(jù)探測(cè)系統(tǒng)提供的參數(shù)，對(duì)照明系統(tǒng)根據(jù)隧道亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)光控制，做到按需照明的理想效果[12].在保障行車(chē)安全的前提下，提高了光源的利用率，延長(zhǎng)燈具的壽命，提升了照明質(zhì)量，減少了能耗，優(yōu)化了隧道交通環(huán)境，智能控制是隧道照明控制的一種主要趨勢(shì).

表7是根據(jù)天空面積百分比為10%和0兩種洞外亮度模擬設(shè)計(jì)的燈具數(shù)量與功率表，由表中可知，每天運(yùn)行12 h，一年有3.4萬(wàn)kWh的電能差別.通過(guò)比較可以得出,不同的洞外亮度對(duì)隧道照明能耗有直接的關(guān)系，必須對(duì)洞外亮度參數(shù)有效地利用，才能取得更好的節(jié)能效果，因此有必要對(duì)洞外的亮度變化進(jìn)行有效的智能檢測(cè).在洞口土建建設(shè)完成后，進(jìn)行洞外亮度實(shí)測(cè)，若設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值誤差超過(guò)25%，則隧道照明系統(tǒng)必需進(jìn)行重新設(shè)計(jì)[2]，因此可見(jiàn)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是很有必要的.

表7 洞外亮度對(duì)隧道節(jié)能的影響Tab.7 Table of influence of brightness outside tunnel on tunnel energy saving

5 節(jié)能效率比較

5.1 電氣節(jié)能比較

對(duì)不同光源燈具、不同布置方式的三種方案的設(shè)計(jì)容量進(jìn)行比較，如表8所示.參照表6的時(shí)段，分析每天運(yùn)營(yíng)24 h的用電量見(jiàn)表9.

表8 容量比較Tab.8 Capacity comparison table

表9 社會(huì)效益估算Tab.9 Estimate of social benefits

由表8和表9可知LED燈節(jié)能效果比較明顯，社會(huì)效益非常好，模型中的LED燈兩側(cè)交錯(cuò)布置為本設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案.

5.2 其他節(jié)能措施

隧道照明節(jié)能措施主要在照明標(biāo)準(zhǔn)、燈具光源選擇和照明自動(dòng)化控制等方面，但是隧道照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)除了通過(guò)光源燈具選型、燈具布置方式等電氣措施外，還可以通過(guò)其他方式進(jìn)行降低能耗，節(jié)約能源.隧道照明的設(shè)計(jì)與洞外亮度有直接的關(guān)系，可以在接近隧道洞口段的道路兩側(cè)種植樹(shù)木或其他綠色植物等減光設(shè)施，合理地降低洞外環(huán)境亮度；合理采用隧道內(nèi)墻壁的裝修材料，增強(qiáng)墻面的反射效果，提高光源的利用系，增加燈具光源的利用率；加強(qiáng)對(duì)隧道照明系統(tǒng)的日常維護(hù)[13]，清潔隧道環(huán)境，保證墻面的反射率和燈具光通量的下降控制在最低水平，達(dá)到降低能耗的目的.

6 結(jié)語(yǔ)

利用Dialux照明設(shè)計(jì)軟件對(duì)隧道照明建立三維模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，根據(jù)仿真模型將節(jié)能設(shè)計(jì)與隧道的光源燈具選型、燈具布置方式、洞外亮度等參數(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，得出符合規(guī)范的最佳節(jié)能設(shè)計(jì)方案.再結(jié)合隧道照明在不同控制方式下的節(jié)能效果[14]，分析不同模型下的隧道照明能源消耗狀況，得出隧道照明在設(shè)計(jì)階段的最有效的節(jié)能設(shè)計(jì)方案.當(dāng)然電氣節(jié)能不是隧道照明節(jié)能的唯一途徑，隧道內(nèi)部裝修材料對(duì)隧道照明也有較大的影響，隧道洞外白天的亮度對(duì)設(shè)計(jì)的影響也很大，如何降低洞外亮度對(duì)隧道節(jié)能意義重大.同時(shí)，照明節(jié)能也不是隧道照明設(shè)計(jì)的唯一評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)該在保障行車(chē)舒適度和行車(chē)安全的前提下，減少耗能，提高能源利用，提升隧道照明質(zhì)量，從而推動(dòng)綠色、智能、安全的隧道交通環(huán)境，才對(duì)隧道照明的節(jié)能設(shè)計(jì)具有普遍的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義.