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論公路隧道照明節(jié)能

2012-05-28 01:02:48王少飛陳建忠趙清碧吳小麗
照明工程學(xué)報(bào) 2012年3期
關(guān)鍵詞:公路系統(tǒng)

王少飛 涂 耘 鄧 欣 張 琦 陳建忠 李 科 趙清碧 吳小麗

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司隧道建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400067;2.國(guó)家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心,重慶400067)

1 引言

截至2010年,全國(guó)公路隧道為7384處、512.26萬(wàn)米(如圖1所示),其中,特長(zhǎng)隧道265處、113.80萬(wàn)米,長(zhǎng)隧道1218處、202.08萬(wàn)米。公路隧道作為能源消耗大戶,其照明節(jié)能問(wèn)題逐步得到相關(guān)行政機(jī)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)公司、科研院所和社會(huì)團(tuán)體的高度重視[1~3],通過(guò)聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)、示范工程建設(shè)和成果推廣應(yīng)用,目前我國(guó)已基本掌握公路隧道照明節(jié)能成套關(guān)鍵技術(shù)[4~7],為交通運(yùn)輸節(jié)能減排事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)。然而,從實(shí)踐情況看,公路隧道“綠色照明”工作發(fā)展還不平衡,仍存在不少深層問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)。公路隧道照明節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,本文在調(diào)查分析公路隧道照明能耗嚴(yán)重原因的基礎(chǔ)上,從宏觀層面分析公路隧道照明節(jié)能的各個(gè)必須環(huán)節(jié),提出結(jié)構(gòu)性、技術(shù)性和管理性節(jié)能措施,以期為推動(dòng)公路隧道照明節(jié)能發(fā)展提供有益參考。

圖1 我國(guó)公路隧道發(fā)展?fàn)顩r(2000~2010)

2 公路隧道照明能耗嚴(yán)重原因

通過(guò)對(duì)大量投入使用公路隧道運(yùn)營(yíng)管理情況的調(diào)研[8],存在的突出問(wèn)題是公路隧道照明系統(tǒng)“建得起、用不起”,公路隧道照明系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)電費(fèi)及養(yǎng)護(hù)開支成為管理公司沉重的負(fù)擔(dān)。目前國(guó)內(nèi)公路隧道照明能耗嚴(yán)重的原因如下:

1) 公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)超標(biāo)

其主要表現(xiàn)形式為公路隧道實(shí)際照明亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于運(yùn)營(yíng)需求亮度,造成公路隧道照明系統(tǒng)規(guī)模過(guò)于龐大、電能嚴(yán)重浪費(fèi)。這主要在于設(shè)計(jì)人員未能切實(shí)理解和嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范[9]要求,基礎(chǔ)參數(shù)取值過(guò)于保守,且忽視了設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新性,致使其過(guò)于模式化,未能“因隧制宜”。

2) 公路隧道照明控制方式落后

由于未考慮交通量變化對(duì)公路隧道照明需求的影響,大量公路隧道各照明段亮度不能根據(jù)交通量狀態(tài)適時(shí)調(diào)節(jié),造成不必要的電能浪費(fèi)。諸多中、短隧道往往只有1~2種照明控制模式,不但造成能耗嚴(yán)重,而且還存在一定的安全隱患[3~5]。

3) 公路隧道照明節(jié)能理念有誤

公路隧道照明節(jié)能并非簡(jiǎn)單地開關(guān)某些燈具,而是要求建立在行車安全基礎(chǔ)上的最大節(jié)能,即公路隧道照明節(jié)能不能以犧牲交通安全為代價(jià)。部分管理人員一味追求節(jié)電省錢,致使公路隧道照明控制方案的隨意性、主觀性很大,這種做法其實(shí)忽視了公路隧道照明的特點(diǎn)和本質(zhì),對(duì)行車安全危害極大[6]。此外,為控制養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用,管理企業(yè)不能及時(shí)清洗、更換照明燈具,造成公路隧道照明系統(tǒng)效率降低、能耗加劇。

4) 公路隧道照明節(jié)能措施單一

公路隧道照明節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要各種節(jié)能技術(shù)綜合運(yùn)用,多管齊下全面推進(jìn)照明節(jié)能工作,而目前國(guó)內(nèi)很多公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能措施較為單一,不能達(dá)到全面、高效的節(jié)能目標(biāo)。

3 公路隧道照明節(jié)能五大環(huán)節(jié)

照明節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,要全面實(shí)現(xiàn)公路隧道“按需照明”,達(dá)到節(jié)能減排的任務(wù)目標(biāo),就必須對(duì)公路隧道照明系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、招標(biāo)、施工及運(yùn)營(yíng)等五大環(huán)節(jié)統(tǒng)籌兼顧(如圖2所示),確保節(jié)能理念深入各個(gè)環(huán)節(jié)并得到有效的貫徹實(shí)施。

圖2 公路隧道照明節(jié)能環(huán)節(jié)

1) 科學(xué)合理的規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能的基礎(chǔ)

公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)置規(guī)模與交通量、設(shè)計(jì)速度等技術(shù)指標(biāo)密切相關(guān)[4]:設(shè)計(jì)速度為80km/h時(shí),理論上公路隧道在大交通量條件下比小交通量條件下多用電40%以上;日本東京灣海底隧道曾做過(guò)詳細(xì)比較,如其他基準(zhǔn)參數(shù)相同,僅是設(shè)計(jì)速度由80km/h提高至100km/h,照明設(shè)備費(fèi)將提高63~80%,年運(yùn)營(yíng)電耗將提高66~82%。因此,公路建設(shè)項(xiàng)目工程可行性研究階段應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展實(shí)際情況,科學(xué)預(yù)測(cè)交通量、合理選用設(shè)計(jì)速度;此外,還應(yīng)結(jié)合公路隧道等級(jí)劃分、功能用途等因素,科學(xué)合理地定位公路隧道建設(shè)規(guī)模。

2) 精心優(yōu)秀的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能的核心

事實(shí)上,設(shè)計(jì)方案對(duì)公路隧道照明節(jié)能影響極大。如果忽視設(shè)計(jì)的重要性,往往會(huì)造成照明系統(tǒng)設(shè)置規(guī)模龐大、電能浪費(fèi)嚴(yán)重,甚至有可能使得公路隧道運(yùn)營(yíng)存在安全隱患[3]。即便在公路隧道照明系統(tǒng)投入使用后進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造,也存在投資成本大、維護(hù)管理難、能耗相對(duì)高等突出問(wèn)題。此外,由于新理論、新技術(shù)、新設(shè)備不斷出現(xiàn),公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn),將最新的照明節(jié)能科研成果應(yīng)用于工程建設(shè),而不宜拘泥于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的限制,阻滯公路隧道照明節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

3) 公開公正的招標(biāo)是實(shí)現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能的關(guān)鍵

公路隧道照明系統(tǒng)是由供配電設(shè)備、光環(huán)境檢測(cè)設(shè)備、燈具和光源等組成的,只有選用質(zhì)高材優(yōu)的設(shè)備,才能構(gòu)建安全、節(jié)能、高效、可靠的公路隧道照明系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上充斥太多打著節(jié)能旗號(hào)的偽劣產(chǎn)品,因而必須在工程招標(biāo)環(huán)節(jié)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān),真正引入通過(guò)國(guó)家權(quán)威檢測(cè)部門認(rèn)證的節(jié)能產(chǎn)品,為公路隧道照明系統(tǒng)工程建設(shè)達(dá)到優(yōu)良水準(zhǔn)奠定基石。

4) 標(biāo)準(zhǔn)合格的施工是實(shí)現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能的保證

在公路隧道照明系統(tǒng)施工過(guò)程中,應(yīng)確保照明燈具安裝穩(wěn)固、位置正確,燈具光帶線形與隧道協(xié)調(diào)、美觀、流暢;照明設(shè)施的電力線、信號(hào)線、接地線的類別、規(guī)格、數(shù)量、連接等符合要求并標(biāo)識(shí)清楚。只有嚴(yán)格控制公路隧道照明系統(tǒng)施工工藝,公路隧道照明節(jié)能減排工作實(shí)施才能得到有效保證。

5) 精細(xì)規(guī)范的運(yùn)營(yíng)是實(shí)現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能的重點(diǎn)

先進(jìn)的公路隧道照明系統(tǒng)離不開精細(xì)規(guī)范的管理,由于公路隧道運(yùn)行環(huán)境較為惡劣,必須定期對(duì)照明燈具、控制設(shè)施進(jìn)行清潔養(yǎng)護(hù),及時(shí)更換達(dá)到額定使用壽命的光源電器。此外,還應(yīng)不斷提升公路隧道運(yùn)營(yíng)管理人員的業(yè)務(wù)水平,鼓勵(lì)其勇于創(chuàng)新和實(shí)踐,不斷豐富和完善公路隧道運(yùn)營(yíng)照明節(jié)能措施。

4 公路隧道照明節(jié)能三大措施

為保障公路隧道照明系統(tǒng)總體節(jié)能20%以上目標(biāo)[10]的實(shí)現(xiàn),一方面要站在建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”公路隧道的高度,充分發(fā)揮和提高公路隧道的綜合社會(huì)效益;另一方面要加強(qiáng)科技進(jìn)步與創(chuàng)新,不斷提升公路隧道運(yùn)營(yíng)管理水平。貫穿公路隧道照明節(jié)能各個(gè)環(huán)節(jié)的三大措施是技術(shù)性節(jié)能、結(jié)構(gòu)性節(jié)能和管理性節(jié)能。

1) 技術(shù)性節(jié)能

(1) 準(zhǔn)確測(cè)試洞外亮度。福建、重慶、河北、陜西、浙江、廣東等地高速公路隧道洞外亮度L20(S)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明:山區(qū)高速公路隧道洞外100m停車視距內(nèi)20°圓錐角視場(chǎng)范圍的天空含率一般為0%,絕大多數(shù)公路隧道洞外亮度L20(S)值在3000cd/m2以內(nèi)。分析計(jì)算表明,公路隧道洞外亮度L20(S)取值由4000cd/m2降低至3000cd/m2,洞口加強(qiáng)照明可節(jié)能約25.4%(按系統(tǒng)功率計(jì)算)。

(2) 優(yōu)化照明設(shè)計(jì)參數(shù)。應(yīng)當(dāng)結(jié)合公路隧道的工程特點(diǎn),以及公路隧道照明理論的最新研究成果,對(duì)長(zhǎng)、短隧道照明設(shè)計(jì)方法和參數(shù)進(jìn)行區(qū)別對(duì)待[4],從源頭根本控制照明能耗。

(3) 選用節(jié)能光源。將“中間視覺(jué)理論”和“對(duì)目標(biāo)物體反應(yīng)時(shí)間的視覺(jué)功效法”應(yīng)用于公路隧道照明設(shè)計(jì),并根據(jù)公路隧道節(jié)能光源以高壓鈉燈(HPS)為基準(zhǔn)的亮度對(duì)比換算系數(shù)(見(jiàn)表1)計(jì)算LED燈等新型節(jié)能光源的照明參數(shù)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[9],基于等效亮度法(如LED燈產(chǎn)生2.5×0.4613=1.15cd/m2的照明效果與高壓鈉燈產(chǎn)生2.5cd/m2的照明效果是等效的),應(yīng)用節(jié)能光源設(shè)計(jì)的照明系統(tǒng)可比傳統(tǒng)高壓鈉燈照明系統(tǒng)節(jié)能35%以上。

表1 MH、LED、CFL和LVD對(duì)HPS的亮度對(duì)比換算系數(shù)R(L)

(4) 應(yīng)用智能照明控制。公路隧道照明控制有分級(jí)調(diào)光控制法和無(wú)級(jí)調(diào)光控制法兩種。在傳統(tǒng)分級(jí)調(diào)光控制法下,照明亮度分級(jí)少,造成電能浪費(fèi)(即“過(guò)度照明”或“無(wú)效照明”),而無(wú)級(jí)調(diào)光控制法則能響應(yīng)跟蹤照明需求曲線,可以得到最優(yōu)的控制效果并能達(dá)到節(jié)能目的,即所謂的“按需照明”,如圖3所示。

圖3 公路隧道照明控制輸出曲線

(5) 選用合適的燈具配光。公路隧道照明燈具的配光有縱向(沿隧道長(zhǎng)度方向)對(duì)稱、不對(duì)稱,橫向?qū)ΨQ、不對(duì)稱等多種(如圖4所示)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明,采用縱向不對(duì)稱燈具的逆光照明和寬光帶對(duì)稱照明是公路隧道照明最佳配光形式之一:公路隧道中間段采用寬光帶對(duì)稱照明系統(tǒng)、入口段采用逆光照明系統(tǒng)為照明系統(tǒng)最佳組合。

(6) 合理布設(shè)照明燈具。公路隧道基本照明燈具有中間單排布燈、兩側(cè)對(duì)稱布燈、兩側(cè)交錯(cuò)布燈等三種傳統(tǒng)布設(shè)方式。不同的布燈方式,其所用燈具數(shù)量、養(yǎng)護(hù)方便程度不盡相同。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[9],中間布置比雙側(cè)布置效率高,雙側(cè)交錯(cuò)布置比雙側(cè)對(duì)稱布置效率高。工程實(shí)踐證明,將照明燈具布設(shè)在公路隧道一側(cè),安裝高度為6.3m(如圖5所示),既是一種較高效率的布燈方式,同時(shí)也能較好地解決目前公路隧道營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的養(yǎng)護(hù)維修難題(需要完全封閉隧道)。當(dāng)然,采用何種布置方式和燈具的配光有關(guān)。

圖4 公路隧道照明燈具配光

圖5 公路隧道側(cè)偏布燈方式

(7) 使用照明節(jié)電設(shè)備。智能照明節(jié)電設(shè)備是應(yīng)用特殊設(shè)計(jì)的自耦降壓式裝置(有功率因數(shù)補(bǔ)償效果),采用補(bǔ)償變壓器、中央處理器、控制電路、多抽頭變壓器和靜態(tài)開關(guān)(如圖6所示),對(duì)電網(wǎng)過(guò)欠壓進(jìn)行快速自動(dòng)補(bǔ)償,為負(fù)載提供穩(wěn)定、完美的正弦波電壓,因而能實(shí)現(xiàn)根據(jù)內(nèi)外部用電條件,對(duì)電網(wǎng)中的浪涌、噪音、干擾、功率因數(shù)、諧波等進(jìn)行抑制或優(yōu)化處理,并根據(jù)設(shè)定的電壓曲線,穩(wěn)定地供應(yīng)照明設(shè)施所需工作電壓,使系統(tǒng)用電能效達(dá)到最佳狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)電壓為390V、400V、410V時(shí),照明節(jié)電設(shè)備投入使用后,公路隧道照明系統(tǒng)可分別節(jié)能約20.2%、25.3%、30.9%。重慶界水高速公路南湖隧道照明節(jié)能改造中使用照明節(jié)電設(shè)備后效益顯著,節(jié)電率高達(dá)27%。

圖6 智能照明節(jié)電設(shè)備工作原理圖

(8) 應(yīng)用新型節(jié)能設(shè)備。部分短隧道可增設(shè)LED誘導(dǎo)燈(如圖7所示),以控制照明系統(tǒng)設(shè)置規(guī)模,不但能節(jié)省大量建設(shè)投資費(fèi)用,還減少了養(yǎng)護(hù)費(fèi)用及電能消耗。LED誘導(dǎo)燈不僅使得公路隧道輪廓線更加清晰,而且能極大緩解駕駛員的心理壓力,同時(shí)在滿足公路隧道行車安全性的前提下,可適當(dāng)降低公路隧道照明亮度(尤其是在夜間)。

圖7 LED誘導(dǎo)燈應(yīng)用案例(短隧道)

(9) 照明系統(tǒng)分期實(shí)施。公路隧道照明系統(tǒng)必須根據(jù)近、遠(yuǎn)期交通量設(shè)計(jì)分期實(shí)施方案,做到統(tǒng)籌規(guī)劃、一次設(shè)計(jì)、分期實(shí)施。以單洞長(zhǎng)4km的高速公路隧道為例,采用分期實(shí)施方案可較一次性實(shí)施方案節(jié)省初期投資約40%,近、遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)照明可分別實(shí)現(xiàn)總體節(jié)能51%和25%,能夠極大程度地節(jié)約電能、保護(hù)環(huán)境。

2) 采用太陽(yáng)能和光纖照明技術(shù)

(1) 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)。目前,太陽(yáng)能交通安全設(shè)施在109國(guó)道東方紅隧道中得到成功應(yīng)用;國(guó)內(nèi)最大的太陽(yáng)能公路隧道照明系統(tǒng)在河北承德市韓郭公路小梁東隧道投入使用;吉林省建成全國(guó)首座公路隧道太陽(yáng)能智能LED照明系統(tǒng);福建金雞嶺隧道采用46KWP太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng),與市電并網(wǎng)為照明系統(tǒng)供電,目前年發(fā)電量約50000KWh;山東煙臺(tái)通世路隧道利用太陽(yáng)能照明(如圖8所示),每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤120多噸。

圖8 山東煙臺(tái)通世路隧道太陽(yáng)能光伏發(fā)電站

(2) 太陽(yáng)能和風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)。安徽六潛高速公路獅子尖隧道,首次采用太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電互補(bǔ)離網(wǎng)供電系統(tǒng)(如圖9所示),既節(jié)省了電能,又降低了發(fā)電設(shè)備配置和成本。

圖9 安徽六潛高速公路獅子尖隧道風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)施

(3) 太陽(yáng)能光纖照明技術(shù)。公路隧道照明節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是構(gòu)建以太陽(yáng)能光纖照明為代表的節(jié)能、高效、安全的綠色照明系統(tǒng)。在美國(guó),連接薩姆勒(Sumner)和卡拉罕(Callahan)的隧道已設(shè)計(jì)并采用全新的太陽(yáng)能光纖照明系統(tǒng)(如圖10所示)。應(yīng)用光纖傳導(dǎo)太陽(yáng)光進(jìn)行隧道洞口加強(qiáng)段照明,可以實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)照明亮度與外界環(huán)境亮度同步變化,使得公路隧道更加安全、節(jié)能、環(huán)保。

3) 管理性節(jié)能

(1) 通過(guò)加強(qiáng)維護(hù)管理實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)照明節(jié)能。如定期對(duì)照明燈具、控制設(shè)備進(jìn)行維護(hù)及清潔燈具等,以保證照明燈具0.60以上的維護(hù)系數(shù),有效利用光通量。

圖10 公路隧道太陽(yáng)能光纖照明工程案例(美國(guó))

(2) 對(duì)達(dá)到額定使用壽命的光源電器進(jìn)行及時(shí)更換,以免其在超出額定壽命的低光通、高能耗情況下運(yùn)行,確保照明質(zhì)量,避免電能浪費(fèi)。

(3) 制定科學(xué)合理的照明控制管理方案。應(yīng)根據(jù)公路隧道所在路段交通量發(fā)展趨勢(shì)、車輛實(shí)際運(yùn)行速度及天氣氣象特點(diǎn),制定切實(shí)可行的照明系統(tǒng)節(jié)能控制模式,以指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)照明管理。

5 公路隧道照明節(jié)能效益分析

據(jù)統(tǒng)計(jì),每節(jié)約1度(kWh)電,就相應(yīng)節(jié)約0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤,同時(shí)減少排放0.272kg的碳粉塵、0.997kgCO2、0.03kgSO2、0.015kg氮氧化物[10]。以京港澳高速公路粵境北段隧道群為例,2008年全年用電量為7166261度,按實(shí)現(xiàn)總體節(jié)能20%進(jìn)行粗略估算,全年可節(jié)約用電1433252.2度,節(jié)約573.301t標(biāo)準(zhǔn)煤,減排389.845t碳粉塵、1428.952t CO2、42.998t SO2、21.499t氮氧化物。不僅經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀,生態(tài)、社會(huì)效益也極為明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

(1) 目前國(guó)內(nèi)大量公路隧道照明能耗嚴(yán)重,其主要原因在于照明系統(tǒng)超標(biāo)設(shè)計(jì)、照明控制方式落后、照明節(jié)能理念有誤、照明節(jié)能措施單一。

(2) 公路隧道照明節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,要全面實(shí)現(xiàn)公路隧道“按需照明”,就必須對(duì)公路隧道照明系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、招標(biāo)、施工及運(yùn)營(yíng)等五大環(huán)節(jié)統(tǒng)籌兼顧,確保節(jié)能理念深入各個(gè)環(huán)節(jié)并得到有效的貫徹實(shí)施。

(3) 貫穿公路隧道照明節(jié)能各個(gè)環(huán)節(jié)的三大措施是技術(shù)性節(jié)能、結(jié)構(gòu)性節(jié)能和管理性節(jié)能。工程實(shí)踐表明,堅(jiān)持從應(yīng)用單一節(jié)能技術(shù)向綜合運(yùn)用各種節(jié)能技術(shù)轉(zhuǎn)變、從注重技術(shù)性節(jié)能向解決結(jié)構(gòu)性節(jié)能關(guān)鍵問(wèn)題轉(zhuǎn)變、從粗放式運(yùn)營(yíng)節(jié)能管理向精細(xì)化運(yùn)營(yíng)節(jié)能管理轉(zhuǎn)變的思路觀念,公路隧道運(yùn)營(yíng)照明節(jié)能20%以上的目標(biāo)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

(4) 公路隧道照明節(jié)能經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)效益顯著,相關(guān)行政機(jī)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)公司、科研院所和社會(huì)團(tuán)體應(yīng)繼續(xù)加大科技投入、不斷推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新,努力建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”公路隧道。

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