基于視覺特性的短隧道照明節(jié)能設(shè)計研究

涂　耘，史玲娜，王小軍

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，交通工程與節(jié)能分院，重慶　400067)

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基于視覺特性的短隧道照明節(jié)能設(shè)計研究

涂耘，史玲娜，王小軍

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，交通工程與節(jié)能分院，重慶400067)

摘要：根據(jù)短隧道行車視覺特點(diǎn)，分析通透率對視覺適應(yīng)過程的影響，并結(jié)合CIE在《公路隧道和地道路照明指南》提出隧道亮度變化規(guī)律，說明《公路隧道照明細(xì)則》規(guī)定的短隧道照明設(shè)計方法的合理性。此外，文中對具體短隧道采用《細(xì)則》方法結(jié)合最優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行照明設(shè)計，將設(shè)計所得結(jié)果與原《規(guī)范》所得結(jié)果比較。結(jié)果表明：在《細(xì)則》規(guī)定基礎(chǔ)上結(jié)合優(yōu)化設(shè)計方法，與原《規(guī)范》相比，可使每個照明區(qū)段的照明能耗都有不同程度降低，對于一般短隧道，總體節(jié)能可在原《規(guī)范》基礎(chǔ)上減少60%。

關(guān)鍵詞：短隧道照明；暗適應(yīng)；明適應(yīng)；通透率；優(yōu)化設(shè)計

引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，高速公路逐年增多。根據(jù)交通部數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2012年底，我國公路總里程達(dá)到423.75萬km，隧道達(dá)到1萬余處，總長805萬m，其中短隧道數(shù)占了隧道總數(shù)的50%左右[1，2]。與公路隧道建設(shè)同步的是隧道能耗問題日益突出，據(jù)不完全統(tǒng)計，在公路隧道機(jī)電系統(tǒng)中，照明負(fù)荷以總負(fù)荷30%左右的比重成為公路隧道運(yùn)營中的最大開支[3，4]。其中短隧道在隧道照明設(shè)計中會受到通透率的影響，如果科學(xué)合理考慮該因素并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以在短隧道照明設(shè)計和運(yùn)營上提升更大的節(jié)能空間。因此，在目前隧道照明能耗問題日益突出的前提下，如何充分考慮短隧道的通透率對節(jié)能設(shè)計的影響，通過科學(xué)合理的照明優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)營前提下的照明節(jié)能成為隧道照明設(shè)計及運(yùn)營管理部門共同關(guān)注的問題。

2014年8月，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)(以下簡稱《細(xì)則》)，對2000年頒布的《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)(以下簡稱《規(guī)范》)進(jìn)行了全面的修訂。其中針對短隧道提出了不同長度短隧道的照明設(shè)計方法，相比較原《規(guī)范》體現(xiàn)了短隧道設(shè)計思想的合理性和節(jié)能性[5，6]。

為了進(jìn)一步說明短隧道照明節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)及效果，本文以駕駛員的隧道行車視覺特點(diǎn)為理論基礎(chǔ)，深入分析隧道通透率對短隧道照明需求的影響，并結(jié)合《細(xì)則》提出的短隧道照明設(shè)計方法和最優(yōu)化方法，說明《細(xì)則》規(guī)定下的短隧道優(yōu)化照明設(shè)計方法與原《規(guī)范》相比具有更大的節(jié)能空間。該研究成果既從理論上說明了《細(xì)則》所提出的短隧道照明設(shè)計方法的合理性，提出的最優(yōu)化設(shè)計方法又可作為節(jié)能設(shè)計的有利補(bǔ)充，可為公路隧道照明實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理、安全的設(shè)計、運(yùn)營管理及評價提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1短隧道節(jié)能設(shè)計理論依據(jù)

1.1　短隧道行車視覺特點(diǎn)

根據(jù)人眼視覺特點(diǎn)，當(dāng)駕駛員白天駕車駛?cè)胨淼罆r，會有一個暗適應(yīng)過程，駛離隧道時會有一個明適應(yīng)過程。通常暗適應(yīng)的過程比較緩慢，到完全適應(yīng)一般需要25~30 min的時間；而明適應(yīng)過程相對較短，一般大約需要1 min左右的時間[7，8]。根據(jù)國際照明委員會(CIE)提出的《公路隧道和地道路照明指南》規(guī)定[9]，隧道內(nèi)部照明區(qū)段的劃分及亮度設(shè)置應(yīng)符合人眼的明適應(yīng)和暗適應(yīng)的變化規(guī)律，如圖1所示。根據(jù)這一變化規(guī)律，《細(xì)則》在原《規(guī)范》基礎(chǔ)上提出隧道入口段和出口段可各細(xì)分兩個照明段，每個照明段的亮度呈階梯狀遞減或遞增，這一劃分既符合人眼的亮度視覺需求規(guī)律，又有利于隧道的照明節(jié)能。

圖1　隧道亮度的變化趨勢Fig.1　Luminance evolution along the tunnel

對于短隧道而言，白天駛?cè)攵趟淼赖陌颠m應(yīng)過程與隧道的長度及通透率有關(guān)。通常，隧道越短，受出口段洞外亮度對隧道內(nèi)照明環(huán)境的影響，暗適應(yīng)時間有所縮短；隧道的通透性越好，暗適應(yīng)所需的時間就越短。同樣地，駛出短隧道的明適應(yīng)過程也類似。正是因為如此，新《細(xì)則》在短隧道入口段亮度的規(guī)定上較長隧道有所降低，規(guī)定：300m

1.2　短隧道通透率

所謂隧道通透率(STP)是指在隧道入口前一個停車視距的主車道位置，駕駛員在1.5m高度看到的隧道出口面積占入口面積的百分比，圖2和式(1)分別為通透率的計算示意圖和計算式。

圖2　短隧道通透率計算示意圖Fig.2　Calculation of intervisibility for short tunnel

(1)

一般說來，隧道長度、線形和結(jié)構(gòu)不同均會導(dǎo)致通透率不同，圖3分別表示了兩座不同長度雙車道直線短隧道的通透率情況。對于直線短隧道而言，隧道越短，通透性就越好；對于曲線短隧道而言，隧道曲線半徑越大，通透性越好。通透性好的洞外亮度對隧道內(nèi)部視覺環(huán)境而言猶如大型自然光源，對隧道內(nèi)部特別是出口段的照明起到有益的補(bǔ)充作用，圖4表示隧道洞外的自然光對洞口區(qū)域路面的照明效果(不考慮洞內(nèi)照明的情況下)。除對洞口區(qū)域路面照明有貢獻(xiàn)之外，洞外的自然光對隧道內(nèi)的側(cè)壁、內(nèi)部空間的照明均會帶來增益效果。通透性越好，這種增益效果對明適應(yīng)的貢獻(xiàn)越大，明適應(yīng)的時間就越短，反之，明適應(yīng)時間就會越長。新《細(xì)則》規(guī)定的不同長度的短隧道入口段亮度設(shè)置就是體現(xiàn)了這一原則，對于通透性差的短隧道，由于明適應(yīng)時間較長，則在短隧道照明區(qū)段的設(shè)置上還需根據(jù)亮度梯度變化規(guī)律設(shè)置過渡段。《細(xì)則》規(guī)定：長度L≤300m的隧道，可不設(shè)置過渡段加強(qiáng)照明；300m

圖3　不同長度隧道的通透率對比Fig.3　Comparison of intervisibility between tunnels with different length

圖4　洞外亮度影響下的隧道洞口路面照明效果Fig.4　Luminance of entrance lighted by outside environment

2短隧道節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

原《規(guī)范》在隧道照明設(shè)計上由于未考慮短隧道通透率對照明節(jié)能設(shè)計的影響，一律根據(jù)相同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行長短隧道照明設(shè)計，從而造成短隧道照明系統(tǒng)設(shè)計過于龐大。招商局重慶交通科研設(shè)計研究院有限公司在吸取CIE隧道內(nèi)部亮度遞減規(guī)律并結(jié)合我國隧道的實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗，在編制《細(xì)則》時不僅提出了照明區(qū)段可進(jìn)一步細(xì)分，并且規(guī)定不同長度短隧道的入口段亮度取值可一步降低，過渡段的區(qū)段設(shè)置可進(jìn)一步減少，如1.2節(jié)所述。

為進(jìn)一步說明在考慮隧道通透率前提下新《細(xì)則》相比原《規(guī)范》的節(jié)能效果，現(xiàn)以重慶市內(nèi)一座約250m的短隧道為例進(jìn)行說明，設(shè)計中，該隧道的洞外亮度取3000cd/m2,設(shè)計車速為80km/h，單向交通且交通量小于350 veh /(h·ln)，設(shè)計分別采用原《規(guī)范》和《細(xì)則》所提出的方法比較，為體現(xiàn)隧道照明節(jié)能的最大化，按《細(xì)則》設(shè)計時采用最優(yōu)化算法并用DIALUX軟件進(jìn)行效果驗證。圖5和圖6為利用《細(xì)則》所提出的方法得到的該隧道基本照明和入口段加強(qiáng)照明的照明效果仿真圖以及對應(yīng)的亮度分布。

圖5　隧道照明效果Fig.5　Lighting effect of tunnel

該短隧道的原設(shè)計以《規(guī)范》為依據(jù)，現(xiàn)對該隧道采用《細(xì)則》提出的方法結(jié)合最優(yōu)化算法對隧道照明進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，所得的隧道每一區(qū)段的劃分、對應(yīng)的設(shè)計亮度以及所選用燈具的數(shù)量和功率與原《規(guī)范》相比如表1所示。

由表1可見，通過對兩種設(shè)計方案的比較，結(jié)合通透率對短隧道行車視覺適應(yīng)性的影響，對短隧道按《細(xì)則》方法進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計后，與原《規(guī)范》的設(shè)計結(jié)果相比，每一照明區(qū)段的燈具數(shù)和總功率都有不同程度降低，總體而言，采用《細(xì)則》的方法所用燈具數(shù)量可比原方案減少近34%，耗電功率可減少60%。由于依據(jù)通透率對短隧道行車視覺適應(yīng)性進(jìn)行短隧道照明區(qū)段和亮度規(guī)定的設(shè)置，完全符合短隧道的行車照明需求，因此，采用《細(xì)則》所提出的方法進(jìn)行短隧道照明設(shè)計既可以滿足隧道行車照明需求，保證照明安全，又可以進(jìn)一步減少隧道照明能耗，大大降低隧道運(yùn)營成本。

圖6　隧道路面亮度分布Fig.6　Luminance distribution of tunnel

原方案優(yōu)化方案長度/m亮度/(cd/m2)燈具數(shù)(加強(qiáng)+基本)/套總功率/W長度/m亮度/(cd/m2)燈具數(shù)(加強(qiáng)+基本)/套總功率/W入口段1427528+511500421512+43360入口段2————427.59+41680過渡段13522.511+32750————過渡段2427.59+41350————中間段1192116601211.510600出口段135108+41200304.54+3820出口段2————307.56+3540總計——8317460——557000

該研究成果結(jié)果表明，考慮短隧道的通透率對短隧道照明設(shè)置要求進(jìn)行修正，并采用最優(yōu)化方法進(jìn)行節(jié)能設(shè)計不僅是解決高速公路隧道照明能耗高的一種有效途徑，也可以指導(dǎo)我國高速公路營運(yùn)隧道的安全與節(jié)能管理方法的建立，對于提高我國公路隧道運(yùn)營安全，降低高速公路隧道運(yùn)營成本起到積極的作用。

3結(jié)論

本文通過分析短隧道行車的人眼視覺特性，在分析通透率對隧道內(nèi)視覺環(huán)境影響的前提下，結(jié)合CIE在《公路隧道和地道路照明指南》提出的亮度變化規(guī)律說明新《細(xì)則》中短隧道照明設(shè)計方法的合理性。并以具體隧道為例采用優(yōu)化算法對短隧道進(jìn)行照明設(shè)計，得出新《細(xì)則》規(guī)定下采用優(yōu)化設(shè)計方法在隧道照明方面的節(jié)能性，具體結(jié)論如下：

1)短隧道的通透性會影響短隧道行車的暗適應(yīng)過程，通透性越好，暗適應(yīng)過程越短；

2)對于通透性好的短隧道，入口段采用分段照明并結(jié)合通透率情況降低照明亮度要求，可大大降低入口照明能耗，實(shí)例表明與原《規(guī)范》相比，在采用優(yōu)化算法的前提下，用新《細(xì)則》方法可比原《規(guī)范》使短隧道入口照明至少節(jié)能56%；

3)根據(jù)通透率來設(shè)置短隧道過渡照明，可進(jìn)一步降低過渡段能耗，對于300m以下的短隧道由于取消過渡段照明，可使這區(qū)段節(jié)能100%；

4)由于短隧道中入口段和過渡段照明占了照明總能耗的70%左右，采用短隧道通透率的思想結(jié)合優(yōu)化算法對入口段和過渡段進(jìn)行照明節(jié)能設(shè)計，可使短隧道的能耗節(jié)減達(dá)60%以上。

總之，根據(jù)短隧道行車的人眼視覺特性，考慮通透率對隧道照明節(jié)能的影響，并借鑒CIE的隧道亮度等級劃分思想，對短隧道照明區(qū)段進(jìn)行細(xì)分的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出符合短隧道照明需求的亮度規(guī)定，結(jié)合照明優(yōu)化方法進(jìn)行短隧道照明節(jié)能設(shè)計，使短隧道照明既符合隧道行車的照明需求，保證隧道行車的安全，同時也可以進(jìn)一步降低隧道照明的運(yùn)營成本。

參考文獻(xiàn)

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Research of Energy-saving Design for Short Tunnel Lighting

based on Visual Characteristic

Tu Yun, Shi Lingna, Wang Xiaojun

(TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchantsChongqingCommunications

Research&DesignInstituteCo.,Ltd,Chongqing400067，China)

Abstract：Based on visual characteristic of short tunnel driving，the effect of intervisibility for visual adaptation is analyzed. Combined with luminance evolution along the tunnel in Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses proposed by CIE, the reasonability of design method for short tunnel is illustrated, which is proposed by Guidelines for Design of Lighting of Highway Tunnel. By lighting optimization design for a specific short tunnel with Guidelines, the energy consumption of each lighting zone can be reduced at different levels compared with that deduced by Speifications. And for general short tunnel, the total energy-saving can reach to 60% compared to earlier Speifications.

Key words:short tunnel lighting; light adaptation; dark adaptation; intervisibility rate; optimization design

通訊作者：涂耘，E-mail：tuyun@cmhk.com

基金項目：交通運(yùn)輸部科技成果推廣項目(2013316350070)、陜西省交通廳科技項目(13-29K)、貴州省交通廳科技項目(2014-122-020)

中圖分類號：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.006