基于洞外減光的高速公路隧道照明節能

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 土木工程學院，重慶 400074；3.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；4.海口市市政工程設計研究院，海南 海口 570208)

引言

隨著我國經濟的發展，各等級公路向山嶺地區延伸，公路隧道的數量逐年增多。然而，隧道照明將消耗巨大的電能，因此，在不降低隧道服務質量的前提下，如何實現隧道照明節能成為重點關注的內容。通過研發新型燈具、優化系統控制技術、應用功能性材料等，可以實現有效地降低隧道照明電能消耗的目的[1,2]。

目前，高效的LED燈已經大規模應用于公路隧道照明，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，使得隧道內行車的視覺信息更加清晰[3，4]。隨著LED燈的廣泛應用，對隧道照明系統的控制模式研究也取得了相應進展[5，6]，實現了從燈群組控制、燈管陣列控制到無級調光的控制模式，真正滿足隧道“按需照明”的要求。反光、蓄光材料本身的發光作用使隧道側壁具有一定的亮度，其對光的高反射率在一定程度上改善了隧道照明環境[7]，工程應用表明：隧道出入口應用蓄光材料后晴天的照明耗能將減小50%[8]。在太陽能和風能豐富的地區，可以充分開發新型能源為隧道照明及其他機電設施提供電能[9-11]。管理人員定期維護照明燈具和控制設備，定期檢修光源及附件設施，保證照明燈具有0.6以上的維護系數，隧道照明系統的維護管理也是隧道節能的關鍵[12，13]。

1 洞外減光結構

1.1 入口段亮度設計

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較低的水平的過渡作用，其亮度標準最高。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]。我國相關規范采用k值計算法法，根據《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)，入口段宜由TH1、TH2兩個照明段組成，對應的亮度可分別按式(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，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

注：當交通量在其中間值時，用內插法取值。

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照明系統設計的重要參考數據，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 減光結構物形式

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，其亮度標準必須與洞外亮度保持一定的比例關系，洞外的環境亮度越高，洞內的人工照明的亮度也需要相應越高，消耗的電能就越高。

近年來，我國的部分城市道路隧道設置了洞外減光結構，這些減光結構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或類似的減光結構物難以與山嶺地區的高速公路隧道相融合，根據相關研究[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構，在高速公路毗鄰隧道出口和入口連接段有較少應用，如圖3所示。利用綠色藤蔓減光具有工程造價低，壽命長，維護簡單等優點，能與山嶺地區的自然環境相匹配，有很好的景觀效果。

圖2 隧道洞外減光結構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 節能效益分析

為探討高速公路隧道洞外減光的節能效益可行性，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。

減光結構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，橫向寬度為14 m，綜合透光率30%左右。減光結構的立柱采用325無縫鋼管，直徑為12 cm，用法蘭連接，布置于道路護欄外側，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，構成穩定的支撐體系。頂部和兩側鋪設不銹鋼網，網的孔徑為5.0 cm。減光結構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 減光結構造價預估表

隧道減光結構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，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。在均不考慮減光結構和照明燈具維護成本的情況下，隧道洞外減光結構在50年運營期能節省費用202萬元(高壓鈉燈)、95.9萬元(LED燈)。

3 結論

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

在減光結構大量應用于山嶺地區的高速公路隧道之前，應該對減光結構的減光效果及通過車輛的行車安全做進一步的研究。