公路隧道節能照明運行方案

段 偉

(安徽水利水電職業技術學院, 安徽 合肥 231603)

0 引 言

隧道照明設計參數主要有洞外亮度L20、設計行車時速、交通量、隧道平縱線形等。在其他條件(包括車速、交通量)相同的情況下，設計參數洞外亮度L20選取文獻[1]中的估算表格上限值6 000 cd/m2，而實際測算需要洞外亮度L20為4 000 cd/m2，則兩者設備費相差33.3%，年耗電量相差達1/3。為了使隧道照明功率符合實際需要，文中對安徽省高速公路多個隧道的交通量及洞外亮度設計參數應用進行了研究。

1 交通量調查

在高速公路隧道照明系統設計中，隧道的出入口段由于洞內外亮度存在較大差異，其照明系統設計主要取決于洞外亮度；而在隧道基本段照明，由于駕駛員已經適應了隧道內的行車環境，因此，主要依據交通量來合理控制照明系統的運行[2]。安徽省若干隧道路段交通量情況見表1。

表1 隧道路段交通量統計表 輛

通過調查統計得出中遠期內高速公路隧道的交通量在300～2 000輛/h之間，因此在隧道照明系統設計中，如果采用大于2 000輛/h的交通量來設計，則會帶來建設資金和運營費用的大量浪費，在新建高速公路隧道及改造項目中，建議采用配電線路一次設計，變電設備和照明設備分期實施的原則，從而達到安全節能的目的。

2 洞外亮度應用研究

2.1 照明需求K值法

文中對高速公路隧道入口段照明的基本設計參數進行了研究。K值法常用于計算入口段亮度，K值等于入口段亮度與洞外亮度的比值[3]。

因為隧道入口段需要加強照明，這一區域的照明需求適用K值法進行計算，在設計入口段亮度時取洞外亮度的設計值，即L20，公式如下

(1)

式中：Lth----入口段亮度/(cd·m-2)；

K----入口段亮度折減系數；

L20----洞外亮度/(cd·m-2)。

2.2 洞外亮度L20

作為隧道照明系統的設計基準之一，洞外亮度L20的正確設定對工程投資和運營電費都有極大的影響。不同洞外亮度L20取值情況下，加強照明能耗相對百分比如圖1所示(以4 000 cd/m2為100%作為參照)[4]。

圖1 洞外亮度與加強照明能耗關系圖

由圖1可見，洞外亮度L20對隧道能耗影響相當大，這也給節能帶來了相當大的空間。

隧道洞外亮度L20在隧道照明設計階段無法實測得到，設計者一般根據文獻[1]中的洞外亮度取值查詢表獲取，見表2。

表2 洞外亮度取值查詢表

當土建施工的隧道洞口成型后，設計人員應對洞外亮度L20進行實測，如果設計的L20值與實際值誤差大于±25%時，必須對設計值進行修正。一般按實測結果進行修正，大部分隧道的照明規格可下調10%以上。

2.3 亮度折減系數

亮度折減系數一般也是按查表法獲取，見表3[5]。

表3 亮度折減系數取值K查詢表

根據一般情況，以雙車道單向交通限速80km/h為例，若設計交通量大于等于2 400輛/h時，其入口段的亮度折減系數為0.035。

另外，亮度折減系數的取值還取決于公路的行車速度，在照明系統設計時，行車速度參數一般取道路的設計時速。然而，國內外研究表明，駕駛員在進入山區道路后，由于彎道、隧道等較多，注意力將比在開闊道路上更加集中，速度也會有所減慢，在日本、俄羅斯的同類研究中,此項減速約有30%左右[6]。

3 照明運行分析

隧道照明最優燈具組合方案一般考慮燈具光源性能、道路照明質量、節能環保性、投資與運營費用等因素。其中投資與運營費用主要從燈具購置安裝費用、維護保養費用、運營用電費用等進行考慮，公式表示為

Pt=PL+Pm+Pe,

(2)

式中:Pt----照明總費用;

PL----燈具購置安裝費用;

Pm----維護保養費用;

Pe----運營用電費用。

高壓鈉燈運營用電為每單位550元，LED燈為每單位2 000元，無極燈為每單位2 000元；高壓鈉燈無國家政策補貼，LED燈國家政策補貼每單位1 000元，無極燈為每單位500元。綜合折算后,高壓鈉燈每單位成本為550元，LED燈每單位為1 000元、無極燈為每單位1 500元。

根據全國高速公路調研數據，每單位高壓鈉燈每6個月維護一次的人工費和材料費需要100元;每單位LED燈每年維護一次的人工費和材料費需要120元，電費價格為0.8元/(kW·h)。

我們進行隧道各段布燈方式模擬混合燈具組合實驗，實際道路照明質量數據顯示對比結果如下[7]:

1)入口段：LED>LED+高壓鈉燈>LED+無極燈>高壓鈉燈>高壓鈉燈+無極燈>無極燈;

2)中間段：LED>LED+高壓鈉燈> 高壓鈉>LED+無極燈>無極燈>高壓鈉燈+無極燈;

3)出口段：LED>LED+高壓鈉燈>高壓鈉燈+無極燈>高壓鈉>LED+無極燈>無極燈。

根據初期燈具投資、后期燈具維修、 照明電費費用，進行5.5、13.5、16、25 年照明費用統計分析，LED+無極燈的投資隨著時間的推移優勢逐漸顯現出來[8]，如圖 2 所示。

高速公路隧道照明系統的亮度設計必須按照文獻[1]中規定和參數的設置要求進行，這也是行業規范發展的硬性要求。對于在照明系統設計時參數取值過高而造成設計規格過高的情況，我們需要在高速公路隧道照明工程中通過加強對設計環節的管理，完善參數的修正方案，做到最優設計[9]。

4 結 語

高速公路隧道照明系統在設計時一般考慮到中長期的照明需求，因此，進行了一些必要的冗余設計，作為隧道運營管理者必須轉變思想，并不是要求設計建設時安裝的所有照明設備全部運行才能滿足照明需求，這其中有一部分是為將來交通量增長、燈具光衰等情況設計考慮的。對于這些隧道照明系統，可以合理細化照明設備，隨著交通量的增長、燈具光衰的加大等因素，逐步投入使用。