隧道LED照明設計與節能研究

謝曉琳，陳 仁，何 敏，陳國杰，陳澤畑，周蘭君，陳秋娥

(1.佛山科學技術學院,廣東 佛山 528000；2.物理與光電工程學院，廣東 佛山 528000)

引言

隨著半導體技術的發展，LED燈具相比傳統燈具的優勢越來越明顯。在我國大力倡導節能減排、綠色發展的背景下，本文從LED燈具替代傳統燈具的角度出發，根據隧道照明設計相關標準，對參照對象廣東省佛山市丹桂路羅村隧道進行照明節能改造與分析。

1 隧道照明設計方案

本文以我國現行的公路隧道隧道照明設計標準進行設計，即JTG/T D702-01—2014《公路隧道照明設計細則》(以下簡稱《細則》)。以羅村隧道為依托工程，采用照明軟件 DIALux evo建立隧道模型，并進行照明節能分析。羅村隧道位于廣東省佛山市羅村街道城區中心地帶的羅村中心廣場下，雙向八車道，限速為80 km/h，東西朝向，全長為410 m，寬約為36 m，黑色瀝青路面，屬于下沉式城市地下隧道。桂丹路羅村隧道采用的是兩側對稱布置的571套壁裝式陶瓷金鹵燈與高壓鈉燈[1]，總功率達到98.9 kW，并采取物聯網智能控制系統。隧道內的燈具發出穿透性強的光線，呈現暖黃光。羅村隧道一端，如圖1所示。

圖1 羅村隧道現場勘測建筑照片Fig.1 Site survey of Luocun tunnel

經現場勘查了解，該隧道照明系統的照明路段分為入口TH1照明段、TH2照明段、過渡TR1照明段、中間段與出口段[2]。

1.1 隧道凈空斷面形式

經實地勘察，通過激光測距儀，獲得隧道凈空斷層面數據，如表1所示。由測試結果，可知隧道單洞寬度約為18 m，洞內高度約為5.8 m。其中，燈具高度約為5.4 m。

表1 隧道凈空斷面數據Table 1 Tunnel clearance section data

1.2 隧道洞外亮度L20(S)

本文選取查表法進行現場測定。由于測定現場為已投入使用的一級公路，因此，先測量停車視距Ds確定S點，然后乘坐汽車(可獲得視覺高度約為1.5 m的面包車)通過隧道洞口。當汽車到達S點時向洞口方向拍攝照片做記錄，分析后即可獲得20°視角如圖2所示。

由圖2(a)和(b)所示，白色圈內即停車視距S處的1.5 m高度往洞口方向取20°視場大小，紅色標記范圍即天空占比。經過分析和綜合考慮，20°視場的天空占比的取值為20%。該隧道為東西朝向，洞外景物(包括洞門建筑)為反射率較低的環境，根據《細則》查表，該隧道的洞外亮度L20(S)取值為4 000 cd/m2。

1.3 隧道側壁墻面材料反射率

經現場勘查，隧道側壁采用的是穿孔鋁板，如圖2所示。僅取2 m高范圍內1.5 m的測試點，通過測試，羅村隧道側壁墻面反射率約為0.14，測試數據如表2所示。

圖2 洞口洞外亮度L20(S)的20°視角Fig.2 20°view of brightness L20(S) outside hole

圖3 羅村隧道側壁墻面材料——穿孔鋁板Fig.3 Materials——perforated aluminium sheet on side wall of Luocun tunnel

表2 羅村隧道側壁墻面反射情況Table 2 Reflections on the sidewall of Luocun tunnel

1.4 照明仿真的標準亮度值與分段設計的長度計算

經分析與計算，照明仿真的標準亮度值與分段設計的長度如表3所示。

表3 照明仿真的標準亮度值與分段設計的長度Table 3 Standard luminance values and length of segment design for lighting simulation

2 隧道模型的建立

隧道建模一般分為兩個步驟：

1)隧道狀況及參數設置。隧道橫截面如圖4所示，隧道橫截面設置如表4所示；隧道各面反射率參數設置如表5所示。

圖4 隧道凈空斷面Fig.4 Tunnel clearance section

表4 隧道凈空斷面數據設置Table 4 Data of tunnel clearance section

表5 隧道各面反射參數Table 5 Reflection parameters of tunnels

2)導出隧道效果圖。添加完隧道接近段相應的裝飾后，完成的隧道建模后的效果如圖5所示。

3 燈具的選擇及其布置

3.1 燈具選擇

本文采用三款燈具進行仿真設計，設計的參數符合標準的要求。其中，一個全新的傳統鈉燈燈具系列為照明方案一，此方案作為其他方案的節能參考。另外兩個LED光源燈具系列分別為照明方案二、三。這三個系列燈具的具體信息如表6所示。

表6 燈具信息Table 6 Lamp information

續表6

3.2 燈具布置

由于本次照明設計的研究對象羅村隧道路面較寬，且可選擇的隧道燈具有限。為了保證平均亮度、路面亮度均勻度、眩光等參數，綜合考慮，本次設計的燈具布置應采取兩側對稱布置形式。

4 照明計算結果輸出

這次照明設計中，在相同的燈具高度(5.6 m)以及相同的布置形式(兩側對稱布置形式)使用不同系列的燈具制定三種不同的照明方案。方案一作為傳統燈具對照組使用的是鈉燈；方案二使用的是LED隧道燈1；方案三使用的是LED隧道燈2。這三種方案在DIALux4.13軟件中計算的結果如表7和圖6所示。

表7 三種隧道照明方案的計算結果Table 7 Calculation of three tunnel lighting schemes

圖6 各照明方案效果圖與偽色圖Fig.6 Lighting rendering and pseudo-color image of each lighting scheme

由表7中的三種照明方案的計算結果分析可知，加強照明中的TH1照明段和出口照明段中亮度均勻度U0受接近洞外的光環境影響而偏低，各加強照明段也受鄰近的照明段的光照影響而導致縱向均勻度U1偏低。但三種照明方案的基礎照明與加強照明都基本能達到相應的照明指標且照明效果都相差不大。其中，照明方案一由于使用的是大功率的鈉燈，發光點分布較為分散，而燈具的光通主要照射集中在道路中線，道路兩側的邊緣亮度較低，導致白天或夜間隧道內的亮度均勻度U0都偏低。照明方案二、三的燈具布置與照明效果也基本一致。但方案三中使用的燈具光效較高，基礎照明的路面亮度是最高的，且系統總功率比較方案二要低一些。

5 照明節能分析及建議

5.1 方案比較

對于三種方案的照明計算結果進行匯總比較，如表8所示。其中，白天的功率密度為照明系統的總功率與隧道道路面積之比，即此時開啟基礎照明與加強照明；夜間的功率密度僅為基礎照明的功率與隧道道路面積之比。節電率為傳統燈具對照組方案一的總功率與方案二、三LED隧道燈的總功率的差和傳統對照組方案一的總功率之比。

表8 方案比較Table 8 Comparison of Programmes

由表8可知，與采用傳統鈉燈的照明方案一相比，兩種LED燈具照明方案的照明效果都基本達到相應的亮度指標，節電率均達到40%以上。從節能的角度考慮，應選擇方案三作為最優方案。

5.2 社會效益估算

在上述公路隧道狀況，傳統鈉燈照明方案一與LED燈照明方案三作比較。照明系統運營：白天以10 h滿負荷運行系統；早晚以4 h滿負荷運行基礎照明與開啟50%的加強照明負載；夜間以10 h滿負荷運行基礎照明。用電的節能分析以照明系統365 d，每天24 h運營作計算。如表9所示。由表9可知，相比于采用傳統鈉燈的隧道照明系統，選擇合適的LED燈具節能和采用合理的照明設計能達到節能減排的作用，有效地降低隧道照明系統的運營成本，有利于可持續發展。

表9 社會效益估算Table 9 Social benefit estimates

5.3 照明節能的相關建議

隧道照明系統的節能改造除了可以選擇高效節能燈具與合理布置燈具以外，還可以通過多種舉措進一步降低能耗：

1)降低洞外環境亮度。通過在隧道接近段合理地設置減光設施以及在隧道洞口兩側栽種綠植等方法降低洞外亮度，降低加強段的照明指標。

2)調整隧道內環境的反射。隧道內部的光照度受隧道內環境反射率有較大影響，適當提高隧道各反射面反射率，可以增強路面照明照度值，實現降低能耗的目的。

3)采用智能動態調光控制系統。采用智能動態調光控制系統調節隧道照明，智能動態調光控制系統依據洞外亮度、車流量等實時信息，結合各照明段的燈具通光量和對應的季節時段等綜合信息，計算出洞內所需亮度，然后通過調節基礎照明和加強照明實現動態調光。

4)照明系統日常維護。由于隧道屬于半密閉的空間，照明設備容易被灰塵污染，導致燈具光通量和墻面的反射率下降，引起智能照明系統的照明調光水平上升。進行照明系統間隔維護，可大幅度降低系統的能耗。

6 結論

本文從LED燈具替換傳統燈具的角度出發，嚴格按照隧道照明設計相關標準，以羅村隧道作為建模對象進行傳統鈉燈與LED燈具的對比節能分析。根據《公路隧道照明設計細則》中的要求，經過現場勘查利用查表法和實測數據處理獲得洞外亮度L20(S)和隧道側壁墻面材料反射率后，完成桂丹路羅村隧道的建模與隧道照明設計。經過建模與計算，比較不同光源的三種燈具系列， 研究發現LED燈具在實現同樣的光照環境下，進行合理的燈具布置和選型，優化后的LED照明方案比現有鈉燈的方案節能55.44%，每年可以節省51.03×104kWh。