基于隧道照明的節(jié)能改造設(shè)計研究

王相國

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

隧道照明系統(tǒng)是公路建設(shè)的重要組成部分和重要能耗部分[1]，該系統(tǒng)的方案設(shè)計不僅要考慮合理性與安全性，還要考慮它的節(jié)能和環(huán)保性能[2]。目前，隨著高速公路隧道的長期運(yùn)營，隧道內(nèi)照明燈具的性能也會隨著使用周期而逐年下降，且原有的隧道照明設(shè)計也無法滿足新的節(jié)能環(huán)保要求，需要進(jìn)行節(jié)能改造。

1 工程概況

山西交通控股集團(tuán)有限公司大同北高速分公司管轄的隧道共3座。其中亮馬臺隧道左洞長度為2 222 m，右洞長度為2 148 m，隧道原設(shè)計速度為100 km/h，隧道行車道寬度為7.5 m，隧道內(nèi)路面為水泥混凝土；大梁山隧道左洞長度為6 105 m，右洞長度為6 058 m，隧道原設(shè)計速度為80 km/h，隧道行車道寬度為8.75 m，隧道內(nèi)路面為瀝青混凝土；黑石崖隧道只有左洞，長度為446 m，隧道原設(shè)計速度為80 km/h，隧道行車道寬度為8.75 m，隧道內(nèi)路面為瀝青混凝土。

經(jīng)過對隧道內(nèi)各照明段落照度實測，3座隧道照明亮度已不能滿足原設(shè)計和行車安全的要求。綜合考慮，亮度下降原因有兩種：首先是由于部分高壓鈉燈已達(dá)壽命終期，損壞率較高，且因缺少備件，未能及時更換；其次是大部分高壓鈉燈已出現(xiàn)大幅度的光衰，致使亮度無法滿足原設(shè)計的要求。所以，考慮隧道內(nèi)行車安全的需要，故應(yīng)對隧道照明進(jìn)行改造。

2 照明改造方案

2.1 原設(shè)計方案

原亮馬臺隧道照明系統(tǒng)設(shè)計的洞外亮度取4 500 cd/m2，隧道內(nèi)全部燈具均為對稱布設(shè)。入口段照明采用400 W高壓鈉燈，布設(shè)間距1.5 m，亮度為182 cd/m2；過渡段1照明采用400 W高壓鈉燈，布設(shè)間距4 m，亮度為54.8 cd/m2；過渡段2照明采用250 W高壓鈉燈，布設(shè)間距6 m，亮度為19 cd/m2；過渡段3照明采用100 W高壓鈉燈，布設(shè)間距6 m，亮度為9 cd/m2；中間段照明采用100 W高壓鈉燈，布設(shè)間距12 m，亮度為4.61 cd/m2；出口段照明采用150 W高壓鈉燈，布設(shè)間距4 m，亮度為22.5 cd/m2；車人行橫洞和緊急停車帶采用2×36 W的熒光燈；洞外引道照明采用250 W高壓鈉燈。

原大梁山隧道照明系統(tǒng)設(shè)計的洞外亮度取4 000 cd/m2，隧道加強(qiáng)照明燈具均為對稱布設(shè)，基本照明為交錯布設(shè)。入口段照明采用400 W高壓鈉燈，布設(shè)間距2 m，亮度為100 cd/m2；過渡段1照明采用250 W高壓鈉燈，布設(shè)間距4.5 m，亮度為30 cd/m2；過渡段2照明采用150 W高壓鈉燈，布設(shè)間距8.5 m，亮度為10 cd/m2；中間段照明采用100 W高壓鈉燈，布設(shè)間距12 m，亮度為2 cd/m2；出口段照明采用150 W高壓鈉燈，布設(shè)間距7 m，亮度為10 cd/m2；車人行橫洞和緊急停車帶采用2×58 W的熒光燈；洞外引道照明采用250 W高壓鈉燈。

原黑石崖隧道照明系統(tǒng)設(shè)計的洞外亮度取4 000 cd/m2，隧道加強(qiáng)照明燈具均為對稱布設(shè)，基本照明為交錯布設(shè)。入口段照明采用400 W高壓鈉燈，布設(shè)間距3 m，亮度為70 cd/m2；過渡段1照明采用250 W高壓鈉燈，布設(shè)間距6 m，亮度為21 cd/m2；過渡段2照明采用150 W高壓鈉燈，布設(shè)間距8.5 m，亮度為7 cd/m2；中間段照明采用100 W高壓鈉燈，布設(shè)間距12 m，亮度為2 cd/m2；出口段照明采用150 W高壓鈉燈，布設(shè)間距7 m，亮度為10 cd/m2；洞外引道照明采用250 W高壓鈉燈。

原方案內(nèi)容齊全，燈具配置的亮度標(biāo)準(zhǔn)可以滿足《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范（JTJ 026.1—1999）》的要求。但隨著照明燈具技術(shù)的不斷發(fā)展、規(guī)范的修訂，原設(shè)計方案仍然存在諸多不足。如：原設(shè)計采用直接估計取值，無法反應(yīng)隧道洞口實際的亮度情況；亮馬臺隧道包括過渡段3，增加照明的能耗；燈具采用的是高能耗的高壓鈉燈和熒光燈；入口段和過渡段1之間亮度的差值太大，容易給機(jī)動車駕駛?cè)藛T造成視覺差異，從而影響行車安全；隧道照明系統(tǒng)不能滿足《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則（JTG/T D70/2-01—2014）》的要求。

2.2 改造方案

由于原設(shè)計的洞外亮度值均為估計值，故對洞外亮度進(jìn)行了實地測量。測量時間為中午12點(diǎn)至14點(diǎn)之間，采用亮度儀對3座隧道洞口的各種元素的亮度進(jìn)行測定，通過環(huán)境簡圖法[3]對3座隧道洞口的洞外亮度進(jìn)行確定，3座隧道的洞外亮度如表1。

表1 隧道洞外亮度實測值

在燈具的使用方面，3座隧道的改造照明燈具都采用LED燈。這是因為相對于高壓鈉燈而言，LED燈具有能耗低、壽命長、亮度可調(diào)以及視覺效果好[4-5]等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[6]。

亮馬臺隧道的入口亮度折減系數(shù)為0.036；大梁山、黑石崖隧道的入口亮度折減系數(shù)為0.025。改造范圍為加強(qiáng)照明、基本照明、車人行橫洞照明、緊急停車帶照明、洞外引道照明。

亮馬臺隧道原設(shè)計入口加強(qiáng)照明分為入口段、過渡段1、過渡段2、過渡段3。設(shè)計方案把入口加強(qiáng)照明分為入口段1、入口段2、過渡段1、過渡段2。原出口段劃分為出口段1與出口段2?？紤]LED燈具的特點(diǎn)、隧道路面亮度總均勻度和路面中線亮度縱向均勻度等確定亮馬臺隧道的照明設(shè)計方案，方案如表2所示。

表2 亮馬臺隧道洞外亮度實測值

大梁山隧道和黑石崖隧道原設(shè)計照明段落分為入口段、過渡段1、過渡段2、中間段、出口段。設(shè)計方案把原隧道照明段落劃分為入口段1、入口段2、過渡段1、過渡段2、中間段、出口段1、出口段2。其中，入口段1與入口段2的長度為原入口段長度的1/2，出口段1與出口段2的長度為原出口段長度的1/2。過渡段1、過渡段2、中間段與原設(shè)計長度一致。大梁山隧道左右洞設(shè)計參數(shù)如表3和表4所示。

表3 大梁山隧道左洞設(shè)計參數(shù)

表4 大梁山隧道右洞設(shè)計參數(shù)

由于黑石崖隧道左洞的入口與大梁山隧道左洞出口相距95 m，其入口段亮度折減30%。黑石崖隧道設(shè)計參數(shù)如表5所示。

表5 黑石崖隧道設(shè)計參數(shù)

2.3 照明配電

原亮馬臺隧道照明燈具的電源引自隧道內(nèi)橋架上方的接線箱，每3盞燈具接入一個接線箱。隧道照明供電主纜敷設(shè)于橋架內(nèi)。在隧道橋架側(cè)通長設(shè)置橋架接地體作為保護(hù)接地干線。改造后照明燈具通過接燈線和穿刺夾與橋架內(nèi)的照明供電主纜相接，燈具接地保護(hù)與橋架接地體可靠連接。

原大梁山隧道和黑石崖隧道照明燈具電源引自隧道橋架內(nèi)的照明分支回路，利用隧道通長設(shè)置的橋架作為照明系統(tǒng)的接地干線。改造上述兩座隧道接線遵循原方案。

同一回路燈具按A、B、C三相交替接線，燈具接線要盡量與原照明燈具線纜接頭對接。

2.4 燈具安裝

照明燈具的安裝不得侵入隧道建筑限界，安裝高度與原隧道燈具高度一致。安裝時應(yīng)調(diào)整燈具角度調(diào)節(jié)器，使路面亮度盡量一致，減少亮度差，各個燈具光軸線應(yīng)保持與豎直面成同一角度，燈具傾角應(yīng)保持一致[7]。燈具安裝所用的配件及膨脹螺栓均為燈具配套產(chǎn)品，安裝時根據(jù)產(chǎn)品說明書進(jìn)行安裝。

3 節(jié)能改造后的能耗分析

表6 亮馬臺隧道能耗及費(fèi)用對比表

表7 大梁山隧道能耗及費(fèi)用對比表

改造工程的范圍包括橫洞照明。但由于橫洞照明燈具長時間處于關(guān)閉狀態(tài)，所以，能耗分析將不計入其中。通過本設(shè)計亮馬臺隧道節(jié)能比例45.6%，大梁山隧道節(jié)能比例50.4%，黑石崖隧道節(jié)能比例48.9%。各隧道的能耗分析如表6～表8，括號內(nèi)數(shù)字為改造后的值。

表8 黑石崖隧道能耗及費(fèi)用對比表

4 結(jié)語

本文的改造方案通過選用LED燈具，去掉亮馬臺隧道的過渡段3，通過節(jié)能分析可見，節(jié)能效果顯著；根據(jù)新規(guī)范將原入口段劃分為入口段1和入口段2，出口段劃分為出口段1和出口段2，使機(jī)動車駕駛員在出入隧道時適應(yīng)亮度明暗變化的過程；對隧道各個洞口的洞外亮度進(jìn)行實測，以此確定的隧道照明系統(tǒng)更合理，讓機(jī)動車駕駛員可以更好地適應(yīng)“黑洞效應(yīng)”。

高速公路隧道照明燈具長期處于開啟狀態(tài)，在隧道用電費(fèi)用中占比較大。所以，對隧道照明進(jìn)行節(jié)能改造設(shè)計，對隧道的節(jié)電意義重大。隨著照明燈具工藝和技術(shù)的逐漸進(jìn)步，隧道照明的節(jié)能空間越大。該設(shè)計方案能有效地降低隧道的運(yùn)營成本，可以給類似的照明改造方案提供參考。