公路隧道側壁反射率及涂裝高度對照明的影響研究

石開榮，張彥曉

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

引言

2021年10月，國務院印發了《2030年前碳達峰行動方案的通知》，要求有力有序有效地做好碳達峰工作，確保如期實現2030年前碳達峰目標。其中對交通行業提出的要求為將綠色低碳理念貫穿于交通基礎設施規劃、建設、運營和維護全過程，降低全生命周期能耗和碳排放。公路隧道在改善公路技術狀態、縮短運行距離、提高運輸能力、減少事故等方面起到重要的作用。作為交通基礎設施重要組成部分，隨著交通運輸行業的發展，我國運營公路隧道數量及里程長度均位居世界前列。2010年到2020年期間，我國公路隧道增加了20 578座，里程增長1 687.67萬延米。伴隨著運營里程的增長，隧道照明能耗問題日益凸顯，已成為隧道運營的主要成本之一。照明設施的高能耗與“碳達峰”理念不符，開展隧道照明節能研究，在滿足隧道安全運營的前提下節約能源，降低隧道碳排放，節約運營成本是十分必要的[1-4]。

隧道照明設計及運營養護主要依據《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)開展，對隧道照明亮度、均勻度等作出要求，同時提出路面兩側2 m高范圍內墻面宜鋪設反射率高的材料[5]。隧道墻面反射與襯托作用在隧道照明中非常重要，不容忽視。普通雙車道隧道斷面弧長約21 m，兩側2 m高范圍只占隧道側壁面積約20%，隧道拱腰及拱頂的面積范圍較大，對隧道照明有較大影響，若能夠通過提高隧道側壁反射率提高隧道路面亮度，則可在初裝階段降低照明燈具功率或者通過無級調光進行調節，從而降低照明建設成本及運營能耗。目前對照明控制、燈具選擇等方面的節能研究較多，通過增強隧道側壁反射率降低照明能耗的工程實例較少，依然有較大節能空間及研究價值。本文主要研究隧道側壁反射率對路面亮度的影響，明確具體影響比例；同時通過試驗研究，明確公路隧道側壁涂料的最佳涂裝高度。

若要研究隧道側壁涂料反射率及涂裝高度對照明的影響，需要實際改變隧道側壁涂料，這將耗費大量的財力和人力，可行度相對較低。因此，本文將基于DIALux Evo照明設計軟件，研究隧道側壁涂料反射率及涂裝高度對隧道照明的影響，為其實際運用提供相關的理論支撐。

1 隧道照明影響因素及反射增量系數

1.1 隧道照明影響因素

隧道照明既要滿足相關規范的亮度要求，避免出現隧道“黑洞”及“白洞”效應，保證隧道的行車安全，同時需要考慮提高照明質量，增強隧道內行車的舒適性。在保證安全的前提下，照明節能降耗也一直是研究熱點，同時也是國務院碳達峰行動方案的要求。隧道照明效果受諸多因素影響，主要分為以下幾類：

①隧道照明燈具光源選擇；

②隧道照明燈具布置方式；

③隧道接近段減光，降低隧道洞外亮度；

④隧道照明調光控制；

⑤隧道側壁材料選擇。

其中①～④已經有較多的專家學者研究，相關理論已經較為成熟并且已經有較多的實體工程采用，產生了良好的節能及環保效果[6-8]。側壁材料對隧道照明的影響研究相對較少，目前隧道側壁多數依然為原始狀態，造成的能源浪費較多。通過增強隧道側壁反射率及合理設置涂裝高度，降低隧道照明能耗，有較高的研究價值。隧道內裝常用的材料有混凝土材料、裝飾面板、瓷磚、涂料、油漆等材質[9]，其中不同材質有不同的反射率，將會產生不同的照明效果。

1.2 反射增量系數

隧道照明中，因隧道內表面光線的反射使得路面照度提高的比例系數稱作隧道照明反射增量系數[10]，按式(1)進行計算。

(1)

反射增量系數反映的是隧道側壁及路面等材質表面對隧道照明燈光反射后，隧道路面亮度的變化情況，增量系數越高，隧道路面亮度越高，越有利于隧道照明節能。影響反射增量系數的主要因素為隧道側壁反射率，其次受隧道照明燈具安裝角度、高度等因素的影響。

2 照明計算分析

2.1 隧道基礎信息

隧道基本情況：高速公路雙向四車道隧道，左右洞長度均為1 000 m，凈寬10.25 m，建筑限界凈高5.0 m，路面寬度7.5 m，設計時速為80 km/h，隧道內路面為瀝青混凝土路面，遠期預測交通量為800[veh/(h·ln)]。依據JTG/T D70/2-01—2014[5]要求及隧道基本情況計算，中間段亮度取值2.5 cd/m2，路面亮度總均勻度U0值為0.353，路面中線亮度縱向均勻度U1取值為0.553。

照明燈具選擇：經過多年的發展，LED照明技術已經很成熟，LED隧道照明燈具由于良好的節能效果及顯色性能，已經成為公路隧道照明的首選。且按JTG/T D70/2-01—2014[5]要求，當顯色指數Ra≥65，色溫介于3 500～6 500 K的LED光源用于隧道基本照明時，亮度可按標準值的50%取值(不低于1 cd/m2)，因此本文采用LED隧道照明燈具，燈具功率為50 W，色溫為4 000 K，配光曲線如圖1所示。

圖1 照明燈具配光曲線Fig.1 Light distribution curve of lighting fixtures

燈具布置形式：目前高速公路隧道燈具布置形式主要有中線形式、中線側偏形式、兩側對稱布置、兩側交錯布置等。本文依據該隧道實際燈具布置情況，采用雙側交錯布置進行模擬。

2.2 隧道模型搭建

本文采用DIALux Evo照明設計軟件對該隧道進行模擬仿真，隧道模型按以下步驟搭建：

1)依據隧道橫斷面內輪廓圖搭建隧道模型，設置路面及隧道表面材質。隧道為瀝青混凝土路面，路面反射率設置為11%，側壁未涂裝部分選用普通混凝土面板材質，反射率為30%[11]，涂裝部分按實際試驗情況設置。隧道模型搭建如圖2和圖3所示。

圖2 隧道模型(外部)Fig.2 Tunnel model(outside)

圖3 隧道模型(內部)Fig.3 Tunnel model(inside)

2)布置照明燈具，調整安裝角度及養護系數等內容。模擬隧道中間段照明，采用雙側交錯布燈方式，布燈間距為10 m，燈具設置高度為5.5 m，燈具安裝角度為45°。按照JTG/T D70/2-01—2014[5]要求，燈具養護系數為0.7。

3)設置照明亮度計算區域，用于路面照明亮度及均勻度的計算，如圖4所示。

圖4 亮度計算區域(30 m×7 m)Fig.4 Brightness calculation area(30 m×7 m)

2.3 照明試驗

JTG/T D70/2-01—2014[5]提出路面兩側2 m高范圍內墻面宜鋪設反射率高的材料，因此本研究從2 m開始，依次增加涂裝高度。在不同的隧道側壁反射率下進行模擬，分析不同涂裝高度及反射率對隧道照明亮度的影響。

試驗方法：在隧道照明燈具安裝高度、角度等條件一致的情況下，改變隧道側壁反射率及涂裝高度，進行模擬研究。分別在涂裝高度2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、7.5 m(全斷面)情況下，反射率30%～90%區間內，每隔10%進行一次模擬，共進行49次模擬實驗。記錄不同安裝高度及隧道側壁反射率下的路面平均照度、路面亮度總均勻度、路面中線亮度縱向均勻度情況，結果見表1～表3。

表1 不同側壁反射率及涂裝高度下路面平均照度(lx)Table 1 Average road surface illuminance under different sidewall reflectivity and coating height(lx)

表2 不同側壁反射率及涂裝高度下路面亮度總均勻度Table 2 Overall uniformity of road surface luminance under different sidewall reflectivity and coating height

表3 不同側壁反射率及涂裝高度下路面中線亮度縱向均勻度Table 3 Longitudinal uniformity of road surface luminance under different sidewall reflectivity and coating height

通過模擬計算，可得到隧道照明效果及偽色效果圖，形象展示隧道照明實際狀態，如圖5為涂裝高度4 m、涂裝部分側壁反射率70%的效果圖，圖6為其對應的照明偽彩色圖。

圖5 隧道照明效果圖Fig.5 Tunnel lighting renderings

圖6 隧道照明偽色圖Fig.6 Tunnel lighting false color map

3 試驗結果分析

3.1 側壁反射率對隧道照明的影響分析

將計算數據進行處理分析，得出相關照明指標統計圖，可明顯看出不同隧道側壁反射率下相關指標的變化趨勢。圖7～圖9分別為不同涂裝高度和反射率下隧道路面平均照度及照明反射增量系數、路面亮度總均勻度和路面中線亮度縱向均勻度的變化情況。

圖7 路面平均照度及反射系數增量Fig.7 Average road surface illuminance and reflectance increment

圖8 路面亮度總均勻度Fig.8 Overall uniformity of road surface luminance

圖9 路面中線亮度縱向均勻度Fig.9 Longitudinal uniformity of road surface luminance

隧道中間段亮度取值2.5 cd/m2，根據JTG/T D70/2-01—2014[5]要求折合為37.5 lx。從路面平均照度看，不同側壁反射率下均滿足要求。路面照度與隧道側壁反射率基本呈線性關系，隨著側壁反射率的增加，路面照度增強。涂裝高度為2 m，反射率由30%增長到90%時，路面平均照度由43.0 lx增長到45.9 lx，增加了約7%。涂裝高度為7.5 m(全斷面)時，路面平均照度由43.0 lx增長到64.2 lx，增加了約49%。照明反射增量系數同樣隨著側壁反射率的增加而增強，大幅度提高了隧道路面亮度，有利于隧道照明節能。

從路面亮度均勻度及縱向均勻度看，各種反射率下均能滿足JTG/T D70/2-01—2014[5]要求。隨著隧道側壁反射率的增加，路面亮度總均勻度、路面中線亮度縱向均勻度均呈增加趨勢。增強隧道側壁反射率有利于增強隧道照明質量，提高隧道行車舒適性及安全性。

3.2 側壁涂裝高度對照明的影響分析

隧道側壁涂裝高度變化時路面照度及反射增量系數變化情況如圖10所示。在雙側交錯布燈時，路面照度與涂裝高度基本呈線性關系。隨著涂裝高度的增加，路面照度增強，隧道拱頂等部位依然對隧道照明有影響。反射增量系數也基本成線性增長，有利于隧道照明節能。路面亮度總均勻度及路面中線亮度縱向均勻度變化情況如圖8和圖9所示，在相同側壁反射率下，二者均隨涂裝高度的增加而增強。

圖10 路面平均照度及反射系數增量Fig.10 Average road surface illuminance and reflectance increment

由此可得出結論，在雙側交錯布燈時，隧道路面亮度與側壁涂裝高度基本呈線性關系，最佳涂裝高度為全斷面涂裝，最有利于照明節能。

4 結論

將綠色低碳理念貫穿于公路隧道的規劃、建設、運營和維護全過程，降低全生命周期能耗和碳排放，是國家“碳達峰”的要求，也是公路隧道運營的發展趨勢和必然選擇。本文通過計算機軟件模擬計算并進行分析得出以下結論：

(1)隧道路面平均亮度與隧道側壁反射率基本呈線性關系，路面亮度隨著側壁反射率增大而增強。提高隧道側壁反射率能夠提高隧道照明質量，有利于隧道照明節能。

(2)在雙側交錯布燈時，隧道路面亮度與側壁涂裝高度基本呈線性關系，路面亮度隨著涂裝高度增加而增強。最佳涂裝方式為全斷面涂裝，最有利于照明節能。

(3)不同涂裝高度下，隧道側壁反射率每增長10%，路面亮度對應增長比例見表4。

表4 不同涂裝高度下路面亮度增長率Table 4 Growth rate of road surface luminance under different coating heights

由于隧道現場復雜多樣，照明設施的設計也需要結合隧道實際，采用合適的節能方案。本文僅采用計算機軟件模擬計算的方式開展研究，相關研究結果在實體工程中的應用效果還需進一步探索。