公路隧道节能照明研究现状与展望

潘国兵，刘 圳，李灵爱

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

公路隧道节能照明研究现状与展望

潘国兵，刘 圳，李灵爱

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

在公路隧道运营中，照明系统是能耗最大，与行车安全关联最为直接的部分，在满足隧道行车环境的安全性与舒适性的前提下，如何节能减排已成为公路隧道照明研究的重点。本文回顾了国内外公路隧道照明的发展历史，总结了目前公路隧道节能照明的研究成果与方向并作出展望，旨在为公路隧道节能照明的研究和发展提供参考。

公路隧道；节能照明；节能减排

引言

随着我国交通基础建设的快速发展，高速公路的建设逐步向地形地貌复杂的西南片区推进，公路隧道的应用也越来越广泛，由于隧道封闭的构造方式，独特的行车环境，隧道照明系统是隧道必不可少的一部分，但其耗能严重、运营维护费用高等问题一直困扰着交通建设工作者。

据我国交通部综合规划司统计，截止2015年底，全国公路隧道共计14006处、1 268.39万m。其中，特长隧道744处、329.98万m，长隧道3 138处、537.68万米[1]。隧道照明系统作为隧道在行车运营中与行车环境关系最为密切、作用最为直接的系统，也是在整个隧道行车运营中投资、耗能最大的系统。据统计，照明费用占整个隧道机电工程的30%左右，隧道照明的电耗费已成为隧道运营管理的沉重负担。目前关于公路隧道节能照明的研究较多，并已取得一些成果，本文通过对现有节能技术的归纳总结，提出隧道照明节能的思路，以旨解决隧道照明能耗过高的问题提供参考。

1 国内外隧道节能照明研究现状

国外在隧道节能照明方面的研究相对于国内较早，早在20世纪60年代，意、法两国之间的MontBlanc隧道就已经按照交通量、行车速度和洞外亮度的变化进行照明调光[2]。20世纪80年代后期，世界各国相继颁布了适合本国国情的标准规范，以保障行车安全和规范隧道照明设计。如欧洲制定的《欧洲隧道照明标准》、日本制定的《隧道照明指南》、国际照明委员会制定的《公路隧道与地道照明准则》等。发达国家的照明理论比较完善，已经形成了规范性的标准。进入21世纪，国外开始朝着智能化照明系统发展，欧洲著名照明设备厂商 Philips、Osram、Trodonic、Trilux、Vosslon、Schwabe等联合起草了DALI(Digital Addressable Lighting Interface)协议，这一协议得到发达国家主要电子镇流器生产厂商的广泛支持。DALI 是一种开放的标准协议，代表了照明技术的数字化、智能化、人性化方向发展的总趋势[3-5]。

相对而言，国内关于隧道照明的研究起步较晚，但随着我国隧道的不断广泛应用以及隧道建设与运营技术的不断成熟，有关隧道照明的节能减排研究也逐渐得到重视。在我国现有的隧道照明经验基础上以及借鉴国外的成功经验与研究，2000年我国交通部正式颁布了明确针对公路隧道通风与照明的第一部规范，《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)[6]。国内科学工作者也逐渐开始重视隧道照明系统的研究。目前我国公路隧道照明系统仍存在：隧道照明设计过于保守、智能化控制程度不高、高性能节能灯具应用较少等问题。

节能照明是指在满足隧道行车运营中的安全舒适照明需求下降低能耗与负荷。目前国内外隧道节能照明研究主要集中在新型节能照明灯具；发光涂料增光照明；智能化照明控制系统；隧道洞口减光构筑物；隧道照明设计规范的完善；光伏照明；光导照明；光纤照明；LED诱导节能等方面的研究。由于篇幅的限制，只对部分隧道节能照明研究进行综述。

2 新型节能照明灯具

隧道照明灯具是隧道照明系统中最为重要的环节，也是最为直接作用于照明的环节。目前我国现行的隧道照明灯具主要有这几种：高压钠灯、荧光灯、高压汞灯以及LED灯具，在这些灯具中高压钠灯因其长寿命、高光效及其优良的显色性目前在我国应用范围最为广泛，但随着科学的进步与发展，LED灯具的开发研究与应用开始凸显高压钠灯光源的不足。

LED光源相比于现行其他类型的几种光源灯具具有：显色指数高、功耗低、光源利用率高、启动时间短、工作电压范围宽、综合成本低的优点，其中可无级调光的特点使LED灯具逐渐成为隧道节能照明的首选，可看出LED将是未来隧道照明的主要发展方向。我国2006年6月在贵州省的贵-黄高速公路东苗冲隧道首例采用 LED 灯照明；我国南京模范马路隧道也是采用高光效大功率 LED 隧道灯，该隧道为分离式双洞六车道，设计车速 60 km/h，高峰车流量大于2 000辆/h，洞体左线长1 010 m，右线长1 006 m。采用了高光效大功率 LED 隧道灯替代传统荧光灯，明显减少了灯具数量，单灯总功率也从荧光灯的80W降低为72W。实际使用效果证明，仅从使用 LED隧道灯替代传统灯具上，就能降低约三分之一的隧道照明能耗[7-9]。

目前基于LED灯具的照明系统开发研究已经炙手可热。基于LED的智能控制系统研发、LED诱导节能技术、LED光源结合中间视觉理论等研究已成为隧道照明系统研究的主流。

3 蓄能反光涂料辅助隧道照明

在研究高性能节能隧道照明灯具的同时，人们在研究蓄能反光涂料在隧道照明中的辅助照明节能技术。蓄能反光涂料是利用侧壁涂料的反光(蓄能自发光)辅助隧道照明，从而优化照明环境，减小照明能耗，必要时还可作为应急光源。

我国安徽省六武高速公路隧道照明就采用了蓄能反光涂料辅助LED灯光源进行照明。六武高速公路全长约90.9 km，全线共有8处隧道。该高速公路隧道照明系统就充分考虑了隧道侧墙装饰增光辅助照明作用。隧道边墙采用柔和的乳白色瓷砖，拱顶喷涂灰白色防火涂料，这类材料都具有反射率较高的特点，利用墙面的反射光对隧道照明环境进行增光照明。六武高速公路隧道还首次大量在照明入口段、过渡段和出口段防火涂料表面增设发光涂料面层。这些发光涂料能吸收部分灯具照明的光能，以自发光的形式二次释放出来，提高洞内亮度的同时也提高了光源的有效利用率[10-11]。

重庆交通大学梁波、潘国兵等人 研制了基于反应时间的隧道照明缩尺模型集成系统，并进行了一系列针对隧道内饰涂料的辅助照明作用研究试验，发现隧道蓄能发光涂料具有缩短驾驶人反应时间，提高行车安全性的有效作用，且在配合同种灯具在达到同等照明条件的条件下，能够减小照明功率，减少后期维护成本[12-14]。蓄能反光涂料在隧道照明节能性、安全性、舒适性方面效果都十分显著，且蓄能发光涂料在辅助隧道照明效果显著的同时，也可以作为装饰，改善隧道内压抑单调的行车环境，提高行车舒适度。

4 智能化照明控制系统

随着科技的进步和社会的发展，智能化是人类发展的主要方向，隧道照明系统也不例外。我国隧道照明控制系统的发展主要经历了三个阶段，人工控制、时序控制、分级控制。但这三种都无法实时与隧道照明曲线相贴合，也就导致了过度照明或者无效照明的现象。隧道智能照明控制系统则是指利用计算机技术、网络技术、传感技术、信息处理反馈等技术组成的无线或有线控制系统，在隧道不同区段，不同洞外亮度，不同气候，不同通车量等情况下智能控制调整隧道照明从而达到按需照明，节约能源的目的。

2008年12月通车的合肥市寿春路下穿蒙城路隧道，就成功应用了LED无级调光系统，大幅减小了隧道照明能耗，延长了灯具寿命，据估算，该系统与传统分级调光钠灯相比，可以节省能耗70%以上。2009年我国何鹏、董敏娥以终南山隧道为研究背景提出了一种隧道智能模糊控制照明系统。系统通过采集洞内外亮度、车速、车流量等信息，作为控制参数输入该系统，经过模糊控制算法运算，输出照明的控制信号。测试结果表明，与传统照明控制法相比，该系统能显著降低隧道照明电能损耗，减少系统运营成本[15]。同年，王霞、周建则通过对分级调光和无级调光的的能效性分析，说明了隧道LED照明亮度智能无级控制系统的节能原理及在城市隧道中的应用实效[16]。

智能化照明控制系统研发的意义在于，一个贴合隧道照明曲线的控制系统不仅可减少“黑洞现象”“白洞现象”等隧道特有的不良现象对行车安全所带来的影响，还能有效改善驾驶者在行驶过程中由隧道特殊的行车环境所带来的压抑感。更重要的是，能有效提高光源利用率，减少能耗，按需照明[17-20]。

5 洞口减光构筑物

隧道照明设计最为关键的部分就在于洞口段与过渡段的亮度设置，隧道洞口处于明暗交替区段，存在有“黑洞”、“白洞”等不良现象，是交通事故多发段，为解决这一问题现行隧道照明设计大都是采用基于洞口亮度L20为标准，设置洞口照明加强段，依次折减过渡到照明中间段的方法。但这一方式不仅可控性、高效性差，还带来了能耗巨大、养护维修频繁、费用昂贵的缺点。减光构筑物的设置就起到了减小洞内外亮度差、削弱人眼不适感、延缓亮度变化速率的作用，同时还能减小隧道照明能耗，节省后期养护维修费用。

随着我国隧道建设范围愈发广泛，隧道数量逐步增加，隧道减光构筑物也已逐步应用于实际工程之中，如重庆向阳隧道、广西隆百高速公路田林隧道群等，人们也逐渐重视有关减光构筑物的研究。2011年，王长春就遮光棚的作用，结构类型及工程适用性进行了分析总结，得到了在隧道洞口设置减光构筑物能够有效改善隧道行车环境，降低事故率，减小照明能耗的结论[21]。2013年，吴忠胜、陈山泉就以广西隆百高速公路田林隧道群中的遮光棚为实例，总结了减光棚遮光、节能、协调景观等作用，分析了设置减光构筑物的必要性[22]。

实践与研究证明，在隧道洞口合理设置减光构筑物具有安全性、节能性、适应性等多方面意义。但目前，我国仍缺乏关于减光构筑物的关键性问题研究，如减光构筑物的适应条件、设置原则、减光曲线等都有待研究。

6 隧道照明设计规范

国外对于公路隧道照明的研究起步较早，在20世纪60年代就开始相关研究并颁发了相应规范和标准，并随着科学的不断进步和时代的发展逐步修改完善。我国则在2000年颁布《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)和2004年颁布《公路隧道设计规范》(JTG D 70—2004)[23](简称《规范》)作为隧道照明设计的标准，依据《规范》，隧道各段的照明是根据全年的最不利情况考虑，即年最大通车量和最大洞外亮度等条件，这种较保守的设计使隧道照明系统造成了极大的能源浪费。随着我国公路隧道规模不断扩大、种类逐渐增多、设计车速不断提高，照明理念和照明技术的不断进步，各种新材料、新设备的不断投入使用，为适应隧道照明形势的发展。2014年，我国交通部颁布《公路隧道照明设计细则》(JTG/TD 70/2-01—2014)[24-25](后简称《细则》)，并于2014年8月1日正式实施。《细则》在原《规范》的基础上明显更加注重节能，注重细节。比如：《细则》在隧道照明区段的划分上就做了很大的改进，《细则》将入口段划分为Lth1和Lth2两段，将出口段划分为Lex1和Lex2两段。

除此之外，《细则》还针对隧道照明节能方面独立成章，提出了“因隧制宜”的隧道照明理念，也提出了从隧道照明光源的选择、隧道照明灯具、接近段减光、隧道智能调光等方面的节能措施与要求。

总之，新规范在旧规范的基础上根据隧道行车的人眼视觉特性，并借鉴CIE的隧道亮度等级划分思想，对隧道照明区段进行了细分，在保证隧道正常行驶的情况下，减小了能耗，可降低了隧道照明系统的运营成本。这对我国的公路隧道的运营安全与节能环保都有巨大的推进作用[26]。

7 光纤传导技术

光纤照明技术早在20世纪30年代就已经被人们所发现，光纤照明传导技术的主要原理是通过透镜和反光镜等光学元件无限次数改变光线的传播方向，使光线随光纤的路径进行传导，从而实现光的柔性传播。在隧道照明系统中可利用光纤传导技术提高光源利用率，提高定向性，还能将洞外自然光导入隧道内部增强或者替代传统灯具照明，可以从根本上减少隧道日间照明能耗。

在光纤传导技术的初期，光纤采用的集束玻璃光纤成本极高，根本不能应用到实际照明系统中，但随着近年来逐渐发展的聚合物光纤材料性能的提高和成本的下降，欧美国家已经在隧道光纤照明领域取得突破。在美国，连接Sumner和Callahan的隧道就已经成功应用了光纤照明方式[27-30]。一年的跟踪测试和数据分析表明，光纤照明系统既能满足隧道照明安全舒适的基本要求，又可以保持长效的使用寿命和维护途径。

相比于传统隧道照明方式，光纤照明光电分离的特点使得整个隧道照明系统更加安全可靠，而且光源更加易于维护和更换。在节能方面，光纤作为传光介质具有极好的定向性，在隧道空间内能够有效实现定向、按需照明，传导自然光对隧道内行车环境进行辅助照明甚至取代传统灯具光源已经成为未来光纤传导技术在隧道照明系统中应用的发展新方向[31-33]。

8 结论与展望

目前我国公路隧道运营在照明系统在节能方面还有很大的提升空间，目前大部分隧道照明灯具仍采用高压钠灯，对于墙面、路面的反光(或自发光)的研究尚不成熟，而且我国规范标准的起步较晚，设计上相对保守，这些原因都导致隧道在运营中产生了大量的能源浪费。因此，公路隧道照明系统在满足行车舒适性和安全性的前提下，还应满足绿色环保、节能减排的要求。为此可以从以下几个方面着手：

1)结合最新照明研究成果，完善隧道照明设计规范，建立健全的公路隧道照明评价体系，设计贴合各隧道实际情况的照明系统，做到因隧制宜。

2)充分考虑隧道照明各影响因素、综合合理利用节能灯具、隧道洞外减光措施、侧壁反蓄光作用、清洁能源等各照明节能方式，以达到节能的作用。

3)开发智能控制系统，针对不同时段、气候、车流量等因素实时动态调整隧道照明参数，以实现按需照明，减小照明能耗。

4)对老旧照明系统进行改造。我国还有一大批隧道存在设计参数保守、照明灯具落后、节能措施缺失、线路老旧等缺点，故而对此类隧道进行重新照明评估及改造、逐步推广节能灯具、合理增设隧道照明节能措可改变我国隧道照明系统普遍能耗高、能源利用率低等现状。

公路隧道照明系统节能方式多种多样，无论从灯具光源、附属设施、传导方式、能源效率等各方面都有很大的发展空间。有理由相信，随着社会的进步、科技的发展和工程的经验积累，隧道照明系统一定会越来越安全，越来越舒适，越来越节能环保。

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The Present Situation and Development Trends of Tunnel Lighting Equivalent Energy Saving

PAN Guobing, LIU Zhen, LI Lingai

(ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing,CollegeofCivilEngineering,Chongqing400074,China)

In the tunnel operation, the tunnel lighting system consumes the biggest energy, and it is also the key component of the road safety. Therefore how to reduce the energy consumption of tunnel lighting system while ensuring the road safety and comfort has become an important and meaningful topic. This paper reviewed history of tunnel lighting, at the same time it also summarized the achievements and trends of energy saving in tunnel lighting system. It provides design ideas and reference for equivalent energy saving in tunnel lighting system’s development．

tunnel; lighting energy saving; energy conservation

国家自然科学基金资助(5167082166)；交通运输部应用基础研究项目(2014319814260)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ1500505)；重庆交通大学研究生创新基金

潘国兵，E-mail：panguobing@126.com

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.018