基于洞外减光的高速公路隧道照明节能

贝登荣，殷 杰，夏杨于雨，王 乾

(1.广东省高速公路有限公司，广东 广州 510000；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；4.海口市市政工程设计研究院，海南 海口 570208)

引言

随着我国经济的发展，各等级公路向山岭地区延伸，公路隧道的数量逐年增多。然而，隧道照明将消耗巨大的电能，因此，在不降低隧道服务质量的前提下，如何实现隧道照明节能成为重点关注的内容。通过研发新型灯具、优化系统控制技术、应用功能性材料等，可以实现有效地降低隧道照明电能消耗的目的[1,2]。

目前，高效的LED灯已经大规模应用于公路隧道照明，在保证同样路面亮度的情况下，LED灯的功率能减少40%左右，亮度均匀度也更优，使得隧道内行车的视觉信息更加清晰[3，4]。随着LED灯的广泛应用，对隧道照明系统的控制模式研究也取得了相应进展[5，6]，实现了从灯群组控制、灯管阵列控制到无级调光的控制模式，真正满足隧道“按需照明”的要求。反光、蓄光材料本身的发光作用使隧道侧壁具有一定的亮度，其对光的高反射率在一定程度上改善了隧道照明环境[7]，工程应用表明：隧道出入口应用蓄光材料后晴天的照明耗能将减小50%[8]。在太阳能和风能丰富的地区，可以充分开发新型能源为隧道照明及其他机电设施提供电能[9-11]。管理人员定期维护照明灯具和控制设备，定期检修光源及附件设施，保证照明灯具有0.6以上的维护系数，隧道照明系统的维护管理也是隧道节能的关键[12，13]。

1 洞外减光结构

1.1 入口段亮度设计

公路隧道照明对行车安全起着非常重要的作用，一般分为入口段照明、过渡段照明、中间段照明和出口照明。其中，入口段连接着洞外道路，起着路面亮度从洞外较高水平至洞内较低的水平的过渡作用，其亮度标准最高。入口段亮度由洞外亮度、行车车速以及隧道长度等因素确定，常用方法有k值计算法、SRN主观评价法和察觉对比度法[14]。我国相关规范采用k值计算法法，根据《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)，入口段宜由TH1、TH2两个照明段组成，对应的亮度可分别按式(1)及式(2)计算。

Lth1=k×L20(S)

(1)

Lth2=0.5×k×L20(S)

(2)

式中：Lth1为入口段TH1的亮度(cd/m2)；Lth2为入口段TH2的亮度(cd/m2)；k为入口段亮度折减系数，可按表1取值；L20(S)为洞外亮度(cd/m2)。

表1 入口段亮度折减系数

注：当交通量在其中间值时，用内插法取值。

洞外亮度L20(S)是指在接近段起点S处，高度距离地面1.5 m，正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度，如图1所示。隧道洞外亮度值是洞内照明系统设计的重要参考数据，因此，洞外亮度对隧道运营的电能消耗有很大的影响。

图1 洞外亮度L20(S)测试示意图Fig.1 The testing of access zone luminance L20(S)

1.2 减光结构物形式

隧道入口段照明保证了驾驶者以一定的运行速度进入隧道时能够识别到路面上的障碍物，其亮度标准必须与洞外亮度保持一定的比例关系，洞外的环境亮度越高，洞内的人工照明的亮度也需要相应越高，消耗的电能就越高。

近年来，我国的部分城市道路隧道设置了洞外减光结构，这些减光结构在一定程度上起到了减光作用，同时也提升隧道洞口的景观效果，如图2所示。但是，图2或类似的减光结构物难以与山岭地区的高速公路隧道相融合，根据相关研究[15-18]，提出一种利用绿色藤蔓遮挡自然光的高速公路隧道洞外减光结构，在高速公路毗邻隧道出口和入口连接段有较少应用，如图3所示。利用绿色藤蔓减光具有工程造价低，寿命长，维护简单等优点，能与山岭地区的自然环境相匹配，有很好的景观效果。

图2 隧道洞外减光结构Fig.2 The structure of tunnel opening to reduce light

图3 洞外绿化减光Fig.3 The green architecture to reduce light

2 节能效益分析

为探讨高速公路隧道洞外减光的节能效益可行性，本文以长度为1 000 m、单洞单向2车道、限速80 km/h、纵坡1%的高速公路隧道为算例。

隧道入口段加强照明灯具按双侧对称布置，配置方案见表2、表3。若采用高压钠灯时，每天全功率等效开灯时间为10 h，则50年营运期的电费为438万元(电费按1元/kW·h计算)，按每4年更换一次，需投入36万元，合计474万元；若采用LED灯，则50年营运期的电费为197.1万元，按每8年更换一次，需投入64.8万元，合计261.9万元。

减光结构采用矩形倒角断面形式，净空高度为7.0 m，纵向长度为80 m，横向宽度为14 m，综合透光率30%左右。减光结构的立柱采用325无缝钢管，直径为12 cm，用法兰连接，布置于道路护栏外侧，纵向间距为10 m。钢管之间采用直径为2 cm的钢绞线十字交叉连接，构成稳定的支撑体系。顶部和两侧铺设不锈钢网，网的孔径为5.0 cm。减光结构一次性建成的造价为35万元，见表4。

表2 入口段加强照明高压钠灯配置方案

表3 入口段加强照明LED灯配置方案

表4 减光结构造价预估表

隧道减光结构能有效地将洞外亮度降低为原来的30%左右，以隧道入口段、过渡段照明亮度顺适为依据，通过计算，入口段加强照明灯具可省去原来的一半，其余照明段保持不变。因此，对于照明灯具为高压钠灯(LED灯)的隧道在50年运营期能节约电能219×104kW·h(98.5×104kW·h)，占整个隧道照明能耗的22%左右。在均不考虑减光结构和照明灯具维护成本的情况下，隧道洞外减光结构在50年运营期能节省费用202万元(高压钠灯)、95.9万元(LED灯)。

3 结论

本文通过分析公路隧道照明节能研究与应用现状，参考城市道路隧道和高速公路毗邻隧道的洞外减光结构，提出一种利用绿色藤蔓、适应山岭地区自然环境的高速公路隧道洞外减光结构。长度为1 000 m的高速公路隧道在设置洞外减光结构的50年营运期可节约22%的电能，照明灯具为高压钠灯(LED灯)的隧道可节省费用202万元(95.9万元)，其节能效益较好。

在减光结构大量应用于山岭地区的高速公路隧道之前，应该对减光结构的减光效果及通过车辆的行车安全做进一步的研究。