涪丰石高速公路隧道LED节能改造方案研究与应用

刘建春， 沈 猛， 纳守勇

(重庆忠万高速公路有限公司， 重庆 404100)

近年来，涪丰石高速公路通行车辆快速增长，车流量的增加对隧道的照明环境提出了更高要求，加上现运营设备老化、性能下降和新旧规范更替[1]，现有照明系统难以满足隧道运营安全和驾驶舒适的需要，急需全面提升隧道照明的品质。

通过多年的不断探索和实践，LED照明技术在隧道照明中的应用已趋于成熟[2-4]，LED灯具的散热和光衰得到了较好的控制[5-7]。LED灯具的造价近年来也逐渐降低，且在全国范围内道路照明和隧道照明领域，LED灯具正逐渐取代能耗高、显色性低的高压钠灯[8-10]。因此从高速公路运营需求、技术条件、经济合理性等方面来看[11-14]，已经具备对隧道进行LED照明节能改造的条件。

以往隧道照明改造案例如浙江金丽温高速、象山港大桥连接路段、穿好高速，以及四川段沪蓉高速等公路隧道照明系统均采用重新布灯设计，供电电缆重新敷设方式改造，这对隧道正常交通运营影响较大。若能采用原位替灯方案将大大减少改造的拆安费用和提高电缆利用率，并缩短影响运营的时长。本文正是基于现行规范针对原位替灯进行配置设计，研究分析该方案的可行性，并作出经济效益评估。

1 工程概况

本文研究依托重庆涪丰石高速公路(涪陵至丰都、丰都至石柱段高速公路)隧道照明改造工程，该高速公路是重庆市、贵州北部、四川南部地区通往长三角地区最快捷的公路运输通道，也是沪渝通道内最后建设的一条高速公路。涪丰石高速公路全长110.007 km，双向4车道，于2009年6月开工建设，2012年底建成正式通车。其中，涪陵至丰都段包含有12座隧道，丰都至石柱段包含有7座隧道，设计速度80 km/h。

2 照明节能改造配置方案

2.1 加强照明部分

涪丰石高速公路隧道照明布置形式为拱顶单排偏侧布置，加强照明灯具为高压钠灯，入口段为400 W高压钠灯，间距1.5 m，设计亮度75 cd/m2，长度81 m；过渡段Ⅰ为250 W高压钠灯，间距3 m，设计亮度为22.5 cd/m2，长度72 m；过渡段Ⅱ为150 W高压钠灯，间距4.5 m，设计亮度为7.5 cd/m2，长度90 m；出口段为150 W高压钠灯，间距4.5 m，设计亮度为10.0 cd/m2，长度60 m。原配置方案见表1(不含折减隧道)。

表1 隧道现状照明配置方案

以《重庆高速公路绕城以外隧道照明品质提升总体设计方案》(由重庆交通局牵头，招商局重庆交科院拟定，简称重庆绕城总体设计)对涪丰石高速公路隧道照明改造设计为代表(重新整体设计)，改造提升方案见表2(不含折减隧道)。其中，该方案设计采用的配光曲线类型如图1所示，该类配光曲线也是目前市场上较为普遍的一种，适用于拱顶单光带照明。

通过现场踏勘、现场测量等手段掌握相关资料。隧道设计速度为80 km/h，洞外亮度L20(S)取3 000 cd/m2，维护系数取0.75。入口折减系数k根据未来10年交通量取值。结合JTGT D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》，隧道照明加强区段入口段Ⅰ、入口段Ⅱ、过渡段Ⅰ、过渡段Ⅱ、出口段Ⅰ、出口段Ⅱ的长度同样为40 m、40 m、72 m、90 m、30 m、30 m。

为便于对比，原位替灯方案配光曲线与重庆绕城总体设计方案一致。原位替灯配置方案见表3(不含折减隧道)。

图1 照明配光曲线

表2 重庆绕城总体设计配置方案

表3 隧道原位替灯配置方案

2.2 基本照明部分

涪丰石高速公路隧道基本照明同样为拱顶单排偏侧布置。基本照明为50 W LED灯具，全隧道贯通布置，对长度大于2 000 m的隧道，灯具间距为9 m，长度小于2 000 m的隧道，灯具间距为7 m。各配置方案见表4。

表4 基本照明配置方案

3 光学仿真分析

3.1 数值仿真模型

通过查阅涪丰石高速公路原隧道照明系统施工图建立隧道模型，如图2所示。实际工程路面类型为沥青混凝土，反射特性为R3[15]，数值仿真软件采用DIALUX 4.13光学分析软件。灯具模型同样拱顶布置，横向偏距0.75 m(偏行车方向右侧)，纵向间距参照表2、表3分别设计，原灯具安装高度为6.9 m。灯具配光模型如图1所示，光通量可调，照明系统维护系数取0.75。

3.2 计算对比

分别对原位替灯配置方案和重庆绕城总体设计配置方案进行仿真计算，计算指标为路面平均亮度。计算结果对比分析见表5。

图2 隧道照明模型

表5 2种配置方案照明计算对比

由表5可以看出，原位替灯配置方案和重庆绕城总体设计配置方案均能较好地满足规范设计亮度要求值；相比设计亮度来说，原位替灯配置方案的各照明区段计算亮度平均余留溢出设计亮度值的37%左右；重庆绕城总体设计配置方案的各照明区段计算亮度平均余留溢出设计亮度值的92%左右。若不考虑照明系统的0.75维护系数折减，2种方案计算亮度溢出比如图3所示。

图3 各照明区段计算亮度溢出占比

在隧道照明系统设计中，考虑运营年限内灯具光衰、环境污染和意外损坏等因素需要一个维护系数，一般取值为0.75，加上新灯安装条件，所以计算值溢出设计值50%～80%较为合理。由图3可以看出，原位替灯配置方案的各照明区段计算亮度平均余留溢出80%左右，重庆绕城总体设计配置方案的各照明区段计算亮度平均余留溢出150%左右，即重庆绕城总体设计配置方案是设计值的2.5倍左右。

综上分析，原位替灯配置方案是可行的，且相比重新整体设计的重庆绕城总体配置方案更节能。

4 经济效益分析

1) 配置方案效益比选

经济效益方面，本文主要从照明配置总功率成本、每年使用电费和灯具施工成本3个方面进行分析。因涪丰石路段高速公路隧道基本照明灯具平均占总灯数68.85%左右，占比较大，所以仅对2种配置方案中的基本照明作了相关比较。经查阅涪丰石高速公路原隧道照明系统施工图等信息，隧道布灯间距为7 m的基本照明灯总计约3 438盏，布灯间距为9 m的基本照明灯总计约4 764盏。计算电费单价0.69元/度，LED灯功率单价7.5元/W，隧道灯拆安费220元/盏。涪丰石高速公路隧道基本照明方案比选见表6。

由表6可知，原位替灯配置方案比重庆绕城总体设计配置方案明显要经济。原位替灯配置方案在每年电费使用、灯具成本、灯具施工成本方面分别节

表6 涪丰石高速基本照明方案比选

约66.6万元、113万元、139.4万元，即原位替灯方案总体经济效益约319万。

2) 基于原位替灯方案照明改造后经济效益分析

据上分析，原位替灯配置方案无论是在照明质量上，还是经济效益上都是最佳的。因此，为便于实际工程应用，对照明改造前后进行效益对比(不包含洞外引道、紧急停车带和横通道照明)。照明灯具工程量统计见表7，能耗分析对比见表8。

表7 改造前后灯具工程量

由表8可知，按照原位替灯方案进行LED照明节能改造，涪丰路段改造后将节省电费约173.21万元，改造前后节能率为52.78%；丰石路段改造后将节省电费约98.9万元，改造前后节能率为43.36%；涪丰路段预计3.65年后回收成本，丰石路段预计5.2年后将回收成本。

表8 改造前后能耗分析对比

注：加强照明和基本照明工作时长分别按12 h/d和18 h/d计算。

5 结论

1) 在照明系统维护系数取0.75条件下，原位替灯配置方案和重庆绕城总体设计配置方案均能较好地满足规范要求，其计算亮度余留值分别占设计亮度值的37%和92%，故原位替灯配置方案不仅可行，且节能效益更佳。

2) 由基本照明经济效益分析可知，原位替灯配置方案很明显比重庆绕城总体设计配置方案要经济，总体经济效益约节约319万元。

3) 按照原位替灯方案进行照明改造，涪丰路段改造前后节能率为52.78%，丰石路段改造前后节能率为43.36%。