城市交通隧道照明节能设计

刘 莉，郑东东

中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010

0 引言

中心湖隧道位于宁波杭州湾新区新建学海路，道路等级为城市次干路，双向四车道，设计速度为40 km/h，单层双孔隧道，仅设置机动车道，隧道起点里程为K3+250，终点里程为K4+355，全长1 105 m，其中敞口段长280 m，暗埋段长825 m。文章以中心湖隧道的照明系统设计为例，阐述其对隧道无极调光方案的设计与LED灯具的选用，使该项目竣工时达到节能降耗的要求。

1 隧道无极调光系统概述

1.1 无极调光系统的控制原理

该工程隧道照明系统由隧道中央计算机系统对可编程逻辑控制器（PLC）所采集的洞内外亮度、车流量信息，通过预设的控制方案，给无极调光控制器下达指定，最终实现对隧道内照明的实时控制。

1.2 无极调光系统的组成

该工程隧道无极调光系统由中央计算机系统、现场环境检测系统、照明系统、传输网络等组成[1]，各组成部分通信方式如图1所示。

图1 隧道无极调光系统组成示意图

图1中，由中央计算机系统负责对无极调光控制器下达控制指定，无极调光控制器接收到中央计算机系统下达的指令，实现单灯的无极控制；现场环境检测系统由洞内外亮度检测器、微波车辆检测器、PLC等组成，PLC将采集到的现场环境参数通过光纤网络传输至中央计算机系统；照明系统由隧道内LED照明灯具、无极调光控制器、信号传输线缆等组成。

2 隧道照明设计

2.1 设计标准

隧道主要技术参数如表1所示。

表1 隧道主要技术参数

根据《LED城市道路照明应用技术要求》（GB/T 31832—2015）、《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）要求，隧道内各项照明指标确定如下[2]：（1）隧道洞外亮度L20（S）按3 500 cd/m2取值；（2）入口段亮度折减系数均选取0.012；（3）入口段的总长度取一个照明停车视距；（4）亮度均匀度Uo≥0.4，纵向均匀度Ul≥0.6；（5）路面亮度换算系数沥青混凝土路面15 lx/（cd·m-2）；（6）灯具维护系数M=0.7。

2.2 隧道照明设计

该工程单孔隧道为单向交通，隧道照明包含入口段照明、过渡段照明、中间段照明、出口段照明，其中隧道入口段、过渡段、出口段照明由基本照明（与中间段照明一致）和加强照明组成，基本照明分布于隧道全段。通过计算，隧道路段每段的设计亮度及长度如表2所示。

表2 隧道路段每段的设计亮度及长度

2.3 应急照明设计

应急照明亮度应不低于中间段亮度的10%，应急照明灯具须保持常亮，部分隧道基本照明灯具兼具应急照明功能，在火灾情况下，应急照明可以保障人员逃生及救援安全。

3 节能照明灯具的选择

3.1 照明光源参数

目前，交通隧道照明光源多采用高压钠灯、荧光灯、LED，为了满足隧道节能要求，应选择合适的照明光源。光效、显色指数、色温、寿命是照明光源节能的主要标准，以上3种照明光源的相关参数如表3所示[3]。

表3 3种照明光源的相关参数

3.2 照明光源优缺点分析

由表3可知，与荧光灯相比，LED光源光效高、使用寿命长，光源转换效率高；与高压钠灯相比，LED光源显色性好、色温高。与传统照明光源相比，LED光源具有使用寿命长、能耗小、显色性好、色温高、起动时间短、发热量小、不含汞等明显优势，并且符合节能及环保的要求，随着其成本的不断降低，在城市交通隧道照明系统中的应用会越来越广泛。

3.3 灯具的选择

该工程选用LED隧道灯具，各照明段灯具色温均为3 500 K，灯具效能限值要求不小于 95 lm/W，功率因数不小于0.95[4]，灯具选用情况如表4所示。

表4 灯具选用情况表

通过照明各段的亮度和长度取值，计算出相应照明段的灯具功率、布置间距，单个LED灯具均带有单灯控制器，单灯控制器与调光控制器之间通过RS485总线传递信号。

3.4 灯具的布置

车行道照明灯具采用双侧对称布设，根据隧道横断面实际情况，设置灯具的安装高度≥5.2 m。

4 隧道照明控制系统的设计

4.1 设计目标

传统隧道照明控制一般包括时间控制、手动控制、自动控制，已经难以满足当前倡导的经济、高效、节能的要求。为了达到节能的目的，该工程隧道照明采用无极调光控制系统。根据预设的亮度调节指标，自动调节灯具功率，满足绿色照明的要求，以实现按需照明的设计目标。

4.2 控制方式

该工程隧道照明采用分级手动控制和自动无极调光控制相结合的方式，以自动无极调光控制为主，分级手动控制为辅，手动控制级别优先于自动无极调光控制。

4.3 无极调光系统

入口段、过渡段、出口段的照明亮度，与车流量、车速、洞外亮度取值相关，其是影响隧道内照明的重要因素。采用无极调光系统，控制隧道内照明灯具的功率根据洞外亮度、车速、车流量实时动态变化[5]，准确地进行亮度调节。

4.4 分级手动控制

该工程将隧道加强照明调光分为5级控制，分别为白天3级控制（晴天、云天、重阴天/傍晚），夜晚2级控制（夜间、午夜）。

（1）白天控制模式。晴天，洞外亮度按L20（S）取值，加强照明灯具全开；云天，洞外亮度按0.5L20（S）取值，加强照明灯具开启1/2；重阴天/傍晚，洞外亮度按0.25L20（S）取值，加强照明灯具开启1/4，3级控制模式下各照明段亮度均不得低于中间段亮度。

（2）夜晚控制模式。2级控制下均关闭隧道加强照明灯具，仅开启隧道基本照明，其中在午夜时，关闭一半的隧道基本照明灯具，隧道内亮度与连接道路的亮度保持一致。

各照明段灯具按控制模式分为多个不同回路，分级手动控制即对回路进行控制，开启或关闭灯具。分级手动控制模式主要用于隧道检修、交通事故、节假日车流量巨大时，按应急预案控制所有照明段的亮度。

4.5 无极调光控制

无极调光控制不再是开启或关闭灯具，而是将灯具的使用功率根据隧道内的亮度需求进行动态调节，使隧道内照明亮度实现连续平滑变化，调节频率应高于人眼感光反应的速度，从而既可以降低照明的能耗，又可以提高照明的舒适度[6]。

隧道左右线洞口设置一组亮度检测器，由1台洞内亮度检测器和1台洞外亮度检测器组成。洞内亮度检测器用于检测隧道入口引入段照明亮度，安装在洞内离洞门10 m的行车隧道右侧墙上；洞外亮度检测器用于检测洞口亮度，安装在行车右侧路灯灯杆上，离洞口一个照明停车视距位置。左右线隧道洞外设置微波车辆检测器，用于检测交通量参数。

无极调光控制器接收亮度检测器、微波车辆检测器的信号，控制隧道照明灯具的输出功率。无极调光控制时的隧道照明系统按白天和夜晚分时控制，白天控制模式下根据洞外亮度和交通量参数，按预设程序调节加强照明灯具0～100%的输出功率，基本照明灯具可在隧道运营初期按80%的输出功率设定[7]，但要求基本段照明亮度不低于2 cd/m2，随着使用年限增加，根据LED光衰情况，逐年调整灯具的输出功率；夜晚控制模式与第4.3节一致，夜间的基本照明灯具输出功率如果为80%，则午夜的基本照明灯具输出功率为40%。

5 隧道照明设计效果

该工程隧道照明工程情况检测结果如表5所示。

表5 隧道照明工程情况检测结果

根据检测结果可知，测试路段平均亮度、亮度均匀度均符合国家标准。检测时由于灯具输出功率均为100%，测试亮度高于亮度设计值，在运营时可以切换至无极调光模式，即隧道内的亮度可按设定值自动调整。

6 结束语

文章从隧道照明光源的选择、亮度取值、照明控制三个方面对隧道照明的节能设计进行详细的阐述。通过对隧道常用的照明光源优缺点进行对比，分析了LED光源在节能方面的优势。基于LED光源的无极调光系统将隧道照明控制按时间分为白天和夜晚分别控制，白天通过接收洞内外的亮度参数、交通量参数，平稳柔和地调节隧道内加强照明段的亮度，夜晚通过当地的以往交通量数据，按时间段控制隧道基本段照明的亮度，实现按需照明，以达到节能的效果，同时为隧道内的驾驶员提供舒适的驾驶环境。