王少飛 涂 耘 鄧 欣 張 琦 陳建忠 李 科 趙清碧 吳小麗

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司隧道建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，重慶400067;2.國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心，重慶400067)

1 引言

截至2010年，全國公路隧道為7384處、512.26萬米(如圖1所示)，其中，特長隧道265處、113.80萬米，長隧道1218處、202.08萬米。公路隧道作為能源消耗大戶，其照明節(jié)能問題逐步得到相關(guān)行政機構(gòu)、運營公司、科研院所和社會團體的高度重視［1～3］，通過聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)、示范工程建設(shè)和成果推廣應(yīng)用，目前我國已基本掌握公路隧道照明節(jié)能成套關(guān)鍵技術(shù)［4～7］，為交通運輸節(jié)能減排事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)。然而，從實踐情況看，公路隧道“綠色照明”工作發(fā)展還不平衡，仍存在不少深層問題和薄弱環(huán)節(jié)。公路隧道照明節(jié)能是一項系統(tǒng)工程，本文在調(diào)查分析公路隧道照明能耗嚴(yán)重原因的基礎(chǔ)上，從宏觀層面分析公路隧道照明節(jié)能的各個必須環(huán)節(jié)，提出結(jié)構(gòu)性、技術(shù)性和管理性節(jié)能措施，以期為推動公路隧道照明節(jié)能發(fā)展提供有益參考。

圖1 我國公路隧道發(fā)展?fàn)顩r(2000～2010)

2 公路隧道照明能耗嚴(yán)重原因

通過對大量投入使用公路隧道運營管理情況的調(diào)研［8］，存在的突出問題是公路隧道照明系統(tǒng)“建得起、用不起”，公路隧道照明系統(tǒng)運營電費及養(yǎng)護開支成為管理公司沉重的負(fù)擔(dān)。目前國內(nèi)公路隧道照明能耗嚴(yán)重的原因如下:

1) 公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計超標(biāo)

其主要表現(xiàn)形式為公路隧道實際照明亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于運營需求亮度，造成公路隧道照明系統(tǒng)規(guī)模過于龐大、電能嚴(yán)重浪費。這主要在于設(shè)計人員未能切實理解和嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范［9］要求，基礎(chǔ)參數(shù)取值過于保守，且忽視了設(shè)計方案的創(chuàng)新性，致使其過于模式化，未能“因隧制宜”。

2) 公路隧道照明控制方式落后

由于未考慮交通量變化對公路隧道照明需求的影響，大量公路隧道各照明段亮度不能根據(jù)交通量狀態(tài)適時調(diào)節(jié)，造成不必要的電能浪費。諸多中、短隧道往往只有1～2種照明控制模式，不但造成能耗嚴(yán)重，而且還存在一定的安全隱患［3～5］。

3) 公路隧道照明節(jié)能理念有誤

公路隧道照明節(jié)能并非簡單地開關(guān)某些燈具，而是要求建立在行車安全基礎(chǔ)上的最大節(jié)能，即公路隧道照明節(jié)能不能以犧牲交通安全為代價。部分管理人員一味追求節(jié)電省錢，致使公路隧道照明控制方案的隨意性、主觀性很大，這種做法其實忽視了公路隧道照明的特點和本質(zhì)，對行車安全危害極大［6］。此外，為控制養(yǎng)護維修費用，管理企業(yè)不能及時清洗、更換照明燈具，造成公路隧道照明系統(tǒng)效率降低、能耗加劇。

4) 公路隧道照明節(jié)能措施單一

公路隧道照明節(jié)能是一項系統(tǒng)工程，需要各種節(jié)能技術(shù)綜合運用，多管齊下全面推進照明節(jié)能工作，而目前國內(nèi)很多公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能措施較為單一，不能達(dá)到全面、高效的節(jié)能目標(biāo)。

3 公路隧道照明節(jié)能五大環(huán)節(jié)

照明節(jié)能是一項系統(tǒng)工程，要全面實現(xiàn)公路隧道“按需照明”，達(dá)到節(jié)能減排的任務(wù)目標(biāo)，就必須對公路隧道照明系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、招標(biāo)、施工及運營等五大環(huán)節(jié)統(tǒng)籌兼顧(如圖2所示)，確保節(jié)能理念深入各個環(huán)節(jié)并得到有效的貫徹實施。

圖2 公路隧道照明節(jié)能環(huán)節(jié)

1) 科學(xué)合理的規(guī)劃是實現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能的基礎(chǔ)

公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)置規(guī)模與交通量、設(shè)計速度等技術(shù)指標(biāo)密切相關(guān)［4］:設(shè)計速度為80km/h時，理論上公路隧道在大交通量條件下比小交通量條件下多用電40%以上;日本東京灣海底隧道曾做過詳細(xì)比較，如其他基準(zhǔn)參數(shù)相同，僅是設(shè)計速度由80km/h提高至100km/h，照明設(shè)備費將提高63～80%，年運營電耗將提高66～82%。因此，公路建設(shè)項目工程可行性研究階段應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、社會發(fā)展實際情況，科學(xué)預(yù)測交通量、合理選用設(shè)計速度;此外，還應(yīng)結(jié)合公路隧道等級劃分、功能用途等因素，科學(xué)合理地定位公路隧道建設(shè)規(guī)模。

2) 精心優(yōu)秀的設(shè)計是實現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能的核心

事實上，設(shè)計方案對公路隧道照明節(jié)能影響極大。如果忽視設(shè)計的重要性，往往會造成照明系統(tǒng)設(shè)置規(guī)模龐大、電能浪費嚴(yán)重，甚至有可能使得公路隧道運營存在安全隱患［3］。即便在公路隧道照明系統(tǒng)投入使用后進行相應(yīng)的技術(shù)改造，也存在投資成本大、維護管理難、能耗相對高等突出問題。此外，由于新理論、新技術(shù)、新設(shè)備不斷出現(xiàn)，公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計也應(yīng)與時俱進，將最新的照明節(jié)能科研成果應(yīng)用于工程建設(shè)，而不宜拘泥于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的限制，阻滯公路隧道照明節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和進步。

3) 公開公正的招標(biāo)是實現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能的關(guān)鍵

公路隧道照明系統(tǒng)是由供配電設(shè)備、光環(huán)境檢測設(shè)備、燈具和光源等組成的，只有選用質(zhì)高材優(yōu)的設(shè)備，才能構(gòu)建安全、節(jié)能、高效、可靠的公路隧道照明系統(tǒng)。目前市場上充斥太多打著節(jié)能旗號的偽劣產(chǎn)品，因而必須在工程招標(biāo)環(huán)節(jié)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，真正引入通過國家權(quán)威檢測部門認(rèn)證的節(jié)能產(chǎn)品，為公路隧道照明系統(tǒng)工程建設(shè)達(dá)到優(yōu)良水準(zhǔn)奠定基石。

4) 標(biāo)準(zhǔn)合格的施工是實現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能的保證

在公路隧道照明系統(tǒng)施工過程中，應(yīng)確保照明燈具安裝穩(wěn)固、位置正確，燈具光帶線形與隧道協(xié)調(diào)、美觀、流暢;照明設(shè)施的電力線、信號線、接地線的類別、規(guī)格、數(shù)量、連接等符合要求并標(biāo)識清楚。只有嚴(yán)格控制公路隧道照明系統(tǒng)施工工藝，公路隧道照明節(jié)能減排工作實施才能得到有效保證。

5) 精細(xì)規(guī)范的運營是實現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能的重點

先進的公路隧道照明系統(tǒng)離不開精細(xì)規(guī)范的管理，由于公路隧道運行環(huán)境較為惡劣，必須定期對照明燈具、控制設(shè)施進行清潔養(yǎng)護，及時更換達(dá)到額定使用壽命的光源電器。此外，還應(yīng)不斷提升公路隧道運營管理人員的業(yè)務(wù)水平，鼓勵其勇于創(chuàng)新和實踐，不斷豐富和完善公路隧道運營照明節(jié)能措施。

4 公路隧道照明節(jié)能三大措施

為保障公路隧道照明系統(tǒng)總體節(jié)能20%以上目標(biāo)［10］的實現(xiàn)，一方面要站在建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”公路隧道的高度，充分發(fā)揮和提高公路隧道的綜合社會效益;另一方面要加強科技進步與創(chuàng)新，不斷提升公路隧道運營管理水平。貫穿公路隧道照明節(jié)能各個環(huán)節(jié)的三大措施是技術(shù)性節(jié)能、結(jié)構(gòu)性節(jié)能和管理性節(jié)能。

1) 技術(shù)性節(jié)能

(1) 準(zhǔn)確測試洞外亮度。福建、重慶、河北、陜西、浙江、廣東等地高速公路隧道洞外亮度L20(S)實測數(shù)據(jù)表明:山區(qū)高速公路隧道洞外100m停車視距內(nèi)20°圓錐角視場范圍的天空含率一般為0%，絕大多數(shù)公路隧道洞外亮度L20(S)值在3000cd/m2以內(nèi)。分析計算表明，公路隧道洞外亮度L20(S)取值由4000cd/m2降低至3000cd/m2，洞口加強照明可節(jié)能約25.4%(按系統(tǒng)功率計算)。

(2) 優(yōu)化照明設(shè)計參數(shù)。應(yīng)當(dāng)結(jié)合公路隧道的工程特點，以及公路隧道照明理論的最新研究成果，對長、短隧道照明設(shè)計方法和參數(shù)進行區(qū)別對待［4］，從源頭根本控制照明能耗。

(3) 選用節(jié)能光源。將“中間視覺理論”和“對目標(biāo)物體反應(yīng)時間的視覺功效法”應(yīng)用于公路隧道照明設(shè)計，并根據(jù)公路隧道節(jié)能光源以高壓鈉燈(HPS)為基準(zhǔn)的亮度對比換算系數(shù)(見表1)計算LED燈等新型節(jié)能光源的照明參數(shù)指標(biāo)。實驗數(shù)據(jù)表明［9］，基于等效亮度法(如LED燈產(chǎn)生2.5×0.4613=1.15cd/m2的照明效果與高壓鈉燈產(chǎn)生2.5cd/m2的照明效果是等效的)，應(yīng)用節(jié)能光源設(shè)計的照明系統(tǒng)可比傳統(tǒng)高壓鈉燈照明系統(tǒng)節(jié)能35%以上。

表1 MH、LED、CFL和LVD對HPS的亮度對比換算系數(shù)R(L)

(4) 應(yīng)用智能照明控制。公路隧道照明控制有分級調(diào)光控制法和無級調(diào)光控制法兩種。在傳統(tǒng)分級調(diào)光控制法下，照明亮度分級少，造成電能浪費(即“過度照明”或“無效照明”)，而無級調(diào)光控制法則能響應(yīng)跟蹤照明需求曲線，可以得到最優(yōu)的控制效果并能達(dá)到節(jié)能目的，即所謂的“按需照明”，如圖3所示。

圖3 公路隧道照明控制輸出曲線

(5) 選用合適的燈具配光。公路隧道照明燈具的配光有縱向(沿隧道長度方向)對稱、不對稱，橫向?qū)ΨQ、不對稱等多種(如圖4所示)。國內(nèi)外學(xué)者研究表明，采用縱向不對稱燈具的逆光照明和寬光帶對稱照明是公路隧道照明最佳配光形式之一:公路隧道中間段采用寬光帶對稱照明系統(tǒng)、入口段采用逆光照明系統(tǒng)為照明系統(tǒng)最佳組合。

(6) 合理布設(shè)照明燈具。公路隧道基本照明燈具有中間單排布燈、兩側(cè)對稱布燈、兩側(cè)交錯布燈等三種傳統(tǒng)布設(shè)方式。不同的布燈方式，其所用燈具數(shù)量、養(yǎng)護方便程度不盡相同。實驗數(shù)據(jù)表明［9］，中間布置比雙側(cè)布置效率高，雙側(cè)交錯布置比雙側(cè)對稱布置效率高。工程實踐證明，將照明燈具布設(shè)在公路隧道一側(cè)，安裝高度為6.3m(如圖5所示)，既是一種較高效率的布燈方式，同時也能較好地解決目前公路隧道營運過程中的養(yǎng)護維修難題(需要完全封閉隧道)。當(dāng)然，采用何種布置方式和燈具的配光有關(guān)。

圖4 公路隧道照明燈具配光

圖5 公路隧道側(cè)偏布燈方式

(7) 使用照明節(jié)電設(shè)備。智能照明節(jié)電設(shè)備是應(yīng)用特殊設(shè)計的自耦降壓式裝置(有功率因數(shù)補償效果)，采用補償變壓器、中央處理器、控制電路、多抽頭變壓器和靜態(tài)開關(guān)(如圖6所示)，對電網(wǎng)過欠壓進行快速自動補償，為負(fù)載提供穩(wěn)定、完美的正弦波電壓，因而能實現(xiàn)根據(jù)內(nèi)外部用電條件，對電網(wǎng)中的浪涌、噪音、干擾、功率因數(shù)、諧波等進行抑制或優(yōu)化處理，并根據(jù)設(shè)定的電壓曲線，穩(wěn)定地供應(yīng)照明設(shè)施所需工作電壓，使系統(tǒng)用電能效達(dá)到最佳狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)電壓為390V、400V、410V時，照明節(jié)電設(shè)備投入使用后，公路隧道照明系統(tǒng)可分別節(jié)能約20.2%、25.3%、30.9%。重慶界水高速公路南湖隧道照明節(jié)能改造中使用照明節(jié)電設(shè)備后效益顯著，節(jié)電率高達(dá)27%。

圖6 智能照明節(jié)電設(shè)備工作原理圖

(8) 應(yīng)用新型節(jié)能設(shè)備。部分短隧道可增設(shè)LED誘導(dǎo)燈(如圖7所示)，以控制照明系統(tǒng)設(shè)置規(guī)模，不但能節(jié)省大量建設(shè)投資費用，還減少了養(yǎng)護費用及電能消耗。LED誘導(dǎo)燈不僅使得公路隧道輪廓線更加清晰，而且能極大緩解駕駛員的心理壓力，同時在滿足公路隧道行車安全性的前提下，可適當(dāng)降低公路隧道照明亮度(尤其是在夜間)。

圖7 LED誘導(dǎo)燈應(yīng)用案例(短隧道)

(9) 照明系統(tǒng)分期實施。公路隧道照明系統(tǒng)必須根據(jù)近、遠(yuǎn)期交通量設(shè)計分期實施方案，做到統(tǒng)籌規(guī)劃、一次設(shè)計、分期實施。以單洞長4km的高速公路隧道為例，采用分期實施方案可較一次性實施方案節(jié)省初期投資約40%，近、遠(yuǎn)期運營照明可分別實現(xiàn)總體節(jié)能51%和25%，能夠極大程度地節(jié)約電能、保護環(huán)境。

2) 采用太陽能和光纖照明技術(shù)

(1) 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。目前，太陽能交通安全設(shè)施在109國道東方紅隧道中得到成功應(yīng)用;國內(nèi)最大的太陽能公路隧道照明系統(tǒng)在河北承德市韓郭公路小梁東隧道投入使用;吉林省建成全國首座公路隧道太陽能智能LED照明系統(tǒng);福建金雞嶺隧道采用46KWP太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，與市電并網(wǎng)為照明系統(tǒng)供電，目前年發(fā)電量約50000KWh;山東煙臺通世路隧道利用太陽能照明(如圖8所示)，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤120多噸。

圖8 山東煙臺通世路隧道太陽能光伏發(fā)電站

(2) 太陽能和風(fēng)能互補發(fā)電技術(shù)。安徽六潛高速公路獅子尖隧道，首次采用太陽能和風(fēng)能發(fā)電互補離網(wǎng)供電系統(tǒng)(如圖9所示)，既節(jié)省了電能，又降低了發(fā)電設(shè)備配置和成本。

圖9 安徽六潛高速公路獅子尖隧道風(fēng)光互補發(fā)電設(shè)施

(3) 太陽能光纖照明技術(shù)。公路隧道照明節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢是構(gòu)建以太陽能光纖照明為代表的節(jié)能、高效、安全的綠色照明系統(tǒng)。在美國，連接薩姆勒(Sumner)和卡拉罕(Callahan)的隧道已設(shè)計并采用全新的太陽能光纖照明系統(tǒng)(如圖10所示)。應(yīng)用光纖傳導(dǎo)太陽光進行隧道洞口加強段照明，可以實現(xiàn)加強照明亮度與外界環(huán)境亮度同步變化，使得公路隧道更加安全、節(jié)能、環(huán)保。

3) 管理性節(jié)能

(1) 通過加強維護管理實現(xiàn)運營照明節(jié)能。如定期對照明燈具、控制設(shè)備進行維護及清潔燈具等，以保證照明燈具0.60以上的維護系數(shù)，有效利用光通量。

圖10 公路隧道太陽能光纖照明工程案例(美國)

(2) 對達(dá)到額定使用壽命的光源電器進行及時更換，以免其在超出額定壽命的低光通、高能耗情況下運行，確保照明質(zhì)量，避免電能浪費。

(3) 制定科學(xué)合理的照明控制管理方案。應(yīng)根據(jù)公路隧道所在路段交通量發(fā)展趨勢、車輛實際運行速度及天氣氣象特點，制定切實可行的照明系統(tǒng)節(jié)能控制模式，以指導(dǎo)運營照明管理。

5 公路隧道照明節(jié)能效益分析

據(jù)統(tǒng)計，每節(jié)約1度(kWh)電，就相應(yīng)節(jié)約0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時減少排放0.272kg的碳粉塵、0.997kgCO2、0.03kgSO2、0.015kg氮氧化物［10］。以京港澳高速公路粵境北段隧道群為例，2008年全年用電量為7166261度，按實現(xiàn)總體節(jié)能20%進行粗略估算，全年可節(jié)約用電1433252.2度，節(jié)約573.301t標(biāo)準(zhǔn)煤，減排389.845t碳粉塵、1428.952t CO2、42.998t SO2、21.499t氮氧化物。不僅經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀，生態(tài)、社會效益也極為明顯。

6 結(jié)語

(1) 目前國內(nèi)大量公路隧道照明能耗嚴(yán)重，其主要原因在于照明系統(tǒng)超標(biāo)設(shè)計、照明控制方式落后、照明節(jié)能理念有誤、照明節(jié)能措施單一。

(2) 公路隧道照明節(jié)能是一項系統(tǒng)工程，要全面實現(xiàn)公路隧道“按需照明”，就必須對公路隧道照明系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、招標(biāo)、施工及運營等五大環(huán)節(jié)統(tǒng)籌兼顧，確保節(jié)能理念深入各個環(huán)節(jié)并得到有效的貫徹實施。

(3) 貫穿公路隧道照明節(jié)能各個環(huán)節(jié)的三大措施是技術(shù)性節(jié)能、結(jié)構(gòu)性節(jié)能和管理性節(jié)能。工程實踐表明，堅持從應(yīng)用單一節(jié)能技術(shù)向綜合運用各種節(jié)能技術(shù)轉(zhuǎn)變、從注重技術(shù)性節(jié)能向解決結(jié)構(gòu)性節(jié)能關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)變、從粗放式運營節(jié)能管理向精細(xì)化運營節(jié)能管理轉(zhuǎn)變的思路觀念，公路隧道運營照明節(jié)能20%以上的目標(biāo)是完全可以實現(xiàn)的。

(4) 公路隧道照明節(jié)能經(jīng)濟、環(huán)境、社會效益顯著，相關(guān)行政機構(gòu)、運營公司、科研院所和社會團體應(yīng)繼續(xù)加大科技投入、不斷推動技術(shù)創(chuàng)新，努力建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”公路隧道。

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［8］涂耘，張琦，王少飛，等．公路隧道節(jié)能照明參數(shù)及運營策略研究總報告［R］．重慶:招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司(國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心)，2011．

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