胡 可 鄒正明 李 誠

(1.安徽省交通投資集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088; 2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230088)

1 概述

公路隧道作為道路的特殊構(gòu)造物，為了保證行車環(huán)境安全，公路隧道運(yùn)營必不可缺的隧道照明基本設(shè)施運(yùn)營費(fèi)用高。通過對(duì)隧道較多的山區(qū)省份隧道管理部門的調(diào)查表明，隧道照明費(fèi)用已成為公路隧道運(yùn)營中的一筆沉重負(fù)擔(dān)。隧道照明節(jié)能已經(jīng)成為當(dāng)下隧道建設(shè)及管理部門的迫切需求，各種各樣的節(jié)能產(chǎn)品如雨后春筍般出現(xiàn)，并紛紛于隧道內(nèi)加以應(yīng)用，節(jié)能效果各異，有的甚至不節(jié)能反而加劇了電能消耗，因此如何選擇合適的照明節(jié)能設(shè)備需要科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼{(diào)查分析。

2 隧道照明節(jié)能產(chǎn)品

2.1 隧道照明節(jié)能燈具

隧道照明是隧道交通的重要安全保障之一，隧道照明燈具是隧道照明系統(tǒng)的主要組成部分。為了節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，同時(shí)也是為了適應(yīng)公路隧道建設(shè)及營運(yùn)管理的可持續(xù)發(fā)展，探索合理的照明理論和新型節(jié)能光源就顯得十分必要。

1)隧道照明燈具發(fā)展。照明節(jié)能歷來是社會(huì)廣泛關(guān)注的研究課題，提高燈具光源的光效、改進(jìn)燈具利用率、開發(fā)新燈具是光源燈具研究者一直努力研究的內(nèi)容。長期以來我國隧道照明燈具經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈階段，目前高壓鈉燈普遍在隧道內(nèi)使用，部分城市隧道采用顯色性較高的熒光燈。

2)照明節(jié)能燈具概述。隧道照明燈具的節(jié)能，市場(chǎng)上主要圍繞燈具的三個(gè)部分展開，主要是光源、燈具反光皿和電氣附件。a.反光皿。傳統(tǒng)燈具的光輸出，除了光源本身的一部分外，還有一部分是靠燈具內(nèi)的反光皿反射發(fā)出的，因此反光皿反射率的高低決定了燈的輸出效率。由于反光皿的材質(zhì)問題，早期的反光皿的反射率僅達(dá)到50%左右，甚至更低，隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，燈具廠家通過技術(shù)改進(jìn)，大幅提升了反射率，目前的反射率基本達(dá)到65%～70%，好的反光皿可達(dá)到80%，提升了整燈光輸出，降低了單位光輸出的能耗值(見圖1)。b.光源。光源作為照明燈具的核心部件，也是節(jié)能改造對(duì)象的核心，繼高壓鈉燈后，無極燈、LED燈等相繼問世，并以其獨(dú)特的性能和工作特點(diǎn)在隧道照明領(lǐng)域得到應(yīng)用。

電氣附件。電氣附件也是隧道照明系統(tǒng)的能耗器件，以高壓鈉燈的鎮(zhèn)流器為例，普通型電感鎮(zhèn)流器約占燈具額定功率的20%～40%，節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器約占15%，電子鎮(zhèn)流器約占10%～12%，但是價(jià)格較高，因此常規(guī)均使用節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器。

無極燈。磁感應(yīng)燈即無極燈，結(jié)構(gòu)上由三部分組成，即高頻發(fā)生器(高頻電源)、功率耦合器和涂有稀土熒光粉的玻璃泡殼組成，是集電子、電磁、真空等技術(shù)于一體的國際第四代節(jié)能環(huán)保新光源(見圖2)。

圖1 反光皿

圖2 無極燈

國內(nèi)無極燈研究從發(fā)展到規(guī)模應(yīng)用也有10多年的時(shí)間。電磁感應(yīng)燈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無燈絲、重量輕，壽命可以長達(dá)5年;無極燈功耗低、光衰極小、顯色指數(shù)高，接近日光，無偏藍(lán)偏紅偏黃現(xiàn)象。

白光無極燈在隧道的應(yīng)用，使隧道照明長期采用高壓鈉燈黃色光源的格局得到改變，視覺舒適性明顯提升，但是無極燈本身的光輸出效率的上升空間較小，基本在70 lm/W～80 lm/W的水平，在隧道基本及應(yīng)急照明使用可凸顯其高壽命、高顯色性的優(yōu)點(diǎn)。

LED燈。半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，簡(jiǎn)稱“LED”)，是一種半導(dǎo)體發(fā)光元器件。具有功耗低、發(fā)光效率高、壽命長、啟動(dòng)時(shí)間短、顯色指數(shù)高、結(jié)構(gòu)牢固、不怕震動(dòng)、方向性好、工作電壓低、無紫外輻射、無毒等眾多優(yōu)點(diǎn)。LED燈大規(guī)模用于目標(biāo)顯示有著悠久歷史，近年來，LED與太陽能相結(jié)合，大規(guī)模用于庭院照明，道路照明。LED路燈已在城市道路照明嶄露頭角，在民用照明中，已有許多家庭用LED替代傳統(tǒng)燈具。隨著LED技術(shù)不斷進(jìn)步，單顆LED功率不斷提高，LED燈具散熱問題不斷改進(jìn)，大功率LED燈具開始向公路隧道照明發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)不少應(yīng)用案例，如貴州、廣東等省以及安徽省銅黃高速公路。

大功率LED燈發(fā)展的瓶頸主要是LED晶體的光衰減問題以及散熱問題。LED晶體的光衰減主要是LED燈管以及后期二次封裝造成的，現(xiàn)在市場(chǎng)上的LED燈具廠商主要采用美國的CREE、日本以及中國臺(tái)灣地區(qū)的LED芯片，進(jìn)行二次封裝形成燈具。

光衰與散熱問題是制約LED燈功率做大的技術(shù)關(guān)鍵，現(xiàn)階段多數(shù)廠家制造大功率LED燈使用功率較小的顆粒(通常為1 W～3 W)串并聯(lián)而成，由于二次封裝、結(jié)溫控制等技術(shù)現(xiàn)狀，目前各廠家的燈具功率范圍一般為50 W～200 W。

近幾年來，LED固體照明產(chǎn)品的發(fā)展很快，并已迅速進(jìn)入道路照明領(lǐng)域。但是由于各種原因，特別是沒有規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可依，有不少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用很不規(guī)范，導(dǎo)致LED路燈、隧道燈產(chǎn)品良莠不齊，主要問題是配光性能、散熱性能、電氣性能以及LED壽命性能等。一方面是LED燈具二次配光設(shè)計(jì)的差距較大，目前能夠獨(dú)立地開展配光設(shè)計(jì)的廠家還不是很多。另一方面LED燈具散熱問題，散熱沒有處理好不僅發(fā)光效率下降，而且光衰問題較嚴(yán)重，甚至失效。

目前LED整燈光效市場(chǎng)上已經(jīng)普遍能夠到80 lm/W以上，好的產(chǎn)品能夠達(dá)到100 lm/W以上，這個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)超越了高壓鈉燈輸出效率，并且LED技術(shù)仍在不斷發(fā)展進(jìn)步中，未來勢(shì)必能夠代替高壓鈉燈成為主流照明光源。

2.2 隧道照明配套節(jié)能設(shè)施

1)調(diào)控型節(jié)能設(shè)備。隧道照明不像路燈照明僅根據(jù)時(shí)間(如18:00～次日5:00)這樣單一的開啟/關(guān)閉，而是由入口段、過渡段(可分為過渡段1，2，3)、中間段、出口段以及各個(gè)功能段的各條照明回路組成的[1]。根據(jù)洞外亮度變化、車流量、時(shí)間等多因素綜合調(diào)控的一套策略。針對(duì)隧道照明控制特點(diǎn)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了智能照明控制器。這類控制器通過接受隧道監(jiān)控設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，如亮度檢測(cè)器、車輛檢測(cè)器、能見度檢測(cè)等設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部程序綜合分析制定出此段時(shí)間的隧道照明開啟方案，并發(fā)出控制信號(hào)給配電設(shè)備，開啟必要的照明燈具。這類控制器一般針對(duì)不同燈具采用不同的控制方法。若為高壓鈉燈照明系統(tǒng)，則采用時(shí)段性控制方式，即調(diào)控方案持續(xù)一段時(shí)間后再采集新的信息更新控制方案，這主要是因?yàn)楦邏衡c燈的開關(guān)特性，關(guān)閉后再次開啟時(shí)間較長，會(huì)造成安全隱患[2]。若采用無極燈或LED燈這類開關(guān)特性靈活的燈具，則可采用瞬時(shí)控制，但瞬時(shí)控制一般應(yīng)用于剛建成通車車流量較小的高速公路，不適用于營運(yùn)多年，交通量較大的高速公路。2)改善電源質(zhì)量型節(jié)能設(shè)備。隧道一般都處于山區(qū)，所用電源多為農(nóng)網(wǎng)電，電源質(zhì)量較差，電壓波動(dòng)較大，對(duì)于一些對(duì)電壓敏感的照明設(shè)備，電氣附件及光源易受影響，導(dǎo)致光源衰減加劇、電氣附件燒毀等現(xiàn)象，加速了隧道照明的更換維護(hù)，為此常常在變電所內(nèi)設(shè)置一些改善電源質(zhì)量的設(shè)備，可根據(jù)供電對(duì)象不同時(shí)間段的用電要求和季節(jié)的變化，自動(dòng)按照預(yù)定規(guī)律調(diào)整輸出電壓值，在晚間自動(dòng)緩慢的滑動(dòng)調(diào)整電壓，出于目前普遍使用的氣體放電燈具有降壓節(jié)能時(shí)照度并不成比例下降，即照度變化不大的特點(diǎn)，可以既保證照明質(zhì)量，又可大幅度的節(jié)約電能消耗。

2.3 輔助設(shè)施

隧道墻面的反射作用在隧道照明中非常重要，不容忽視。當(dāng)墻面反射率達(dá)到0.7時(shí)路面亮度可提高10%。但是在選擇墻面材料時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格檢測(cè)其反射效果，方能考慮在設(shè)計(jì)中降低照明燈具提供亮度的10%。新建的許多隧道基本上都進(jìn)行了以提高隧道內(nèi)亮度為目的的隧道裝飾，但是在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中是否考慮這10%需要對(duì)這些裝飾材料進(jìn)一步檢測(cè)，以提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

發(fā)光涂料是近期隧道節(jié)能領(lǐng)域比較有新意的應(yīng)用材料。發(fā)光涂料主要由底漆、中間漆和面漆這三大部分構(gòu)成。構(gòu)成該系統(tǒng)的三層涂料之間既有分工又相互協(xié)同，構(gòu)成一個(gè)完整的防火、防水、發(fā)光節(jié)能體系。發(fā)光涂料的發(fā)光原理:光源(包括各種燈具和自然光)發(fā)出的光，部分起到照明的作用，為有效光能;部分被墻體吸收，并轉(zhuǎn)化成分子熱運(yùn)動(dòng)消耗掉。發(fā)光涂料是將這部分被消耗掉的光能，重新以光的形式釋放出來，從而提高了光源的有效光能，使光源的有效利用率提高。

結(jié)合發(fā)光涂料的特點(diǎn)，項(xiàng)目組初期選擇在黃山至塔嶺、小賀至桃林高速公路的長塢嶺隧道、璜源山隧道的人行橫洞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

從初步試驗(yàn)效果來看，發(fā)光涂料的面漆比現(xiàn)有隧道采用隧道專用防火涂料燈光照射增光率為:熒光節(jié)能燈的照射發(fā)光增光率80%，LED燈的照射發(fā)光增光率72%，高壓鈉燈的照射發(fā)光增光率56%，即使在粗糙和灰塵較多的路面的不同位置，其亮度增加效果也非常明顯。

圖3 路面亮度對(duì)比圖

另外當(dāng)燈熄滅后，采用發(fā)光涂料的橫洞路面并不是立即變黑，而發(fā)光涂料卻是緩慢衰減的過程，路面也隨著發(fā)光涂料亮度的延遲緩慢變暗。這也是發(fā)光涂料的一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)光源體亮度越大、給予的光照時(shí)間越長，則熄滅或移走光源后的面漆延時(shí)越長。

鑒于發(fā)光涂料實(shí)驗(yàn)的良好效果，于黃塔桃高速公路中村南隧道右線入口段進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)效果圖見圖4。

圖4 路面亮度衰減圖

為了檢測(cè)其在隧道行車段的效果，在黃塔桃高速公路進(jìn)行的驗(yàn)收工作中，特地將中村南隧道左右洞入口進(jìn)行了對(duì)比性檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 左右洞入口檢測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，得出采用了發(fā)光涂料的中村南隧道右洞比沒有采用發(fā)光涂料的左洞的照明效果高出27%，為隧道照明節(jié)能又創(chuàng)造了空間。

但由于隧道加強(qiáng)照明不是全天開啟，因此實(shí)際使用條件與檢測(cè)條件還有一定差別，因此在推廣應(yīng)用發(fā)光涂料時(shí)，建議設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)考慮發(fā)光涂料提升照明效果的20%～25%。

3 結(jié)語

隧道照明節(jié)能是目前高速公路特別是含隧道較多的高速公路急需解決的問題，但是面對(duì)市場(chǎng)上種類繁多的節(jié)能產(chǎn)品，設(shè)計(jì)、建設(shè)及營運(yùn)管理單位都應(yīng)該結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)科學(xué)合理的選擇適合項(xiàng)目的節(jié)能產(chǎn)品，才能把節(jié)能工作落到實(shí)處，真正有效的創(chuàng)造出節(jié)能空間，為節(jié)能減排、建設(shè)低碳社會(huì)添磚加瓦。

[1] JTJ 026.1－1999，公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 張 洋，趙祥模，許宏科.高速公路供配電照明系統(tǒng)理論及其應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.