史玲娜，涂 耘，王小軍

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，交通工程與節(jié)能分院，重慶 400067)

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新舊規(guī)范對(duì)比下的隧道照明節(jié)能設(shè)計(jì)研究

史玲娜，涂 耘，王小軍

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，交通工程與節(jié)能分院，重慶 400067)

根據(jù)隧道行車視覺特點(diǎn)，在參考CIE《公路隧道和地道照明指南》的基礎(chǔ)上，分析比較了《公路隧道照明細(xì)則》(以下簡稱細(xì)則)和《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)在隧道照明區(qū)段和照明參數(shù)設(shè)置上的不同。結(jié)合具體的隧道采用《細(xì)則》方法進(jìn)行照明優(yōu)化設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)所得結(jié)果與根據(jù)原《規(guī)范》所得結(jié)果比較。結(jié)果表明：利用《細(xì)則》方法進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)，與原《規(guī)范》相比，每個(gè)照明區(qū)段的照明能耗都有不同程度降低，對(duì)于一般長隧道，總體節(jié)能可在原《規(guī)范》基礎(chǔ)上減少40%。

隧道照明；暗適應(yīng)；明適應(yīng)；節(jié)能設(shè)計(jì)

引言

近年來，隨著我國綜合國力的增強(qiáng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路逐年增多。根據(jù)交通部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2012年底，我國公路總里程達(dá)到423.75萬公里，隧道達(dá)到1萬余處，總長805萬米。其中特長隧道265處，長113.80萬米，長隧道1218處，長202.08萬米[1]。我國目前已成為世界上隧道工程最多、發(fā)展最快的國家[2]。

隨著公路隧道建設(shè)的加快，隧道能耗問題日益突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在公路隧道機(jī)電系統(tǒng)中，照明負(fù)荷約占總負(fù)荷的30%左右，已成為公路隧道運(yùn)營中的最大開支[3]。重慶市公路隧道用電量統(tǒng)計(jì)表明，隧道每公里年電費(fèi)為40余萬元，按此推算，全國公路隧道年電費(fèi)高達(dá)13億元。在目前隧道里程不斷增多，照明能耗問題日益突出的前提下，如何實(shí)現(xiàn)隧道安全運(yùn)營的前提下減小照明能耗已經(jīng)成為隧道照明設(shè)計(jì)及運(yùn)營管理部門共同面臨的問題。

2014年8月，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)(以下簡稱《細(xì)則》)，對(duì)2000年頒布的《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)(以下簡稱《規(guī)范》)進(jìn)行了全面的修訂?！兑?guī)范》自2000年頒布以來，對(duì)推進(jìn)我國公路隧道照明工程科技進(jìn)步，規(guī)范其設(shè)計(jì)行為，完善隧道照明體系等均起到了積極的作用[4]。但我國公路隧道建設(shè)和隧道照明技術(shù)起步較晚，規(guī)范編制階段的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)性工作不足，未能全面覆蓋相關(guān)技術(shù)內(nèi)容。招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司在學(xué)習(xí)借鑒國內(nèi)外成熟的照明技術(shù)成果和成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)國內(nèi)的隧道運(yùn)營現(xiàn)狀進(jìn)行廣泛調(diào)研，并深入研究駕駛員的隧道行駛中的視覺特性，提出了符合隧道行駛視覺特點(diǎn)，滿足隧道照明安全的一系列的節(jié)能設(shè)計(jì)方法。該研究成果的提出可顯著提高公路隧道照明運(yùn)營節(jié)能水平、降低公路隧道運(yùn)營成本，對(duì)于實(shí)現(xiàn)隧道交通在安全前提下的節(jié)能具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益；該研究成果已被納入新頒布的《細(xì)則》，其成果應(yīng)用可大幅提升我國在公路隧道照明節(jié)能與安全領(lǐng)域的理論和設(shè)計(jì)管理水平，為公路隧道照明實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理、安全的設(shè)計(jì)、運(yùn)營管理及評(píng)價(jià)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 節(jié)能設(shè)計(jì)理論依據(jù)

根據(jù)人眼視覺特點(diǎn)，當(dāng)人從比較明亮的地方進(jìn)入相對(duì)較暗的地方時(shí)，必須經(jīng)過一段時(shí)間的適應(yīng)之后才可以逐漸看清楚周圍的環(huán)境情況，這個(gè)過程稱為暗適應(yīng)；反之，當(dāng)人從黑暗的環(huán)境進(jìn)入明亮的環(huán)境時(shí)，開始會(huì)感到刺眼，但過一會(huì)就可恢復(fù)正常，這個(gè)過程稱為亮適應(yīng)。明適應(yīng)和暗適應(yīng)所需要的適應(yīng)時(shí)間依據(jù)具體情況有所不同，經(jīng)歷暗適應(yīng)時(shí)，眼睛從明到暗，開始時(shí)靈敏度很低，以后慢慢增加，最后才能達(dá)到穩(wěn)定和清晰，在暗適應(yīng)的整個(gè)過程中，最初5分鐘視覺靈敏度變化非?？?，以后逐漸變緩慢，但是要達(dá)到完全適應(yīng)一般需要25～30分鐘左右的時(shí)間；而明適應(yīng)過程相對(duì)較短，一般大約需要1分鐘左右的時(shí)間[5]。

對(duì)應(yīng)于隧道行車，當(dāng)駕駛員白天駕車駛?cè)胨淼罆r(shí)，會(huì)有一個(gè)暗適應(yīng)過程，駛離隧道時(shí)會(huì)有一個(gè)明適應(yīng)過程，這些適應(yīng)過程都存在交通隱患。根據(jù)國際照明委員會(huì)(CIE：International Commission on Illumination)的《公路隧道和地道路照明指南》，入口段的長度可分為兩部分，前一部分的亮度取Lth，后一部分的亮度逐漸減小(也可分步逐漸減小)，如圖1所示[6]。我國原《規(guī)范》規(guī)定在按規(guī)定計(jì)算的入口段長度范圍內(nèi)，亮度取值均為Lth=kL20(s)[7]。根據(jù)研究表明，對(duì)于一般長隧道，入口段的照明能耗占了總能耗的一半以上，在入口段采用分段照明方法可以大大減小隧道照明能耗。對(duì)應(yīng)于明適應(yīng)過程，CIE提出，出口段的亮度應(yīng)在一個(gè)停車視距內(nèi)線性增加，在距離出口20m處，其亮度增加到遂道中間段亮度的5倍。原《規(guī)范》規(guī)定出口段60m的長度范圍內(nèi)，亮度取值為中間段亮度的5倍。相比較隧道中間段的基本照明，出口段的加強(qiáng)照明在隧道照明總能耗中也占了相當(dāng)?shù)谋戎?，結(jié)合人眼在出口段的明適應(yīng)過程和CIE提出的出口段亮度線性增加理論，在出口段進(jìn)行亮度的分段設(shè)置亦有利于隧道照明能耗的降低。

圖1 隧道亮度的變化趨勢(shì)Fig.1 Luminance evolution along the tunnel

CIE在《公路隧道和地道路照明指南》指出，過渡段的亮度變化規(guī)律需滿足式(1)：

Ltr=Lth(1.9+t)-1.4

(1)

同時(shí)指出，過渡段亮度不能處于圖1所示連續(xù)亮度曲線的下方，該亮度曲線可以用階梯曲線代替，從一個(gè)階梯到相鄰下一個(gè)階梯的最大亮度比為3，最后一個(gè)亮度階梯的亮度不應(yīng)大于中間段亮度的2倍。該規(guī)定體現(xiàn)了人眼的暗適應(yīng)過程，我國原《規(guī)范》中過渡段的亮度規(guī)定基本體現(xiàn)了這一原則，結(jié)合入口段亮度的分段實(shí)施原則，現(xiàn)《細(xì)則》通過參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)一 步提高了過渡段的節(jié)能空間。

對(duì)于中間段照明，CIE提出長隧道的中間段分成兩個(gè)照明區(qū)段，中間段的前30s行車距離作為第一個(gè)照明區(qū)段，余下部分作為第二個(gè)照明區(qū)段，并根據(jù)停車視距和交通量分別規(guī)定了第一區(qū)段和第二區(qū)段的照明亮度。我國原《規(guī)范》尚未對(duì)長隧道的中間段進(jìn)行區(qū)段劃分，根據(jù)人眼行車視覺特點(diǎn)，對(duì)中間段進(jìn)行照明區(qū)段劃分，不僅符合人眼的暗適用過程，亦可進(jìn)一步提高隧道照明的節(jié)能效果。

2 節(jié)能設(shè)計(jì)研究及分析

2.1 《細(xì)則》和《規(guī)范》比較

結(jié)合近些年公路隧道照明技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司對(duì)國內(nèi)公路隧道運(yùn)營現(xiàn)狀進(jìn)行了大量的調(diào)研，吸收了CIE在《公路隧道和地道路照明指南》中部分思想，在原《規(guī)范》基礎(chǔ)上，提出了公路隧道照明設(shè)計(jì)的節(jié)能性建議并納入《細(xì)則》，與《規(guī)范》相比變動(dòng)如下[8]：

(1)調(diào)整了入口段照明要求，將入口段劃分為兩個(gè)照明段

《規(guī)范》：入口段亮度按Lth=kL20(s)計(jì)算，入口段長度按Dth=1.154Ds-(h-1.5)/tan10°計(jì)算；

《細(xì)則》：入口段宜劃分為TH1、TH2兩個(gè)照明段，其亮度應(yīng)分別按式Lth1=kL20(s)、Lth2=0.5kL20(s)計(jì)算，入口段長度按Dth1=Dth2=[1.154Ds-(h-1.5)/tan10°]/2計(jì)算。

(2)調(diào)整了過渡段照明的亮度計(jì)算系數(shù)

《規(guī)范》：過渡段分為三個(gè)照明段，亮度依次為：Ltr1=0.3Lth，Ltr2=0.1Lth、Ltr3=0.035Lth。

《細(xì)則》：鑒于入口段分為兩個(gè)照明段，過渡段的三個(gè)照明段的亮度依次為：Ltr1=0.15Lth1、Ltr2=0.05Lth1，Ltr3=0.02Lth1。

(3)完善了特長隧道中間段分段設(shè)置的亮度及長度要求

《規(guī)范》：當(dāng)雙車道單向交通700輛/h

表1 《規(guī)范》所列中間段亮度LinTable 1 Luminance in the interior zone proposed by Specifications

《細(xì)則》：單向交通且以設(shè)計(jì)速度通過隧道的行車時(shí)間超過135s時(shí)，隧道中間段宜分為兩個(gè)區(qū)段，第一區(qū)段長度取設(shè)計(jì)速度下的30s 行程，亮度值按表2規(guī)定取值，余下的中間段長度與之對(duì)應(yīng)的長度及亮度不應(yīng)低于表3的標(biāo)準(zhǔn)。

(4)調(diào)整了出口段照明要求，出口段劃分為兩個(gè)照明段

《規(guī)范》：在單向交通隧道中,應(yīng)設(shè)置出口段照明；出口段長度宜取60m，亮度宜取中間段亮度的5倍。

表2 《細(xì)則》所列中間段亮度LinTable 2 Luminance in the interior zone proposed by Guidelines

表3 《細(xì)則》所列中間段分區(qū)段設(shè)置的長度及亮度取值Table 3 Length and Luminance in the interior zone proposed by Guidelines

《細(xì)則》：出口段宜劃分為EX1、EX2兩個(gè)照明段，每段長30m，第一區(qū)段的亮度取中間段亮度的3倍，第二區(qū)段亮度取中間段亮度的5倍 。

2.2 節(jié)能設(shè)計(jì)及分析

現(xiàn)以重慶市內(nèi)一座近2.5km的長隧道為例，進(jìn)一步說明《細(xì)則》相比原《規(guī)范》的節(jié)能效果，該隧道的洞外亮度取3000cd/m2,設(shè)計(jì)車速為80km/h，單向交通且交通量小于350 veh/(h·ln)，設(shè)計(jì)分別采用原《規(guī)范》和新《細(xì)則》所提出的方法。為體現(xiàn)隧道照明節(jié)能的最大化，設(shè)計(jì)采用最優(yōu)化算法并用DIALUX軟件進(jìn)行效果驗(yàn)證。圖2和圖3為利用《細(xì)則》所提出的方法得到的該隧道基本照明和入口段1加強(qiáng)照明的照明效果仿真圖以及對(duì)應(yīng)的亮度分布。

圖2 隧道照明效果Fig.2 Lighting effect of tunnel

該隧道的原設(shè)計(jì)以《規(guī)范》為依據(jù)，現(xiàn)對(duì)該隧道采用《細(xì)則》提出的方法結(jié)合最優(yōu)化算法對(duì)隧道照明進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，所得的隧道每一區(qū)段的劃分、對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)亮度以及所選用燈具的數(shù)量和功率與原《規(guī)范》相比如表4所示。

圖3 隧道路面亮度分布Fig.3 Luminance distribution of tunnel表4 重慶市某一長隧道的照明設(shè)計(jì)原方案與優(yōu)化方案之比較Table 4 Comparison of design scheme deduced by Specifications and Guidelines of a special tunnel in Chongqing

按《規(guī)范》的原設(shè)計(jì)按《細(xì)則》的優(yōu)化設(shè)計(jì)長度/m亮度/(cd/m2)燈具數(shù)(加強(qiáng)+基本)/套總功率/W長度/m亮度/(cd/m2)燈具數(shù)(加強(qiáng)+基本)/套總功率/W入口段18475.069+12285604275.0024+69642入口段24237.5018+67620過渡段17222.536+997207211.2532+85680過渡段2967.548+125760893.7524+103100中間段20651.53402720020671.5026018200出口段1607.531+103900304.504+3820出口段2307.506+3540總計(jì)——56775140——40445602

由表4可見，通過對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案的比較，根據(jù)人眼視覺特點(diǎn)對(duì)長隧道按《細(xì)則》方法進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)后，與原《規(guī)范》的設(shè)計(jì)結(jié)果相比，每一照明區(qū)段的燈具數(shù)和總功率都有不同程度降低。總體而言，采用《細(xì)則》的方法所用燈具數(shù)量可比原方案減少近30%，耗電功率可減少40%。由于采用《細(xì)則》所提出的方法考慮了人眼的行車視覺特點(diǎn)，對(duì)隧道出入口段進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，既可以滿足隧道行車照明需求，保證照明安全，又可以進(jìn)一步減少隧道照明能耗，大大降低隧道運(yùn)營成本。

該研究成果表明，對(duì)隧道照明區(qū)段進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分也是解決高速公路隧道照明能耗高的一種有效途徑，可以指導(dǎo)我國高速公路隧道的安全與節(jié)能管理方法的建立，對(duì)于提高我國公路隧道運(yùn)營安全，降低高速公路隧道運(yùn)營成本起到積極的作用。

3 結(jié)論

本文通過分析隧道行車的人眼視覺特性，在研究CIE提出的《公路隧道和地道路照明指南》和駕駛員行車視覺特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)交通部剛頒布的《細(xì)則》進(jìn)行分析，根據(jù)隧道亮度等級(jí)劃分的思想，以具體隧道為例進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)，得出新《細(xì)則》與原《規(guī)范》相比在隧道照明方面的節(jié)能性，具體結(jié)論如下：

(1)根據(jù)人眼暗適應(yīng)過程對(duì)入口段照明進(jìn)行分兩段設(shè)置，與原《規(guī)范》相比可實(shí)現(xiàn)入口段節(jié)能；

(2)由于過渡段的分段設(shè)置，對(duì)過渡段的照明系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可使過渡段的能耗在原《規(guī)范》基礎(chǔ)上有所下降；

(3)中間段的亮度取值比現(xiàn)行規(guī)范有所降低，可使實(shí)現(xiàn)中間段的節(jié)能目標(biāo)，對(duì)于特長隧道，如果對(duì)中間段進(jìn)行分段設(shè)置，有利于能耗的進(jìn)一步降低；

(4)根據(jù)隧道行車的明適應(yīng)過程，對(duì)出口段進(jìn)行分兩段設(shè)置，亦可在原《規(guī)范》基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)出口段的節(jié)能目標(biāo)。

總之，根據(jù)隧道行車的人眼視覺特性，并借鑒CIE的隧道亮度等級(jí)劃分思想，對(duì)隧道照明區(qū)段進(jìn)行細(xì)分，新《細(xì)則》所提出的隧道照明設(shè)計(jì)方法既符合隧道行車的照明需求，保證隧道行車的安全，同時(shí)也可以進(jìn)一步降低隧道照明的運(yùn)營成本。

[1] 交通運(yùn)輸部綜合規(guī)劃司. 2013年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[EB/OL]. [2014-05-13].http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201405/t20140513_1618277.html.

[2] 王夢(mèng)恕.中國是世界上隧道和地下工程最多、最復(fù)雜、今后發(fā)展最快的國家[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(1):1-4.

[3] 季佳俊.三車道大斷面公路隧道照明節(jié)能參數(shù)優(yōu)化研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2012.

[4] 項(xiàng)小強(qiáng),李偉平.對(duì)現(xiàn)行《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中兩個(gè)問題的探討[J].公路,2009(11):256-258.

[5] 黃彥.隧道照明過渡段人眼適應(yīng)問題研究[D].重慶：重慶大學(xué),2013.

[6] CIE. CIE 88:2004 Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses[S]. Austria:International Commission on Illumination, 2004.

[7] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部. JTJ 026.1—1999 公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社,2000.

[8] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部. JTG/T D70/2-02—2014 公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則[S]. 北京: 人民交通出版社,2014.

《照明工程學(xué)報(bào)》編委、中央美院教授常志剛應(yīng)邀參加國際媒體建筑雙年展及高峰論壇

國際媒體建筑雙年展MAB(The Media Architecture Biennale)2014，由丹麥奧胡斯大學(xué)(University of Aarhus)與國際媒體建筑協(xié)會(huì)(Media Architecture Institute)共同主辦，并得到了哥本哈根和奧胡斯市政府，以及連接城市(Connecting city)、丹麥建筑中心(Danish Architecture Center)、ONLYGLASS等多家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)與企業(yè)的鼎力支持。

雙年展匯聚了來自于世界各個(gè)城市的、擁有多元化思想的先鋒人物和探索者，他們就媒體建筑在未來城市發(fā)展中的作用以及媒體建筑之于“世界城市”這一主題的積極的應(yīng)對(duì)策略展開了激烈的討論，在此基礎(chǔ)上，探討了媒體建筑在社會(huì)、文化和商業(yè)領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)摿?。本屆媒體建筑雙年展的主題是“世界城市”。在全球城市中，媒體建筑正在成為城市公共空間的日益重要的數(shù)字化表皮，成為諸如購物中心、娛樂場(chǎng)所、數(shù)字標(biāo)牌以及商業(yè)廣告等建筑或城市空間的組成部分，并進(jìn)而成為公眾心聲的代言者和政府核心職能的窺視器。

常志剛教授在主會(huì)場(chǎng)發(fā)表了題為“媒體建筑的發(fā)展線索”的演講，從建筑學(xué)的視角對(duì)媒體建筑的歷史脈絡(luò)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和分析。在互動(dòng)提問環(huán)節(jié)中，現(xiàn)場(chǎng)聽眾對(duì)于中國的媒體建筑發(fā)展表現(xiàn)出極大的興趣。

Research of Energy-saving Design for Tunnel Lighting based on Earlier and New Specifications

Shi Lingna, Tu Yun, Wang Xiaojun

(TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.Ltd,Chongqing400067,China)

According to the visual characteristic of tunnel driving，GuidelinesforDesignofLightingofHighwayTunnelandSpecificationsforDesignofVentilationandLightingofHighwayTunnelare compared, based on the reference to theGuidefortheLightingofRoadTunnelsandUnderpasseswhich is proposed by CIE. The comparisons and analysis are focused on the division of lighting zones and setting of indicators. By optimized lighting design for a specific tunnel withGuidelines, the energy consumption of each lighting zone can be reduced at different levels compared with that deduced bySpecifications. And for general long tunnel, the total energy-saving can reach to 40% compared toSpeifications.

tunnel lighting; light adaptation; dark adaptation; energy-saving design; guidelines

交通運(yùn)輸部科技成果推廣項(xiàng)目(2013316350070),陜西省交通廳科技項(xiàng)目(13-29K)，貴州省交通廳科技項(xiàng)目(2014-122-020)

史玲娜，E-mail：shilingna@cmhk.com

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.009