張乃斌，趙衛(wèi)斌，馬　非

(1.浙江金麗溫高速公路有限公司， 杭州　310020； 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶　400067)

?

公路隧道照明節(jié)能改造技術應用研究

張乃斌1，趙衛(wèi)斌1，馬非2

(1.浙江金麗溫高速公路有限公司， 杭州310020； 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶400067)

摘要：公路隧道照明系統(tǒng)電能消耗約占隧道總電能消耗的80%左右，節(jié)能減排空間較大。隨著LED燈具質量提升和成本降低，LED燈具正逐步取代高壓鈉燈。介紹隧道照明系統(tǒng)電能消耗特征，基于LED燈具的技術特點提出隧道照明節(jié)能改造方案，分析示范工程浙南地區(qū)黃崗隧道的改造后節(jié)能效果，提出隧道節(jié)能改造經(jīng)濟效益與隧道長度的關系。

關鍵詞：隧道照明；合同能源；效益

1研究背景

近年來，我國能源形勢嚴峻，煤炭、石油、天然氣人均占有儲量只有世界平均水平的11%和4.5%，但我國能源利用效率卻比國際先進水平約低10個百分點，單位GDP能耗是世界平均水平的3倍左右，因此節(jié)能減排形勢緊迫。根據(jù)交通運輸部《公路水路交通運輸節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》，我國已在交通領域大力推動隧道照明節(jié)能減排工作，并將繼續(xù)分批次更換現(xiàn)有隧道的高壓鈉燈，推廣壽命長、光效高的LED燈具[1]。

2010年以前建設的高速公路，其隧道照明系統(tǒng)一般采用高壓鈉燈。該類型燈具具有能耗高、故障率高、維護難度大的弊端。隨著LED技術的發(fā)展，LED燈具的質量逐漸趨于成熟，光效大大提高，光源和驅動電源的穩(wěn)定性得到改善,基本上克服了光衰大、散熱性能差的缺陷，在光通量、壽命、易維護性等方面超越了高壓鈉燈[2-4]，同時LED燈具的成本隨著應用規(guī)模的增大而穩(wěn)步下降。隧道基本照明中，LED燈具的成本接近高壓鈉燈的成本。隧道加強照明中，照明燈具功率較大，而LED燈具的成本與其功率呈線性關系，故現(xiàn)階段其成本尚高于高壓鈉燈成本。

LED燈具近3年來才在高速公路隧道內(nèi)推廣應用，之前的隧道照明系統(tǒng)大都采用高壓鈉燈。高速公路運營單位在養(yǎng)護經(jīng)費有限的情況下一般不會采用LED燈具替換高壓鈉燈。近年來，一種新的管理模式—合同能源管理(EMC)模式已在其他行業(yè)得到了推廣應用，并取得了顯著的節(jié)能效益。該模式同樣適用于高速公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能改造。本文介紹了高速公路隧道照明系統(tǒng)特點，提出高速公路隧道節(jié)能改造方案，并對浙南地區(qū)黃崗隧道節(jié)能改造效果進行了分析。

2公路隧道照明系統(tǒng)特點

2.1公路隧道照明基本要求

公路隧道照明的目的在于為駕駛員提供安全行車的視覺條件，提供可獲得足夠視覺信息的亮度水平，滿足不同層次的駕駛員的視覺功能和心理需求，確保車輛無論是在白天還是夜間都能以給定的設計速度安全行車[5]。

隧道照明與道路照明的顯著區(qū)別是不僅夜間需要照明，白天更需要照明，且白天照明比夜間照明更加復雜。隧道照明不只像道路照明那樣僅僅提供一定的亮度，而是應綜合考慮設計(實際)運營車速、交通量、隧道線型等因素，并注意司乘人員的安全性和舒適性，特別需注意隧道入口與相鄰區(qū)段的視覺適應過程[6-7]。

駕駛者從隧道外較亮的視覺環(huán)境進入隧道內(nèi)較暗的視覺環(huán)境時需要一個適應過程，洞內(nèi)外亮度差別越大，需要適應的時間就越長。因此，隧道照明系統(tǒng)中，從入口至出口的亮度需要根據(jù)人的視覺適應特征進行設置[8]。隧道照明區(qū)域共分為接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段，如圖1所示。

以行車速度80 km/h為例，當洞外亮度取值為3 000 cd/m2時，隧道內(nèi)入口段1的亮度為75.00 cd/m2，入口段2、過渡段1、過渡段2、過渡段3的亮度分別是入口段1亮度的0.5，0.15、0.05和0.02倍，中間段的照明亮度為1.5 cd/m2。入口段1的亮度為中間段亮度的50倍，2個區(qū)域單位時間內(nèi)的電能消耗比值也在50左右。隧道照明區(qū)段亮度要求如表1所示。

L20(S)—洞外亮度；L20(A)—適應點亮度；Lin—中間段亮度；Ltr—過渡段亮度；Lex—出口段亮度；Dth—入口段長度；Dtr—過渡段長度；Dex—出口段長度；d—適應距離。

圖1　隧道照明區(qū)域

2.2隧道加強照明與基本照明功率的關系

就LED燈具而言，燈具成本與燈具瓦數(shù)基本呈線性關系。加強照明部分燈具配置規(guī)模較大，且與隧道長度無關?；菊彰鲉挝婚L度的燈具配置規(guī)模較小，燈具配置總功率與長度相關。加強照明與基本照明的總功率比值與隧道長度密切相關，隧道長度較短時，基本照明功率與加強照明功率相比較??；隧道長度較長時，基本照明功率與加強照明功率相比較大。

由于隧道內(nèi)基本照明開燈時間較長，其消耗的電量占總消耗電量的比率較大，因此，隧道燈具總體利用率與隧道照明系統(tǒng)基本照明與加強照明的功率比有很大關系。隧道較短時，基本照明功率與加強照明功率比較小，燈具總體利用率較低。如圖2所示，隧道長度為500 m時，基本照明功率僅為加強照明功率的15.5%，節(jié)能改造后節(jié)省的電費較少；隧道長度為3 200 m時，基本照明功率與加強照明功率基本相等，節(jié)能改造后燈具的總體利用率較高,經(jīng)濟效益較好。

圖2　加強照明與基本照明功率比

以2 000 m長隧道為例，當燈具為高壓鈉燈時，加強照明平均每d的耗電量約為139 kW/h，而基本照明的耗電量約為545 kW/h；當燈具為LED燈時，加強照明平均每d的耗電量約為34 kW/h，而基本照明平均每d的耗電量約為149 kW/h，如圖3所示。

無論是高壓鈉燈還是LED燈，加強照明的配置功率均較大，而實際耗電量較少；基本照明的配置功率均較小，而實際耗電量較多。

3隧道照明節(jié)能改造方案

3.1基本照明部分

隧道基本照明設計時，一般采用額定功率100 W的高壓鈉燈作為照明燈具，實際消耗功率在115 W左右，整燈光通量約7 000 lm，整燈光效為70 lm/W。但隨著LED照明技術的發(fā)展， LED燈整燈光效高于高壓鈉燈的光效。以額定功率為35 W的LED燈具為例，實際消耗功率為35 W，整燈光通量為3 500 lm，整燈光效為100 lm/W，因此，公路隧道節(jié)能改造中一般采用LED燈具替換原來的高壓鈉燈。

圖3　隧道加強照明和基本照明耗電量對比

為了保證照明質量，基本照明燈具的初始光通量不小于3 500 lm，6年內(nèi)光通量衰減率不大于25%。用LED燈具替換高壓鈉燈時，燈具布置方式按原高壓鈉燈布置形式確定，雙側對稱布置或交錯布置，間距12或14 m，且需根據(jù)原有基本照明高壓鈉燈間距而定。

本文采用數(shù)值分析程序對基本照明效果進行了光學仿真分析。按不同布置形式和間距布置的燈具照度分析結果如表2所示，照度空間分布情況如圖4所示。

圖4　燈具按不同形式和間距布置時其亮度分布

在燈具安裝角度相同的條件下，其布置方式對路面平均亮度影響較小，12和14 m間距的平均亮度分別為3.33和2.86 cd/m2。布置間距為12 m時，交錯布置和對稱布置的總均勻度相同，縱向中線均勻度有所差異。燈具交錯布置時其縱向中線均勻度為0.98，而對稱布置時其縱向中線均勻度為0.90，交錯布置時其縱向照明效果優(yōu)于對稱布置。

表2　基本照明技術指標

3.2加強照明部分

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范亮度要求規(guī)定，加強照明LED燈照明的總功率應不小于15 kW。本文采用計算機仿真程序對入口段1的照明效果進行分析，并以整燈光通量23 000 lm、對稱布置間距2 m為計算參數(shù)進行計算機仿真。隧道入口段1的照度空間分布及路面亮度分布如圖5所示。以浙江省金麗溫高速公路黃崗隧道為例，其改造前加強照明高壓鈉燈的總功率為53.7 kW，改造后LED燈的總功率為15.14 kW，節(jié)能率達71.8%。

圖5　黃崗隧道加強照明亮度分布

以洞外亮度3 000 cd/m2為例，根據(jù)規(guī)范要求則洞內(nèi)路面最小亮度須為75 cd/m2，考慮到運營期內(nèi)燈具本身的衰減及運營環(huán)境影響，燈具最低亮度須不小于96 cd/m2才能夠滿足運營安全需求。

綜上所述，隧道節(jié)能改造中，若基本照明部分采用光通量不小于3 500 lm的燈具，加強照明總功率不小于15 kW(整燈光效不小于100 lm/W)的前提下，則能夠滿足運營期間隧道亮度要求，且節(jié)能率均超過70%。由于LED燈能夠進行無級調(diào)光，使用過程中可以根據(jù)洞外亮度實時調(diào)光，因此具有更大的節(jié)能空間。

3.3隧道節(jié)能改造示范工程分析

浙江省金麗溫高速公路有限公司于2015年對黃崗隧道進行了LED燈節(jié)能改造。黃崗隧道長1 978 m，為考察改造效果，僅對隧道其中1幅進行改造，另外1幅仍然采用高壓鈉燈，同時還實施了智能控制系統(tǒng)和能耗管理平臺。隧道照明系統(tǒng)運行過程中，有2種控制模式，一種是嚴格按照隧道照明規(guī)范進行開啟，此種模式下，LED燈消耗功率較??；另一種是高壓鈉燈和LED燈具有同樣亮度的模式。黃崗隧道全功率等效開燈時間如表3和圖6所示。

由表3和圖6可以看出，現(xiàn)有高壓鈉燈加強照明部分的功率占比較大而開燈時間較短，燈具利用率較低，改造后的節(jié)能效益較差；高壓鈉燈基本照明部分的負荷占比較小而開燈時間較長，燈具利用率較高，改造后的節(jié)能效益較好。由此可知，隨著隧道長度增加，基本照明的負荷占比逐漸增加，在開燈時間一定的前提下，節(jié)能效益將隨長度增長而增高。

表3　黃崗隧道全功率開燈時間

圖6　黃岡隧道高壓鈉燈等效開燈時間

4結論

1) 隧道照明中，加強照明配置功率較大，改造成本高，而開燈時間較短，所消耗的電量較少，利用率較低；基本照明的配置功率與隧道長度相關，改造成本較低，開燈時間較長，消耗的電量較大，燈具利用率較高。因此，基本照明采用LED燈進行改造綜合效益較好。

2) 根據(jù)現(xiàn)有照明設計規(guī)范，在雙側布置、布燈間距12或14 m的情況下，基本照明采用功率35 W、光通量不小于3 500 lm的LED燈具即可滿足運營安全需要。加強照明的總配置功率不小于15 kW就能達到規(guī)范要求的亮度。

3) 從金麗溫高速公路黃崗隧道的改造案例分析可知，隧道長度越長，基本照明功率占比就越大， 節(jié)能效益也越好。

參 考 文 獻

[1]中華人民共和國交通運輸部.公路水路交通運輸節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃[R].北京：中華人民共和國交通運輸部，2011.

[2]王亞瓊，謝永利，賴金星.隧道鈉燈與LED燈組合照明試驗研究與應用[J].地下空間與工程學報，2009(3)：505-509，524.

[3]屈志豪.隧道照明節(jié)能的幾個問題與建議[C]//中國高速公路隧道監(jiān)控與運營管理技術研討會論文集.北京：人民交通出版社，2008.

[4]許景峰.LED光源在隧道照明中的機遇與挑戰(zhàn)[J].燈與照明，2010(3)：31-35.

[5]招商局重慶交通科研設計院有限公司.JTG/T D70/2-01—2014公路隧道照明設計細則[S].北京：人民交通出版社，2014.

[6]韓直.公路隧道照明節(jié)能技術研究[C]//公路隧道運營管理與安全國際學術會議論文集.北京：人民交通出版社，2006.

[7]張志紅.隧道照明控制與節(jié)能技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2007.

Research on Application of Energy-saving Reconstruction Technology for Lighting in Highway Tunnels

ZHANG Naibin1, ZHAO Weibin1, MA Fei2

Abstract:Power consumption of lighting system in highway tunnels accounts for approximate 80% of total power consumption of tunnels, and the room for energy conservation and emission reduction is large. With improvement of quality and cost reduction, LED lamps are taking place of high-pressure sodium lamps gradually. This paper introduces the features of power consumption of lighting system in tunnels first, and the proposes energy-saving reconstruction scheme for tunnel lighting based on the technical features of LED lamps, analyzes the energy-saving effect after reconstruction of demonstration project-Huanggang Tunnel in southern Zhejiang Province, and proposes the relationship between economic benefit of energy-saving reconstruction of tunnels and the length of tunnels.

Keywords:tunnel lighting; contract energy; benefit

文章編號：1009-6477(2016)02-0138-05

中圖分類號：U453.7

文獻標識碼：A

作者簡介：張乃斌(1979-)，男，浙江省麗水市人，本科，高工。

收稿日期：2015-09-06

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.030