貝登榮，殷 杰，夏楊于雨，王 乾

(1.廣東省高速公路有限公司，廣東 廣州 510000；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067；4.?？谑惺姓こ淘O(shè)計研究院，海南 ?？?570208)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各等級公路向山嶺地區(qū)延伸，公路隧道的數(shù)量逐年增多。然而，隧道照明將消耗巨大的電能，因此，在不降低隧道服務(wù)質(zhì)量的前提下，如何實(shí)現(xiàn)隧道照明節(jié)能成為重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。通過研發(fā)新型燈具、優(yōu)化系統(tǒng)控制技術(shù)、應(yīng)用功能性材料等，可以實(shí)現(xiàn)有效地降低隧道照明電能消耗的目的[1,2]。

目前，高效的LED燈已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于公路隧道照明，在保證同樣路面亮度的情況下，LED燈的功率能減少40%左右，亮度均勻度也更優(yōu)，使得隧道內(nèi)行車的視覺信息更加清晰[3，4]。隨著LED燈的廣泛應(yīng)用，對隧道照明系統(tǒng)的控制模式研究也取得了相應(yīng)進(jìn)展[5，6]，實(shí)現(xiàn)了從燈群組控制、燈管陣列控制到無級調(diào)光的控制模式，真正滿足隧道“按需照明”的要求。反光、蓄光材料本身的發(fā)光作用使隧道側(cè)壁具有一定的亮度，其對光的高反射率在一定程度上改善了隧道照明環(huán)境[7]，工程應(yīng)用表明：隧道出入口應(yīng)用蓄光材料后晴天的照明耗能將減小50%[8]。在太陽能和風(fēng)能豐富的地區(qū)，可以充分開發(fā)新型能源為隧道照明及其他機(jī)電設(shè)施提供電能[9-11]。管理人員定期維護(hù)照明燈具和控制設(shè)備，定期檢修光源及附件設(shè)施，保證照明燈具有0.6以上的維護(hù)系數(shù)，隧道照明系統(tǒng)的維護(hù)管理也是隧道節(jié)能的關(guān)鍵[12，13]。

1 洞外減光結(jié)構(gòu)

1.1 入口段亮度設(shè)計

公路隧道照明對行車安全起著非常重要的作用，一般分為入口段照明、過渡段照明、中間段照明和出口照明。其中，入口段連接著洞外道路，起著路面亮度從洞外較高水平至洞內(nèi)較低的水平的過渡作用，其亮度標(biāo)準(zhǔn)最高。入口段亮度由洞外亮度、行車車速以及隧道長度等因素確定，常用方法有k值計算法、SRN主觀評價法和察覺對比度法[14]。我國相關(guān)規(guī)范采用k值計算法法，根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)，入口段宜由TH1、TH2兩個照明段組成，對應(yīng)的亮度可分別按式(1)及式(2)計算。

Lth1=k×L20(S)

(1)

Lth2=0.5×k×L20(S)

(2)

式中：Lth1為入口段TH1的亮度(cd/m2)；Lth2為入口段TH2的亮度(cd/m2)；k為入口段亮度折減系數(shù)，可按表1取值；L20(S)為洞外亮度(cd/m2)。

表1 入口段亮度折減系數(shù)

注：當(dāng)交通量在其中間值時，用內(nèi)插法取值。

洞外亮度L20(S)是指在接近段起點(diǎn)S處，高度距離地面1.5 m，正對洞口方向20°視場實(shí)測得到的平均亮度，如圖1所示。隧道洞外亮度值是洞內(nèi)照明系統(tǒng)設(shè)計的重要參考數(shù)據(jù)，因此，洞外亮度對隧道運(yùn)營的電能消耗有很大的影響。

圖1 洞外亮度L20(S)測試示意圖Fig.1 The testing of access zone luminance L20(S)

1.2 減光結(jié)構(gòu)物形式

隧道入口段照明保證了駕駛者以一定的運(yùn)行速度進(jìn)入隧道時能夠識別到路面上的障礙物，其亮度標(biāo)準(zhǔn)必須與洞外亮度保持一定的比例關(guān)系，洞外的環(huán)境亮度越高，洞內(nèi)的人工照明的亮度也需要相應(yīng)越高，消耗的電能就越高。

近年來，我國的部分城市道路隧道設(shè)置了洞外減光結(jié)構(gòu)，這些減光結(jié)構(gòu)在一定程度上起到了減光作用，同時也提升隧道洞口的景觀效果，如圖2所示。但是，圖2或類似的減光結(jié)構(gòu)物難以與山嶺地區(qū)的高速公路隧道相融合，根據(jù)相關(guān)研究[15-18]，提出一種利用綠色藤蔓遮擋自然光的高速公路隧道洞外減光結(jié)構(gòu)，在高速公路毗鄰隧道出口和入口連接段有較少應(yīng)用，如圖3所示。利用綠色藤蔓減光具有工程造價低，壽命長，維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，能與山嶺地區(qū)的自然環(huán)境相匹配，有很好的景觀效果。

圖2 隧道洞外減光結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of tunnel opening to reduce light

圖3 洞外綠化減光Fig.3 The green architecture to reduce light

2 節(jié)能效益分析

為探討高速公路隧道洞外減光的節(jié)能效益可行性，本文以長度為1 000 m、單洞單向2車道、限速80 km/h、縱坡1%的高速公路隧道為算例。

隧道入口段加強(qiáng)照明燈具按雙側(cè)對稱布置，配置方案見表2、表3。若采用高壓鈉燈時，每天全功率等效開燈時間為10 h，則50年營運(yùn)期的電費(fèi)為438萬元(電費(fèi)按1元/kW·h計算)，按每4年更換一次，需投入36萬元，合計474萬元；若采用LED燈，則50年營運(yùn)期的電費(fèi)為197.1萬元，按每8年更換一次，需投入64.8萬元，合計261.9萬元。

減光結(jié)構(gòu)采用矩形倒角斷面形式，凈空高度為7.0 m，縱向長度為80 m，橫向?qū)挾葹?4 m，綜合透光率30%左右。減光結(jié)構(gòu)的立柱采用325無縫鋼管，直徑為12 cm，用法蘭連接，布置于道路護(hù)欄外側(cè)，縱向間距為10 m。鋼管之間采用直徑為2 cm的鋼絞線十字交叉連接，構(gòu)成穩(wěn)定的支撐體系。頂部和兩側(cè)鋪設(shè)不銹鋼網(wǎng)，網(wǎng)的孔徑為5.0 cm。減光結(jié)構(gòu)一次性建成的造價為35萬元，見表4。

表2 入口段加強(qiáng)照明高壓鈉燈配置方案

表3 入口段加強(qiáng)照明LED燈配置方案

表4 減光結(jié)構(gòu)造價預(yù)估表

隧道減光結(jié)構(gòu)能有效地將洞外亮度降低為原來的30%左右，以隧道入口段、過渡段照明亮度順適為依據(jù)，通過計算，入口段加強(qiáng)照明燈具可省去原來的一半，其余照明段保持不變。因此，對于照明燈具為高壓鈉燈(LED燈)的隧道在50年運(yùn)營期能節(jié)約電能219×104kW·h(98.5×104kW·h)，占整個隧道照明能耗的22%左右。在均不考慮減光結(jié)構(gòu)和照明燈具維護(hù)成本的情況下，隧道洞外減光結(jié)構(gòu)在50年運(yùn)營期能節(jié)省費(fèi)用202萬元(高壓鈉燈)、95.9萬元(LED燈)。

3 結(jié)論

本文通過分析公路隧道照明節(jié)能研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，參考城市道路隧道和高速公路毗鄰隧道的洞外減光結(jié)構(gòu)，提出一種利用綠色藤蔓、適應(yīng)山嶺地區(qū)自然環(huán)境的高速公路隧道洞外減光結(jié)構(gòu)。長度為1 000 m的高速公路隧道在設(shè)置洞外減光結(jié)構(gòu)的50年營運(yùn)期可節(jié)約22%的電能，照明燈具為高壓鈉燈(LED燈)的隧道可節(jié)省費(fèi)用202萬元(95.9萬元)，其節(jié)能效益較好。

在減光結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于山嶺地區(qū)的高速公路隧道之前，應(yīng)該對減光結(jié)構(gòu)的減光效果及通過車輛的行車安全做進(jìn)一步的研究。