王希良，李曉寒，韓美玲，別楚瀟，王亞楠

(石家莊鐵道大學 交通運輸學院，河北 石家莊 050043)

引言

隨著公路隧道數(shù)量和里程的增加，能耗問題日漸突出。據(jù)統(tǒng)計，全國公路隧道平均每年照明費用約為15萬元/km[1]。隧道全天候均需照明來保證行駛安全與舒適，照明系統(tǒng)是公路隧道的重要組成部分，也是主要的用電系統(tǒng)，由于設置不合理等原因，大大增加運營成本，如何在確保隧道安全行車的情況下有效地降低能耗是當前急需解決的問題。

近年來，國內(nèi)外學者針對隧道節(jié)能做了相關研究。楊超等[2]對智能控制隧道照明節(jié)能進行了總結(jié)和分析，發(fā)現(xiàn)LED燈比普通高壓鈉燈省電50%～60%，根據(jù)配光設計的LED比傳統(tǒng)的LED節(jié)能12%左右。楊超和黃傳茂[3]建立了九景高速公路雁列山隧道中間段中央布燈的參數(shù)優(yōu)化模型，對燈具安裝高度、縱向安裝間距和單燈功率等參數(shù)進行優(yōu)化，節(jié)能性超過40%，并采用DIALux軟件驗證了優(yōu)化結(jié)果。李列[4]提出采用多級調(diào)光控制策略實現(xiàn)隧道照明節(jié)能的目標，但不能根據(jù)隧道的周圍環(huán)境實現(xiàn)智能控制。孫巧燕等[5]以資產(chǎn)全壽命周期成本計算為基礎，全面考慮資產(chǎn)投資、運營，選取高壓鈉燈和LED光源進行對比研究，LED燈節(jié)能效果顯著。上述研究表明，通過改變布燈方式、優(yōu)化燈具參數(shù)、布設發(fā)光反光涂料、多級調(diào)光控制隧道照明有助于交通安全和節(jié)能，但對隧道整段布燈方法、基于天氣環(huán)境變化線路的實時控制方法研究較少。

本文主要研究分析不同長度范圍內(nèi)布燈方式、布燈參數(shù)、混合組合燈具、實時線路控制方法對道路照明質(zhì)量和照明能耗的影響。根據(jù)不同季節(jié)、天氣變化實時調(diào)控線路亮度等級，并利用DIALux照明仿真軟件，模擬布燈方式、混合組合燈具、不同天氣環(huán)境下的隧道道路照明亮度場景，驗證其可靠性，促使隧道照明更加安全和節(jié)能。

1 隧道照明整體布燈方案研究

以某隧道為依托工程，采用照明軟件DIALux建立隧道模型。隧道模型全長L=1 000 m，路寬為10.8 m，隧道凈高為7 m，隧道內(nèi)全部采用水泥混凝土路面，設計速度為80 km/h，N=750 veh/h·ln墻面設定反射率為0.85的材料，洞門隧道洞口亮度為3 000 cd/m2。

根據(jù)《公路隧道照明設計細則》(JTG/TD70/2-01—2014)[6]規(guī)范，計算各段的長度和理論亮度值如表1所示。

表1 隧道整段亮度值

入口段采用功率為150 W的LED燈，其單個燈具光通量為15 000 lm。過渡段、中間段、出口段采用功率為70 W的LED燈，其單個燈具光通量為8 920 lm，進行布燈方式研究，隧道布燈間距如表2所示。

表2 隧道布燈間距

2 隧道照明實驗仿真

主要研究兩側(cè)對稱布燈、兩側(cè)交錯布燈、中央布燈、中線偏側(cè)布燈四種不同布燈方式采取混合組合燈具、不同間距、安裝仰角、不同線路控制方案對隧道照明質(zhì)量以及能耗的影響。隧道照明實驗利用DIALux進行模擬，確定布燈方式、組合燈具，制定根據(jù)天氣變化的線路實時控制方案。

2.1 隧道布燈方式對比

考慮布燈方式、布燈間距對道路照明、能耗的影響，隧道各段布燈方式分別采用如表2所述的布燈間距進行對比分析，利用DIALux建立隧道模型，燈具安裝高度H為5.6 m，維護系數(shù)為0.8，兩側(cè)對稱、兩側(cè)交錯、中線偏側(cè)布燈安裝仰角為20°，中央布燈仰角為0°，兩側(cè)布燈縱向安裝間距為2 m，中線偏側(cè)布燈為1 m，隧道2 m處往下添加反射率為0.85的發(fā)光反光涂料。入口段1、入口段2采用150 W的LED燈，過渡段、中間段、出口段采用70 W的LED燈進行布置研究，其他條件不變。根據(jù)上述布燈參數(shù)，求得路面照度值及消耗的總功率。隧道入口段的立體空間模型如圖1所示，利用DIALux根據(jù)不同間距、不同燈具布置參數(shù)進行反復試驗，得出整體隧道的布燈方案。

圖1 隧道3D模型效果圖

以入口1段為例詳細分析四種布燈方式的照度值、均勻度、所需能耗值等參數(shù)如表3所示。

表3 入口段1不同布燈方式、布燈間距、功率下的道路照度值

由表3可知，四種布燈方式下的照度值和均勻度都滿足行車安全需求，中央布燈、兩側(cè)對稱布燈和兩側(cè)交錯布燈均勻度相差較小時，為了緩解進入洞口處黑洞效應的影響，建議取照度值偏大的方案。中央布燈路面平均照度值最大，比其他三種方式的照度值大70 lx左右，相差較大，且功率較低。因此，入口段1優(yōu)先選擇中央布燈方式。

DIALux軟件經(jīng)過28次照明模擬分析，選取道路照度值、均勻度均滿足行車舒適性要求，同時能耗低的方案。平均照度與平均亮度換算系數(shù)按照JTG/TD 70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》[6]的取值為10 lx/(cd·m-2)。通過照度數(shù)據(jù)分析，中線偏側(cè)布燈方式照明質(zhì)量、耗能都是最差，布燈間距小于或等于9 m時優(yōu)先選擇兩側(cè)對稱布燈和中央布燈方式，布燈間距大于9 m時兩側(cè)交錯布燈優(yōu)于兩側(cè)對稱布燈，布燈間距大于14 m時，優(yōu)先選擇兩側(cè)交錯布燈和中央布燈方式。在亮度差別很小，滿足安全行駛的情況下，選擇均勻度更高、更加節(jié)能的布燈方式，如果亮度差別很大，尤其在出入口，為了緩解“黑洞效應”、“白洞效應”選擇亮度更大的布燈方案。各段采取的布燈方案如表4所示。

2.2 隧道線路控制方案

1)隧道燈具組合照明仿真。入口段1、入口段2選用150 W高壓鈉燈、LED燈、152 W的無極燈。過渡段1、過渡段2、中間段、出口1、出口2采用70 W LED燈、高壓鈉燈、74 W無極燈。采用LED燈、高壓鈉燈、無極燈、LED+高壓鈉燈、LED+無極燈、高壓鈉燈+無極燈，6種混合燈具組合形式導入DIALux中模擬隧道道路照明情況。

表4 隧道布燈方式及亮度值

表5 燈具光源特性對比分析

由表5可知，LED燈、無極燈使用壽命長，實際光效高，有效照度高，顯色指數(shù)、色溫值高，都屬于綠色光源，高壓鈉燈與前兩者相比在光源特性指標方面處于劣勢，優(yōu)先選擇前兩者。并且LED燈、無極燈啟動時間短，具有優(yōu)異的調(diào)光性能，光線柔和、無頻閃，可以進行無極調(diào)光，在降低照明水平的同時，不影響照明均勻度，而且可連續(xù)變化，符合人眼的視覺生理特性，節(jié)能顯著且視覺效果比高壓鈉燈好。高壓鈉燈是一種線光源，基于一條很窄的局部發(fā)光原理，發(fā)光點光密度非常高，易使人產(chǎn)生不適感且易疲勞，啟動時間較長。隧道屬于高耗能場所，對高效節(jié)能光源需求更是迫切，長壽命、低光衰、顯色性高、無頻閃、可以進行無極調(diào)光、少維修或免維修LED燈、無極燈是隧道的首選。

根據(jù)光源性能，燈具參數(shù)特點，道路照明質(zhì)量，節(jié)能環(huán)保性，初投資與運營費用，選擇最優(yōu)燈具組合方案。初投資與運營費用主要從燈具費用、用電費用、維護費用[7]等進行考慮，公式表示為：

Pt=PL+Pe+Pm

(1)

式中，Pt為照明總費用；PL為燈具費用(包括安裝費用)；Pe為用電費用；Pm為維修費用。其中，高壓鈉燈安裝費用為600元，LED為3 000元，無極燈為2 500元，國家政策補貼指標LED 1 000元，無極燈500元，高壓鈉燈無。將補貼折算，則高壓鈉燈為600元，LED燈和無極燈為2 000元。通過廠商和用戶調(diào)查數(shù)據(jù)，一般高壓鈉燈每兩季度要進行一次維護，每次維護的人工費和材料費需要105元/套；而LED燈每年維護一次即可，每次維護的人工費用和材料費用需要140元/套?；菊彰鳠艟甙疵刻焓褂?0 h考慮，加強照明燈具按每天使用10 h考慮[7]，每度電的價格為0.85元。

隧道各段根據(jù)表4所示布燈方式模擬混合燈具組合下的道路照明質(zhì)量，結(jié)果顯示：

入口段1、入口段2、過渡段1、出口段1、出口段2，照明質(zhì)量均為LED>LED+高壓鈉燈>LED+無極燈>高壓鈉燈>高壓鈉燈+無極燈>無極燈；

過渡段2，照明質(zhì)量為LED>LED+高壓鈉燈>高壓鈉燈+無極燈>高壓鈉>LED+無極燈>無極燈；

中間段，照明質(zhì)量為LED>LED+高壓鈉燈>高壓鈉>LED+無極燈>無極燈>高壓鈉燈+無極燈。

圖2 隧道運營費用

在隧道出入口處的燈具應具有一定的透霧性能和透視性能，光效良好并節(jié)能環(huán)保。高壓鈉燈、無極燈光照效果良好、透霧性強適合雨霧天氣道路照明，但長壽命、低光衰、顯色性高、無頻閃、免維修的無極燈是隧道的首選。根據(jù)初期燈具投資、后期燈具維修、照明電費費用，進行5.5年、13.5年、16年、25年照明費用統(tǒng)計分析(部分圖如圖2所示)，LED+無極燈的投資隨著時間的推移優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來。根據(jù)光源性能、道路照明質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保、初投資與運營費用、應用前景以及模擬仿真結(jié)果，入口1、入口2、過渡1、出口1、出口2采用LED+無極燈+中央布燈，過渡2采用高壓鈉燈+無極燈+兩側(cè)交錯布燈，中間段采用LED+無極燈+兩側(cè)交錯布燈方式。

2)隧道燈具線路控制方案。每段都有各自的線路控制方案，按照不同季節(jié)、不同天氣變化，調(diào)節(jié)隧道入口段、過渡段和出口段的亮度水平，使隧道內(nèi)亮度適應于洞外亮度的變化。采取分級調(diào)光控制法，每段燈具組線路根據(jù)夏季晴天、其他季節(jié)晴天/夏季云天、其他季節(jié)云天/夏季陰天、其他季節(jié)陰天/重陰天進行控制線路，采用不同的排列形式布置，分別開啟或關閉相應線路，實現(xiàn)隧道內(nèi)不同路段的照明亮度等級，保證行車安全。調(diào)光分級參考《公路隧道照明設計細則》[6](JTG/T D70/2-01—2014)如表6所示。

表6 白天加強照明調(diào)光分級

單向交通N：N≤350或350

據(jù)L20(S)、0.5L20(S)、0.25L20(S)、0.13L20(S)洞外亮度值，可得各段所需亮度值：

入口段1：a所需照度值為90 cd/m2，b為45 cd/m2，c為22.5 cd/m2，d為11.7 cd/m2。

入口段2：a所需照度值為45 cd/m2，b為22.5 cd/m2，c為11.25 cd/m2，d為5.85 cd/m2。

過渡段1：a所需照度值為13.5 cd/m2，b為6.75 cd/m2，c為3.38 cd/m2，d為1.76 cd/m2。

過渡段2：a所需照度值為4.5 cd/m2，b為2.25 cd/m2，c為1.13 cd/m2，d為0.59 cd/m2。

模擬每段僅開單線路或雙線路情況下道路的照度值，根據(jù)不同季節(jié)、天氣變化優(yōu)化線路選擇。線路A、C、M、G、I、K為LED線路控制線路，線路B、D、N、H、E、J、L為無極燈控制線路，線路F為高壓鈉燈控制線路。根據(jù)不同季節(jié)、天氣變化開啟關閉線路，經(jīng)12次模擬優(yōu)化線路控制圖如表7所示。

表7 隧道整體控制線路

3 張涿高速公路南安莊隧道應用研究

張涿高速公路南安莊隧道全長為2 997.0 m，隧道設計采用分離式洞室，設計隧道采用雙車道，隧道凈寬為12.75 m，高約為5.0 m，設計車速為80 km/h。該高速公路的建設將直接溝通河北北部與中部的交通往來，緩解北京市的交通壓力，對河北南北經(jīng)濟發(fā)展將起到關鍵的作用。

優(yōu)化南安莊隧道照明，隧道分成7段，入口段1、入口段2、過渡段1、出口段1、出口段2采用LED+無極燈+中央布燈，過渡段2采用高壓鈉燈+無極燈+兩側(cè)交錯布燈、中間段采用LED+無極燈+兩側(cè)交錯布燈。對改造后的隧道進行統(tǒng)計分析。結(jié)果如表8所示。

表8 隧道照明方案

根據(jù)不同季節(jié)、天氣變化對線路進行實時控制，結(jié)合南安莊隧道的實際情況，仿真模擬分析得線路控制方案。A、C、G、M、I、K為LED控制線路，B、D、H、F、N、J、L為無極燈控制線路，線路E為高壓鈉燈控制線路。

夏季晴天隧道照明控制線路為：

A+B+C+D+M+N+G+H+E+F+I+J+K+L

其他季節(jié)晴天/夏季云天隧道照明控制線路為：

A+C+M+N+G+E+F+I+J+K+L

其他季節(jié)云天/夏季陰天隧道照明控制線路：

A/(B)+C/(D)+M+N+G/(H)+E+I+J+K+L

其他季節(jié)陰天/重陰天或夜晚隧道照明控制線路：

A/(B)+C/(D)+M+N+G/(H)+E+I+J+K+L

假設夏季全是晴天占1/4耗能費用為C1，其他季節(jié)晴天/夏季云天占2/4為C2，其他季節(jié)云天/夏季陰天與其他季節(jié)陰天/重陰天是相同控制線路占1/4為C3，一年的耗電量Cq為

(2)

式中，m取1、2、3、4，P為采用燈具功率，h基本段為20 h，加強段為10 h，n為燈具數(shù)量，ρ為每度電的價格，取0.85元/kW·h。

根據(jù)實時監(jiān)測洞外亮度變化對照明燈具進行智能調(diào)節(jié)，計算得四季耗能C1為2.21萬元，C2為3.48萬元，C3為1.69萬元，方案優(yōu)化后一年耗電費Cq用7.38萬元，原系統(tǒng)采用LED燈，燈具功率為40 W，采用兩側(cè)對稱布燈方式，布燈間距為15 m，一年電費為9.16萬元，則優(yōu)化方案比原方案節(jié)能19%，既保證了隧道洞內(nèi)照度與洞外道路照度的完美連接，又滿足了不同天氣情況下、不同道路狀況下的照明要求，避免過度照明和照明不足，使隧道照明更加安全和節(jié)能。

4 結(jié)語

通過對隧道入口段、過渡段、中間段、出口段照明布燈參數(shù)的優(yōu)化及布燈方式的對比分析，得到布燈方式、布燈參數(shù)與照明質(zhì)量、能耗的關系。因此，隧道布燈方案：入口段1、入口段2、過渡段1、出口段1、出口段2布燈間距小于9 m采用中央布燈方式；過渡段2、中間段布燈間距大于14 m采用兩側(cè)交錯布燈方式。

采用LED燈、高壓鈉燈、無極燈、LED+高壓鈉燈、LED+無極燈、高壓鈉燈+無極燈6種混合燈具組合方案，從光源特性、照明質(zhì)量和近期、遠期運營費用等方面對6種混合燈具布燈進行綜合分析，確定了入口1、入口2、過渡1、出口1、出口2 采用LED+無極燈+中央布燈，過渡2采用高壓鈉燈+無極燈+兩側(cè)交錯布燈，中間段采用LED+無極燈+兩側(cè)交錯布燈的組合布燈方案。

制定基于天氣環(huán)境變化的線路實時控制方案，實時監(jiān)測洞外亮度對洞內(nèi)燈具亮度進行智能調(diào)控，分別開啟或關閉相應線路，實現(xiàn)隧道內(nèi)不同路段的照明亮度等級，保證行車安全。并以張涿高速公路南安莊隧道為例，驗證了整段布燈方式、線路實時調(diào)控方法的可靠性。