段玉良，李 卓，滕兆娣，王曉明

(1.中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007; 2.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，西安 710075；3.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089; 4.中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100195)

引言

目前，我國已是世界上公路隧道最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家。截至2019年底，全國公路隧道19 067處、1 896.66萬米，較上年增加1 329處、173.05萬米,其中特長隧道1 175處、521.75萬米，長隧道4 784處、826.31萬米[1]。

常規(guī)理念的隧道人工照明系統(tǒng)中，LED燈具已成為應(yīng)用主流。新建隧道多采用LED隧道并設(shè)置根據(jù)洞外亮度、車流量等變化進行實時無級調(diào)光智能照明調(diào)光系統(tǒng)；隧道運營年限較長、采用高壓鈉燈等其它光源的隧道，也在2019年交通運輸部全國范圍內(nèi)組織開展的促進公路隧道提質(zhì)升級行動中，升級替換為LED及智能調(diào)光系統(tǒng)。

同時，由于常規(guī)LED隧道照明系統(tǒng)仍屬于人造光源，其運行仍需要耗費電能，而對太陽能等天然光的利用較少。因此，近年來，國內(nèi)外也提出了光伏發(fā)電系統(tǒng)、光導(dǎo)照明、蓄能發(fā)光涂料等新理念、新技術(shù)，并展開了一些試點性的研究。

不可否認，LED燈具及智能調(diào)光系統(tǒng)的應(yīng)用，對隧道照明節(jié)能起到了非常積極的作用。但是，LED智能調(diào)光系統(tǒng)的節(jié)能評價、經(jīng)濟性評價仍缺少合理的分析體系和方法。如部分評價中，以已然逐步淘汰的高壓鈉燈作為節(jié)能對比對象；部分評價雖然以LED進行對比，但其節(jié)能效果以LED全天全功率運行進行節(jié)電率分析；顯然，建立在上述對比方法基礎(chǔ)上的節(jié)能和經(jīng)濟性評價并不能反映實際情況。

新理念新技術(shù)應(yīng)用方面，太陽能等綠色能源的利用提供了新的思路和前景。但由于LED智能調(diào)光系統(tǒng)的運營電費實施前難以預(yù)估，也造成經(jīng)濟性評價較為困難，部分項目經(jīng)濟評價中通過放大傳統(tǒng)LED照明系統(tǒng)的全功率運行時間和電費，來實現(xiàn)經(jīng)濟性評價理論計算中的經(jīng)濟合理和可推廣性。

出現(xiàn)這一現(xiàn)實問題的原因主要在于，LED照明系統(tǒng)的調(diào)光需要以隧道洞外實時亮度為參數(shù)進行調(diào)光，其實際運營電費在設(shè)計階段較難估算。本文提出LED照明系統(tǒng)采用智能調(diào)光的節(jié)能對比分析和用電量估算方法，以期讓隧道照明新技術(shù)的節(jié)能和經(jīng)濟性評價更為客觀、公允。

1 隧道智能調(diào)光及節(jié)能基礎(chǔ)

1.1 隧道照明調(diào)光的節(jié)能基礎(chǔ)

隧道照明調(diào)光控制的核心問題在于實現(xiàn)“安全”和“節(jié)能”的均衡，不能為了“節(jié)能”過度壓減隧道照明指標。

隧道照明控制節(jié)能的主要原理是通過采用合理的控制方式、結(jié)合環(huán)境工況(隧道洞外亮度、洞內(nèi)能見度、天氣狀況等)、和運營工況(交通量、平均車速等)參數(shù)，結(jié)合控制系統(tǒng)所確定的算法，實現(xiàn)隧道照明的“按需照明”，減少過度照明，以實現(xiàn)節(jié)能。

由于LED燈具在啟動和調(diào)光方面具有快速、實時的優(yōu)勢，理論上可實現(xiàn)動態(tài)無級的平滑調(diào)光，工程應(yīng)用中可近似認為，LED照明系統(tǒng)根據(jù)實時檢測到的環(huán)境工況和運營工況數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時調(diào)光，即實現(xiàn)“按需照明”。

1.2 LED智能調(diào)光系統(tǒng)調(diào)光應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國新建隧道和改造項目多采用LED智能照明調(diào)光系統(tǒng)，其中以亮度無級調(diào)光最為常見，其調(diào)光策略是通過檢測實時洞外亮度L20(S)、實時交通量N、以及行車速度V，形成照明亮度需求模型與照明實時需求值；之后再結(jié)合燈具調(diào)光技術(shù)完成整個照明系統(tǒng)的實時調(diào)光。

隨著照明理論的發(fā)展，目前國內(nèi)外展開了基于輻射學(xué)、光環(huán)境理論等不同的研究，其研究思路有所差異，但均提出了隧道照明系統(tǒng)除應(yīng)結(jié)合洞外亮度進行洞內(nèi)亮度的實時調(diào)整外，還應(yīng)結(jié)合洞外色溫進行洞內(nèi)色溫的實時調(diào)整，即其調(diào)光策略中除上述的L20(S)、N、V三個實時測定變量外，還增加了洞外色溫Ra20(S)的實時測定變量。

1.3 LED智能調(diào)光系統(tǒng)節(jié)能評價的難點

隧道照明系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)需要滿足設(shè)計所考慮最不利狀況下的照明和用電需求，系統(tǒng)的設(shè)計和安裝功率，參考設(shè)計規(guī)范結(jié)合國內(nèi)調(diào)研經(jīng)驗數(shù)據(jù)所給出的建議值進行即可。

但是對于智能調(diào)光系統(tǒng)，由于L20(S)、N、V及Ra20(S)均為實時測定的隨機變量，不同地區(qū)、不同隧道均有不同的規(guī)律和實時值，在設(shè)計階段進行準確預(yù)測較為困難。這就造成了設(shè)計階段對系統(tǒng)的節(jié)能和經(jīng)濟性評價隨機性較大，采用不同的規(guī)律預(yù)測和變量數(shù)據(jù)設(shè)定，得到的運行用電量差異較大。

同樣，由于應(yīng)用LED智能調(diào)光系統(tǒng)的隧道照明運營用電量難以預(yù)測和估算，就使得采用遮光棚、光導(dǎo)照明、蓄能發(fā)光材料等新技術(shù)理念的課題及應(yīng)用研究中，經(jīng)濟性評價較為困難。

2 基于調(diào)光曲線的AutoCAD圖形法節(jié)能率評價

2.1 節(jié)能評價統(tǒng)一對比模型選擇

目前，不同調(diào)光系統(tǒng)或新理念新技術(shù)中涉及較多專利，而對于工程應(yīng)用，同樣并不需要過度關(guān)注不同調(diào)光或節(jié)能的具體技術(shù)細節(jié)，對于其應(yīng)用與推廣可以參考“黑箱理論”，只關(guān)注采用該系統(tǒng)時，所增加的設(shè)備投資能否通過運營節(jié)能收回并取得較好的經(jīng)濟性收益；或者雖然有一定的投資增加，但可較好地提高行車安全性、舒適度等。

由于舒適度等現(xiàn)階段較難以進行定量分析，因此，在現(xiàn)階段的節(jié)能評價中，在保證滿足國家規(guī)范所要求的照明指標的前提下，節(jié)能和經(jīng)濟性評價仍應(yīng)放在首位。

實際運營和節(jié)能評價中，可以近似認為LED燈具無級調(diào)光后，可使照明系統(tǒng)始終運行在規(guī)范所規(guī)定的“按需照明”臨界值。因此，可以將規(guī)范所規(guī)定的照明最低指標作為不同調(diào)光系統(tǒng)的節(jié)能和經(jīng)濟性評價的統(tǒng)一對比模型。當(dāng)需要考慮照明系統(tǒng)的安全冗余時，將該照明需求指標適當(dāng)放大考慮安全冗余系數(shù)即可。

2.2 節(jié)能評價的理論基礎(chǔ)

2.2.1 隧道照明計算基礎(chǔ)

根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細則》規(guī)定，隧道照明計算如下：

(1)隧道亮(照)度計算

隧道照明主要分為入口段、過渡段、中間段、出口段。其照明計算中，入口段1的亮度Lth1計算見式1，入口段2、過渡段1、過渡段2、過渡段3的亮度值Lth2、Ltr1、Ltr2、Ltr3分別取Lth1的0.5、0.15、0.05、0.02倍[2]。

Lth1=k×L20(S)

(1)

式中，L20(S)為洞外亮度(cd/m2)；k為入口段亮度折減系數(shù)。

隧道中間段照明亮度Lin根據(jù)交通情況(單向或雙向交通、行車或行人)、交通量及隧道設(shè)計速度查表確定；出口段分為出口段1和出口段2，其亮度Lex1、Lex2分別為Lin的3倍和5倍。

由于亮度的計算較為復(fù)雜、計算量較大且由于計算中涉及多個假定的技術(shù)按參數(shù)，因此，工程應(yīng)用中，隧道照明亮度的手工計算中，多采用平均換算系數(shù)法進行，在無實測條件下，黑色瀝青路面可取15 lx/(cd·m-2)，即照度Eav等于15倍的亮度L。平均照明計算見式(2)。

(2)

式中：Eav——平均照度(lx)；

η——利用系數(shù),查燈具參數(shù)表進行確定；

φ——傳統(tǒng)光源的光通量或LED燈具的整燈光通量，為廠家產(chǎn)品參數(shù)；

ω——燈具布置系數(shù)；計算燈具光通量照明面積與W·S相同時，選1；

M——燈具的維護系數(shù)，根據(jù)目前規(guī)范，宜取0.7；

W·S——燈具照明的面積，即隧道路面寬度(m)與布燈間距(m)之積；

LpW——LED燈具的燈具效能(lm/W)；

Pd——LED燈具的整燈(或?qū)崟r運行)功率，含電氣附件功率等。

(2)隧道各照明段的長度計算

入口段長度根據(jù)隧道停車視距、隧道洞內(nèi)凈空高度計算；過渡段長度根據(jù)入口段長度及設(shè)計速度進行計算；出口段1和2通常取30 m，其余為中間段。

通常，隧道照明調(diào)光系統(tǒng)的節(jié)能控制僅涉及對各照明段的照(亮)度調(diào)整，而不涉及對照明段的調(diào)整。

2.2.2 不同調(diào)光系統(tǒng)節(jié)電率計算分析

對于特定的隧道，在某一特定時刻t0，其洞外亮度L20(S)、實時交通量N、設(shè)計速度V對于不同調(diào)光系統(tǒng)是相同的，此時，有以下結(jié)論：

1)在任一時刻t，應(yīng)用不同的調(diào)光系統(tǒng)，所基于和面對的實時洞外亮度、交通量、運行速度等均相同。此時隧道各加強照明段、中間段等的實時亮(照)度需求值是特定的，不受照明調(diào)光系統(tǒng)及其它新技術(shù)選用的影響；

2)由于燈具的安裝功率和布置方式結(jié)合假定的洞外亮度L20(S)、工可預(yù)測交通量N、設(shè)計速度V等確定，與調(diào)光系統(tǒng)無關(guān)；而對于任一時刻t，其運行功率受該時刻的L20(S)、交通量N、設(shè)計速度V影響；

3)通過式(1)可以看出，亮度需求值(及實時運行功率)與各計算參數(shù)變量均為正比關(guān)系，因此亮度需求值，是一個圓滑的連續(xù)曲線(如圖2中的曲線1)。

4)實際應(yīng)用中，考慮安全等因素，照明調(diào)光不能過于頻繁，需要L20(S)、N、V的實時值按一定的區(qū)間進行近似簡化并調(diào)光，即隧道調(diào)光的亮度曲線需要將亮度實時需求曲線的連續(xù)曲線簡化為階梯式的曲線(如圖2中的曲線2)。

不同調(diào)光系統(tǒng)的節(jié)電基礎(chǔ)是根據(jù)實時值，讓各燈具在其設(shè)定的曲線在不同的情況下降功率運行。不同廠家對調(diào)光曲線級數(shù)及數(shù)值設(shè)定不同，帶來不同的節(jié)電效果，設(shè)置的調(diào)光級數(shù)越多，各級的設(shè)定值越接近亮度實時需求曲線，則節(jié)電效果越好。

5)根據(jù)上述結(jié)論4)可知，不同調(diào)光系統(tǒng)的照明和節(jié)能差異在于不同的L20(S)、N、V時，其亮(照)度的實時取值設(shè)定。由于各照明段的照度計算均采用式(2)進行計算，對于特定隧道，其燈具選用及安裝均確定，即式中的η、LpW、M、W·S均是定值，此時，照度Eav僅取決且正比于燈具的實時運行功率Pd；可知照明調(diào)光系統(tǒng)所設(shè)定的各照明段的亮度均僅取決且正比于該段單位面積的運行功率；進而有各照明段的實時運行總功率等于單位面積的運行功率和各照明段面積(即路寬乘以照明段長度)的乘積；由于特定隧道的路寬是定值，在任一時刻，各照明段的實時運行功率僅取決且正比于照明亮度與照明段長度的積。即：

照明段功率∝(照明亮度×該照明段長度)

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)積分知識，以各照明段的長度和亮度為x軸和y軸建立坐標系(見圖2)，將不同調(diào)光系統(tǒng)的調(diào)光策略所設(shè)定的亮度曲線函數(shù)輸入坐標軸，根據(jù)積分知識，不同曲線與x軸的面積的比率就等于不同調(diào)光曲線(調(diào)光系統(tǒng))的實時功率之比，也就得到了兩個不同系統(tǒng)的節(jié)電率之比。

圖1 Excel求取隧道縱向長度位置與亮度坐標Fig.1 Excel to get the longitudinal length position and brightness coordinates of the tunnel

圖2 AutoCAD繪制隧道縱向位置的亮度曲線圖Fig.2 Bightness curve of tunnel longitudinal position drawn by AutoCAD

2.3 節(jié)電率評價的具體操作方法示例

對于工程設(shè)計人員，Excel和AutoCAD是最常見的軟件。其中，Excel具有較好的數(shù)值和函數(shù)運算能力，AutoCAD繪制曲線較為直觀且求取曲線面積極為簡單。因此，結(jié)合兩個軟件各自的操作優(yōu)勢，將函數(shù)積分轉(zhuǎn)化為AutoCAD中的圖形面積計算可極大的簡化不同調(diào)光系統(tǒng)節(jié)電率的計算。

下面以我國公路隧道規(guī)范要求的亮度曲線與CIE標準規(guī)定的適應(yīng)曲線要求的過渡段照明進行能耗對比分析，來說明圖形法在智能調(diào)光系統(tǒng)節(jié)能率評價方面的應(yīng)用。具體步驟如下：

(1)提取CIE的亮度模型曲線(以過渡段照明的適應(yīng)曲線為例)

根據(jù)CIE有關(guān)標準規(guī)定，隧道的過渡段照明適應(yīng)曲線為Ltr=Lth1(1.9+t)-1.4。

采用具體的智能調(diào)光產(chǎn)品時，由于調(diào)光策略中的亮度曲線函數(shù)是廠家進行軟件設(shè)置所必須的，因此，可由研發(fā)單位或廠家提供。

(2)通過Excel表格求取曲線繪圖點

以設(shè)計速度80 km/h，縱坡為0例進行計算，在Excel表中通過亮度曲線求取不同長度位置處對應(yīng)的亮度，Excel軟件計算見圖1。

圖1中，A列的自變量t，為亮度曲線的自變量，其步長可在Excel表中自行設(shè)定，本例以0.5s為例進行，步長設(shè)定越小，AutoCAD所繪制圖像越精確。

B列為隧道長度的縱向長度位置，即模型坐標系中的x坐標。

C列為x坐標對應(yīng)位置上的亮度值。

D列為合成的(x,y)坐標。在Excel2016的計算中，將B、C列的數(shù)值轉(zhuǎn)化為D列坐標的函數(shù)為D4=A4&","&C4。

相關(guān)計算函數(shù)及部分運算結(jié)果見表1。

表1 Excel求取隧道縱向長度位置與亮度坐標計算函數(shù)及結(jié)果

(3)在AutoCAD中繪制的亮度函數(shù)曲線

復(fù)制上述Excel表中所求的(x,y)坐標數(shù)據(jù)。

新建AutoCAD二維文件，輸入“PL”命令，并粘貼輸入所復(fù)制的(x,y)坐標信息，即可繪制出所求的亮度曲線。

(4)補充完善坐標軸和所要對比的基本對比模型的亮度曲線(本例為照明細則所規(guī)定的規(guī)范要求值)。補充完善后的亮度曲線如圖2所示。

(5)通過AutoCAD求取兩曲線與坐標軸的圍合面積，并求其比值，即可得到兩種亮度控制曲線的用電功率比。

對于示例所選取的兩種亮度曲線可求得，按我國照明規(guī)范進行調(diào)光與按CIE建議的亮度適應(yīng)曲線用電能耗比為1575：2037，即公路隧道過渡段采用我國規(guī)范進行調(diào)光約為CIE亮度適應(yīng)曲線的0.77倍。

2.4 基于調(diào)光曲線的AutoCAD圖形法節(jié)能率評價小結(jié)

2.4.1 主要應(yīng)用

(1)不同廠家產(chǎn)品的節(jié)能比選方面的作用和意義。目前應(yīng)用同樣調(diào)光原理(如均為定色溫亮度可調(diào)光)的系統(tǒng)，不同廠家的初始投資基本相當(dāng)，此時，其運行過程中的節(jié)電率就成為比選的重要方向。運用上述方法，可方便地利用Excel及AutoCAD軟件將不同廠家的不同智能調(diào)光系統(tǒng)中所設(shè)定的亮度調(diào)光策略計算公式或曲線，轉(zhuǎn)換為AutoCAD圖形，并求取不同系統(tǒng)的用電能耗比。

(2)對于建立統(tǒng)一對比模型和單一調(diào)光系統(tǒng)評價方面的意義。針對目前國內(nèi)外智能調(diào)光系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的對比標準，如果能通過相關(guān)規(guī)定要求，各廠家、課題研究，在其產(chǎn)品、成果的節(jié)能評價時，必須以規(guī)范要求值進行能耗對比，則可將不同廠家的節(jié)能對比分析均以規(guī)范值為統(tǒng)一對比模型。考慮到規(guī)范要求的值為調(diào)光中要求必須滿足的最低值，工程應(yīng)用調(diào)光亮度需要比規(guī)范要求的最低值高出部分安全余量，由于上述對比方法直接以廠家設(shè)定的曲線進行對比，因此，并不影響能耗的比選。

此時，定義調(diào)光系統(tǒng)的安全裕量系數(shù)及能耗運行系數(shù)如下：

1)將待評價調(diào)光系統(tǒng)的亮度曲線與規(guī)范要求亮度曲線的比值定義為安全裕量系數(shù)；

2)將某時刻下，待評價調(diào)光系統(tǒng)與規(guī)范要求系統(tǒng)值的用電能耗比定義為能耗運行系數(shù)。

則不同廠家均可以規(guī)范要求值為統(tǒng)一的對比模型，并聲明為“應(yīng)用廠家某系統(tǒng)時，照明安全裕量系數(shù)為a時，照明系統(tǒng)的能耗系運行數(shù)為b即可。

此時，對于不同廠家智能調(diào)光系統(tǒng)產(chǎn)品的運行節(jié)能率評價就均為直觀和簡單。

2.4.2 主要問題

該方法僅能對初始投資相當(dāng)，且可以方便取得廠家調(diào)光策略設(shè)定函數(shù)或曲線的不同LED智能調(diào)光系統(tǒng)進行運行節(jié)電率的對比性分析。

但是，由于該方法未結(jié)合洞外亮度曲線等實時值，也就無法預(yù)估不同時段所需要降功率的幅度和運行時間長短，因些，仍無法直接對系統(tǒng)的年均用電量進行估算。這就造成當(dāng)兩個系統(tǒng)初始投資差異較大(如采用蓄能發(fā)光材料、光導(dǎo)系統(tǒng)等新技術(shù))時，由于無法估算系統(tǒng)的年運行電費及不同系統(tǒng)的運行電費差額，就無法進行資金回收年限和全壽命周期經(jīng)濟評價。

因此，仍有必要，參考上述圖形法進一步總結(jié)和研究不同系統(tǒng)的用電量。

3 基于洞外亮度曲線的AutoCAD圖形法用電量估算

3.1 年運營用電量的估算難點

第2章節(jié)方法可以求得不同智能調(diào)光系統(tǒng)的運行用電能耗比，由此可知：

(1)不同廠家智能調(diào)光系統(tǒng)用電量及經(jīng)濟性評價：將智能調(diào)光系統(tǒng)與規(guī)范要求最低亮度指標的用電能耗對比后，只需知道規(guī)范要求最低亮度指標的年用電量，即可求得采用智能調(diào)光系統(tǒng)時的用電量，并進一步進行經(jīng)濟性評價。

(2)應(yīng)用新理論理念的智能調(diào)光系統(tǒng)的經(jīng)濟性評價：將其與采用目前主流應(yīng)用的無級調(diào)亮度調(diào)光系統(tǒng)進行能耗對比后，只要知道采用該系統(tǒng)和常規(guī)無級調(diào)光系統(tǒng)年用電量及電費，即可從經(jīng)濟的角度評價該系統(tǒng)的推廣價值和意義。

(3)年運營用電量估算難點：由于隧道照明的亮度和運行功率并非恒定的，隨著變量L20(S)、N、V在實時變化，其全年用電量并不能以某個恒定功率乘以加強照明和基本照明、應(yīng)急照明的年開燈時間來計算。根據(jù)第2章節(jié)所述內(nèi)容可知，要估算求得滿足規(guī)范要求最低亮度指標的年用電量，必須取得并依托于全年不同日期、月份、季度的洞外亮度曲線情況進行加強照明用電量的計算。

3.2 用電量估算的經(jīng)驗類比法

由于涉及多個變量，計算困難，因此，對無級調(diào)光系統(tǒng)的年用量通?？刹捎媒?jīng)驗類比法進行估算。即選取項目周邊環(huán)境工況、和運營工況相近的同等規(guī)模隧道的年用量作為參考，再以該隧道調(diào)光策略的亮度曲線作為對比曲線采用上節(jié)方法求得不同調(diào)光系統(tǒng)的能耗比，推算出調(diào)光系統(tǒng)的用電量。

但是經(jīng)驗類比法仍然存在兩個問題：一是所選取的參考隧道與擬估算隧道的各種參數(shù)條件的差異極大的影響估算結(jié)果；二是，所選取的參考隧道照明系統(tǒng)本身是否為全壽命周期經(jīng)濟最優(yōu)、是否還有較大優(yōu)化空間、運營中調(diào)光系統(tǒng)是否得到有效運行等情況較難確定和控制。這就造成不同人員選取不同隧道其計算結(jié)果可能存在較大偏差，進而影響相關(guān)計算和評價的客觀性。

3.3 基于洞外亮度曲線的AutoCAD圖形法用電量估算

3.3.1 智能調(diào)光系統(tǒng)實時檢測參數(shù)對照明亮度的影響分析

隧道照明智能調(diào)光系統(tǒng)涉及到的L20(S)、N、V三個因變量有以下特點：

1)行車速度V需要統(tǒng)計多個車輛的行車速度，且高速公路隧道中多數(shù)車輛均根據(jù)限速要求行駛；因此用電量估算時，可認為V為恒定且接近設(shè)計速度，其照明計算系數(shù)的影響較小。

2)公路隧道中，交通量N增長較為緩慢。結(jié)合我國公路隧道交通量增長規(guī)律，可以認為通常一個照明分期(5年)內(nèi)對照明折減系數(shù)的較小。

3)對部分高速公路隧道長隧道照明的分析，入口段過渡段照明通常占全線用電量的70%左右，而洞外亮度L20(S)由于在全天不同時段差異極大，根據(jù)入口段亮度計算公式可以看出，洞外亮度的值的變化幅度可達數(shù)千cd/m2，是照明調(diào)光的最主要因素。

因此，對于入口段和過渡段照明，目前主流調(diào)光系統(tǒng)多將僅將V、N的數(shù)據(jù)用于劃分大的照明等級，不頻繁調(diào)整；進而將無級實時調(diào)光的因變量簡化為L20(S)。

對于中間段和出口段，由于用電量相對較小，考慮上述V、N的變量特點，簡單分級調(diào)光即可。以下主要對入口段和過渡段的實時調(diào)光用電量估算展開相關(guān)分析和研究。

3.3.2 入口段和過渡段用電量計算理論基礎(chǔ)

用電量 (kWh)=運行功率P(kW)×開燈時間t(h)

同上述節(jié)電率求取的思路類似，通過公式1所描述的隧道亮(照)度計算公式，可以看出，對于特定隧道確定了燈具和調(diào)光系統(tǒng)，用電量僅取決于洞外亮度的實時值和該亮度值的維持時間。即

用電量∝(洞外亮度的實時值×該洞外亮度的維持時間t)

由于不考慮調(diào)光的全功率運行(假定全功率運行剛好滿足設(shè)計假定的洞外亮度值，本文假定洞外亮度取3 000 cd/m2)的用電量就是安裝功率與開燈時間的積，很容易計算，因此，可以將全功率運行時的洞外亮度曲線作為對比的基礎(chǔ)曲線。應(yīng)注意，由于安裝功率按假定洞外亮度進行計算和安裝，因此，當(dāng)洞外亮度大于假定的洞外亮度時，用電量計算時應(yīng)按假定洞外亮度值進行。

根據(jù)積分知識：以洞外亮度為y軸、洞外亮度的維持時間t為x軸建立坐標系，通過求取洞外實時亮度曲線、全功率運行，分別與x軸圍合的面積,這兩個面積之比即為用電量之比。就可以通過全功率運行的電費求得根據(jù)洞外亮度變化實時調(diào)光后的用電量。

因此，求取采用無級調(diào)光系統(tǒng)后的用電量則轉(zhuǎn)變?yōu)閷Χ赐饬炼惹€的求取。

3.3.3 洞外亮度曲線的取得

(1)洞外亮度曲線的簡化：雖然隧道洞口的天氣和洞外亮度每天均在變化，但由于隧道照明調(diào)光系統(tǒng)評價中，主要以年單位時間段進行用電量及回收期的估算和評價。因此追求完全準確的日變化曲線進行節(jié)能和經(jīng)濟評價即不現(xiàn)實也無意義，評價中選用經(jīng)過簡化、相對穩(wěn)定的月平均曲線、季度平均曲線、年平均曲線等即可。

(2)洞外亮度曲線的觀測取得：目前洞外亮度曲線求取主要通過長時間的觀測，對于新建隧道也主要是參考項目附近情況相近的隧道實測情況。

(3)洞外亮度曲線的模型取得：目前已有部分學(xué)者在嘗試通過不同的理念建立隧道洞外亮度模型，并結(jié)合實際調(diào)研進行模型的修正。2018年許景峰[3]結(jié)合重慶部分隧道建立了基于輻射度學(xué)的隧道洞外亮度不同月份的模型，文獻資料顯示，該模型與重慶、拉薩等地的實測結(jié)果誤差較小。根據(jù)該模型，可以獲得隧道洞外亮度的日變化曲線、月變化曲線、年變化曲線。

本文在采用類比法進行用電量估算時，結(jié)合許景峰等人建立模型的洞外亮度變化規(guī)律經(jīng)濟性分析。即采用該模型所得到的不同月份時，典型隧道洞外亮度曲線中每天中不同洞外亮度的時間，并與洞外亮度標準值(本文為3 000 cd/m2)進行對比，進而估算出全天的降功率比例和運行時間；進而求得考慮洞外亮度調(diào)光的用電量估算。

3.4 基于洞外亮度曲線的AutoCAD圖形法用電量計算示例

貴州某隧道為單洞雙車道單向行車，瀝青混凝土路面，隧道建筑限界凈寬10.25 m(行車道路面寬8.75 m)，凈高限界5 m，隧道設(shè)計速度為80 km/h。左線長2 908 m，右線長2 915 m。設(shè)計小時交通量為2017年197 veh/hln，2027年378 veh/hln，2037年867veh/hln，設(shè)計階段洞外亮度取3 000 cd/m2。

下面基于洞外亮度模型的AutoCAD圖形法對隧道進行用電量預(yù)估，主要步驟和方法如下。

3.4.1 入口段、過渡段的用電量估算

由于隧道入口段、過渡段的亮度與洞外亮度成正比，不考慮降功率調(diào)光時燈具效能的降低時，隧道實時用電功率與洞外亮度成正比。為此，此次按洞外亮度(3 000 cd/m2)的曲線為例進行分析。

(1)首先以洞外亮度為y軸、開燈時間為x軸建立坐標系。

(2)在CAD中，求得按規(guī)范要求的計算系數(shù)時下，全功率運行時的入口段和過渡段的洞外亮度曲線，并求得該曲線與x軸所圍合的面積。

(3)繪制各月份的典型洞外亮度曲線，并該曲線與x軸所圍合的面積。

由于缺少項目所在地的洞外亮度模型與曲線，此次參考上述許景峰所建立的重慶地區(qū)模型進行研究。該隧道為南向偏西的隧道，將參考模型中各月份亮度曲線導(dǎo)入AutoCAD中，為方便說明，且各月曲線本身必然與實際存在一定誤差，因此，為簡化計算，此次將相近月份的曲線按同一曲線簡化計算(按各月的具體曲線分別計算將更為符合實際)，如圖3所示。

圖3 洞外亮度年曲線簡化圖Fig.3 Simplified diagram of annual brightness curve outside the tunnel

(4)上述第2步和第3步所求得的兩個曲線與x軸所圍合的面積之比，即等于各月份的入口段和過渡段根據(jù)洞外亮度實時調(diào)光、和燈具全功率運行兩種情況的能耗比。

(5)求取燈具全功率運行的用電量。

該隧道單洞加強照明13.86 kW，白日開燈12 h，每月全功率用電量約4 990 kWh。

(6)通過上述第4步所求得的兩種運行模式的能耗比和第5步求得的全功率運行模式的用電量，即可求得根據(jù)洞外亮度實時調(diào)光時的用電量。

以該面積法求得不同月份隧道入口段、過渡段加強照明用電量見表2。

表2 隧道單洞入口段及過渡渡加強照明用電預(yù)估

3.4.2 中間段及出口段照明用電量估算

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，單向交通隧道夜間交通量小于350 veh/(h·ln)，夜間可只開啟應(yīng)急燈。

該隧道初期交通量較小，按夜間只開啟應(yīng)急燈計算，不考慮洞內(nèi)基本照明和應(yīng)急照明調(diào)光時，隧道單洞應(yīng)急照明年用電量為2.85 kW(應(yīng)急照明的安裝功率)×8 760 h(全年開燈時間)=24 966 kWh。洞內(nèi)基本照明和出口加強照明年用電量為11.82 kW(安裝功率)×4380 h(每天開燈12 h)=51 772 kWh。即單洞基本照明與應(yīng)急照明年用電約76 738 kWh，電費以0.8元/kWh計算，則年運行電費約61 390元。

當(dāng)考慮項目初期交通量較小，白天洞內(nèi)照明按1.5 cd/m2進行調(diào)光，則年用電量約60 675 kWh，電費約48 540元。

3.5 基于洞外亮度曲線的AutoCAD圖形法用電量估算小結(jié)

(1)由于隧道全功率運行時的用電量較容易計算，因此，可以將全功率運行做為智能調(diào)光用電量計算的基礎(chǔ)對比曲線。

(2)根據(jù)照明計算參數(shù)變化及其對照明調(diào)光的影響程度，隧道用電量估算，可以分成入口段和過渡段照明、中間段照明和出口段照明兩部分分別計算。其中入口段和過渡段照明可以基于洞外亮度曲線通過圖形法進行用電量計算。

(3)計算采用常規(guī)的LED燈具及無級調(diào)光系統(tǒng)的年用電量及電費，則可采用遮光棚、光導(dǎo)、蓄能發(fā)光材料等系統(tǒng)的節(jié)能和經(jīng)濟性做出相對客觀的評價。

4 結(jié)論

目前LED燈具及無級調(diào)光系統(tǒng)已是較為常規(guī)的隧道照明做法，但是由于實時調(diào)光所涉及變量較多，因此，其系統(tǒng)運行電費較難客觀計算，也讓其節(jié)能和經(jīng)濟性評價較為困難。本文主要從分析隧道照明計算公式的各變量間關(guān)系入手，結(jié)合亮度曲線對不同調(diào)光系統(tǒng)的節(jié)電率進行對比性分析，并通過計算燈具全功率運行用電費，得到采用智能調(diào)光的用電量估算值。

考慮函數(shù)積分的難度和計算量較大，通過常見的Excel和AutoCAD軟件，將各種函數(shù)計算轉(zhuǎn)化為求圖形面積的方法進行計算，計算較為方便。本文主要以公路長隧道為例進行研究，所提出評價方法供同行參考。