韓 直，關(guān)雨嫣

(1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院，重慶 400067； 2. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

近年來，隨著公路隧道的數(shù)量與規(guī)模不斷增長，截至2019年底，我國公路隧道數(shù)量達(dá)19 067處，總長約1 896.66萬米[1],與之伴隨的是高昂的運(yùn)營費(fèi)用和維護(hù)成本，節(jié)能問題日益突出。為了解決隧道照明能耗高和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高等問題，已有不少科研工作者在此方面開展了大量研究并取得了相應(yīng)進(jìn)展[2-4]，其研究內(nèi)容大體為以下幾個(gè)方向：①替換隧道光源節(jié)能，將能耗高的燈源換為能耗低、光效高的LED燈[5]；②運(yùn)營節(jié)能，如改變布燈方式、優(yōu)化燈具參數(shù)、多級(jí)調(diào)光控制隧道照明[6-9]；③其他措施節(jié)能，如洞口布設(shè)遮光棚或其他減光措施、太陽能LED照明等[10-12]。其中，遮光棚技術(shù)因其節(jié)能效果好、維護(hù)費(fèi)用較低而被廣泛地應(yīng)用。然而前者均僅在確定設(shè)立遮光棚的基礎(chǔ)上探討節(jié)能效果，而對于是否需要設(shè)置遮光棚還沒有較為準(zhǔn)確的評估方法和判別標(biāo)準(zhǔn)，致使產(chǎn)生了有的隧道架設(shè)了遮光棚，卻造價(jià)昂貴、運(yùn)營維護(hù)成本居高不下，而有的隧道沒有架設(shè)遮光棚，導(dǎo)致燈具消耗大量電能，甚至威脅到駕駛員的行車安全的情況。

因此，為解決以上問題，針對是否架設(shè)遮光棚兩種情況，建立了二者所需光通量的差值模型，并基于此分析了遮光棚與整個(gè)隧道的運(yùn)營造價(jià)，為更準(zhǔn)確地估計(jì)是否設(shè)置遮光棚提供更客觀、科學(xué)的依據(jù)，從而避免因決策不當(dāng)造成資源浪費(fèi)的問題，對降低工程造價(jià)，節(jié)省運(yùn)營維護(hù)成本有著較高的工程應(yīng)用價(jià)值和顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 照明段落劃分

目前，對公路隧道照明段落的劃分以國際照明委員會(huì)(CIE)提出的視覺適應(yīng)性曲線為主，可將公路隧道照明段落劃分為入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明及洞口接近段減光設(shè)施[13]。為敘述方便，筆者將入口段、過渡段簡化為視覺適應(yīng)段，即隧道照明區(qū)段，其構(gòu)成如圖1。

根據(jù)視覺適應(yīng)曲線，單個(gè)隧道入口處是否架設(shè)遮光棚兩種情況下所建立的亮度數(shù)學(xué)模型及其照明段落劃分如圖2。

根據(jù)視覺適應(yīng)曲線，毗鄰隧道間是否架設(shè)遮光棚的兩種情況下所建立的亮度數(shù)學(xué)模型及段落劃分如圖3。

L20(S)：洞外亮度；L20(A)：適應(yīng)點(diǎn)A亮度；Lth1、Lth2：入口段亮度； Ltr1、Ltr2、Ltr3：過渡段亮度；Lin：中間段亮度 圖1 隧道照明系統(tǒng)分段簡圖Fig. 1 Sectional diagram of tunnel lighting system

L20(S) ：洞外亮度；La1：不設(shè)遮光棚時(shí)的入口亮度；La2：設(shè)遮光棚時(shí)的入口亮度； La3：隧道中間段亮度；D11：隧道不設(shè)遮光棚時(shí)的視覺適應(yīng)段長度； D12：隧道不設(shè)遮光棚時(shí)的中間段長度；D13：隧道不設(shè)遮光棚時(shí)的出口段長度； D21：隧道設(shè)遮光棚時(shí)的視覺適應(yīng)段長度；D22：隧道設(shè)遮光棚時(shí)的中間段長度； D23：隧道設(shè)遮光棚時(shí)的出口段長度 圖2 單個(gè)隧道亮度模型Fig. 2 Single tunnel luminance model

L20(S) ：洞外亮度；La1：隧道1的入口亮度；La2：隧道2的入口亮度；La3：隧道1和隧道2的中間段亮度；D′11：隧道1的視覺適應(yīng)段長度； D′12 ：隧道1的中間段長度，D′13 ：隧道1的出口段長度；D0：隧道1與隧道2之間的凈距；D′21 ：隧道2的視覺適應(yīng)段長度； D′22 ：隧道2的中間段長度；D′23 ：隧道2的出口段長度；D31：隧道設(shè)遮光棚時(shí)的視覺適應(yīng)段長度；D32：隧道設(shè)遮光棚時(shí)的中間段長度；D33：隧道設(shè)遮光棚時(shí)的出口段長度 圖3 毗鄰隧道亮度模型Fig. 3 Adjacent tunnel luminance model

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 視覺適應(yīng)段相關(guān)因素確定

2.1.1 照明段落長度確定

根據(jù)視覺適應(yīng)曲線，隧道視覺適應(yīng)段的亮度計(jì)算公式為：

(1)

式中：Ltr為視覺適應(yīng)段亮度，cd/m2；Lth為入口亮度，cd/m2；v為車輛行駛速度，m/s；x為隧道視覺適應(yīng)段長度，即車輛從入口駛?cè)氲木嚯x，m。

隧道視覺適應(yīng)段長度x由式(1)可推出：

(2)

2.1.2 光通量的確定

隧道照明段落所需要的光通量φ可由式(3)確定：

φ=D·w·Lu·η

(3)

式中：D為照明段落長度，m；w為隧道照明寬度(含兩邊墻高各2 m范圍)，m;Lu為照明段落亮度，cd/m2；η為反射系數(shù)，lx/(cd/m2)。

文中視覺適應(yīng)段亮度由式(1)決定，可由式(1)、式(3)得出視覺適應(yīng)段的光通量為：

(4)

2.2 單個(gè)隧道

隧道視覺適應(yīng)段長度由車輛行駛速度、隧道入口段亮度和入口亮度決定。根據(jù)細(xì)則[13]，隧道出口段長度為60 m。由式(2)～式(4)可得出隧道是否架設(shè)遮光棚兩種情況下的各個(gè)照明段落長度及相對應(yīng)的光通量，如表1。

表1 單個(gè)隧道照明段落長度及光通量Table 1 Length and luminous flux of single tunnel lighting section

則設(shè)遮光棚與不設(shè)遮光棚所需光通量的差值模型為:

(5)

2.3 毗鄰隧道

同理，毗鄰隧道間架設(shè)遮光棚時(shí)，由式(2)～式(4)可得出隧道是否架設(shè)遮光棚兩種情況下的各個(gè)照明段落長度及相對應(yīng)的光通量。不架設(shè)遮光棚時(shí)，隧道1與隧道2各個(gè)照明段落長度及光通量計(jì)算均與單個(gè)隧道的照明段落長度及光通量計(jì)算方法相同，即可得到毗鄰隧道照明段落長度及光通量，如表2。

表2 毗鄰隧道照明段落長度及光通量Table 2 Length and luminous flux of adjacent tunnel lighting section

同理，可得毗鄰隧道間架設(shè)遮光棚的光通量差值模型：

(6)

式中：φY為設(shè)遮光棚時(shí)，將隧道1與隧道2看作一個(gè)整體時(shí)的總光通量；φN1為不設(shè)遮光棚時(shí)，隧道1的總光通量；φN2為不設(shè)遮光棚時(shí)，隧道2的總光通量。

2.4 照明功率

以P表示設(shè)遮光棚與不設(shè)遮光棚所需照明功率之差，設(shè)照明燈具照到路面上的光效為τ，lm/w,則

(7)

3 討 論

在照明經(jīng)濟(jì)性分析中，各類照明方式的主要計(jì)算內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分：設(shè)備首次投資費(fèi)用，壽命期內(nèi)耗電費(fèi)用以及后續(xù)維護(hù)費(fèi)用。其中，影響照明燈具經(jīng)濟(jì)性的因素包括燈具數(shù)量、折舊年數(shù)、燈具清掃費(fèi)單價(jià)、折舊年限、日常維護(hù)費(fèi)用以及耗電費(fèi)用等[14]。而在隧道節(jié)能領(lǐng)域使用遮光棚技術(shù)能夠極大地節(jié)省燈具費(fèi)用以及電力資源。在遮光棚技術(shù)中，遮光棚建設(shè)費(fèi)與遮光棚長度、建筑材料以及設(shè)置形式等相關(guān)，應(yīng)結(jié)合目標(biāo)工程的實(shí)際情況確定建筑材料以及設(shè)置形式，從而確定單位長度下遮光棚建設(shè)費(fèi)[15]。

從遮光棚的初期建設(shè)費(fèi)用與后續(xù)維護(hù)費(fèi)用入手，對遮光棚的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行以下分析：

1)若僅考慮遮光棚初期建設(shè)費(fèi)用，設(shè)照明燈具照到路面上的光效性價(jià)比為e，元/lm。與不設(shè)遮光棚相比，設(shè)遮光棚時(shí)，照明燈具消耗的光通量少，即節(jié)省下來的燈具光通量的費(fèi)用為-ey；設(shè)遮光棚需要的建設(shè)費(fèi)用為m1，則當(dāng)-ey≥m1時(shí)，即滿足條件ey+m1≤0時(shí)，在隧道的入口段處設(shè)置遮光棚更具照明經(jīng)濟(jì)性。

2)若考慮遮光棚初期建設(shè)費(fèi)用與后續(xù)維護(hù)費(fèi)用，設(shè)照明燈具年維護(hù)費(fèi)用為f1，元/w；設(shè)電費(fèi)為f2，元/w；設(shè)遮光棚年維護(hù)費(fèi)用為m2，元。與不設(shè)遮光棚相比，設(shè)遮光棚時(shí)，照明燈具消耗的光通量不僅少，而且消耗的電費(fèi)及單位功率上需要的維護(hù)費(fèi)用也少，即節(jié)省下來的光通量費(fèi)用、電費(fèi)及燈具維護(hù)費(fèi)總和為-ey-f2P-f1P。設(shè)遮光棚需要的建設(shè)費(fèi)用為m1、遮光棚年維護(hù)費(fèi)用為m2，則當(dāng) -ey-f2P-f1P≥m1+m2時(shí)，即滿足條件ey+m1+f2P+f1P+m2≤0時(shí)，在隧道的入口段處設(shè)置遮光棚更具照明經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 語

在當(dāng)前“綠色交通”背景下，筆者針對隧道照明節(jié)能問題基于視覺適應(yīng)性曲線建立了設(shè)立、不設(shè)立遮光棚兩種情況下所需光通量的差值模型(即y)。在照明經(jīng)濟(jì)性討論中，得出如下結(jié)論：若僅考慮遮光棚建設(shè)費(fèi)用，當(dāng)滿足條件ey+m1≤0時(shí)，設(shè)立遮光棚更具照明經(jīng)濟(jì)性；若考慮遮光棚建設(shè)費(fèi)與后續(xù)維護(hù)費(fèi)，當(dāng)滿足條件ey+m1+f2P+f1P+m2≤0時(shí)，設(shè)立遮光棚更具照明經(jīng)濟(jì)性。筆者基于光通量差值模型，結(jié)合遮光棚的經(jīng)濟(jì)性提出了設(shè)置遮光棚的條件，為科學(xué)客觀設(shè)置遮光棚提供依據(jù)，同時(shí)滿足隧道入口段的照明需求，且大大降低了隧道入口處的照明能耗，實(shí)現(xiàn)了“節(jié)能減排”、“綠色經(jīng)濟(jì)”的目標(biāo)，有著長遠(yuǎn)的工程應(yīng)用前景和顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。