公路隧道照明节能方法探析

2015-01-27訾爱新

资源节约与环保 2015年4期

关键词：照明灯亮度路面

訾爱新

（天津市道桥处第二桥梁管理所天津 300011）

公路隧道照明节能方法探析

訾爱新

（天津市道桥处第二桥梁管理所天津 300011）

本文介绍了公路隧道照明的影响因素，并结合现阶段我国公路隧道照明中存在的问题，从技术、规范、设计、管理等方面对公路隧道节能方法提出了几点建议。

隧道照明；节能；LED灯

截至2013年，我国公路隧道共11359处，全长960.56× 104m。其中，特长隧道562处、250.69×104m，长隧道2303处、393.62×104m[1]。我国隧道里程不断增加，规模不断扩大。而保障公路隧道的运行，需要安全可靠的照明。

节约资源和保护环境是我国的基本国策。我国经济的可持续发展必须建立在低碳、节能、环保的基础之上。隧道照明系统，是公路隧道最大的能耗系统之一，是运营中最主要的开支。

保障行车安全和节约使用电能，是公路隧道照明的两个重要目标。但我国的公路隧道还存在着诸多问题，如照明规范不标准、照明控制方法节能效率低下、照明设施未得到妥善养护、耗能过大等。现结合我国隧道照明的实际问题，对我公路隧道照明节能方法进行研究。

1 公路隧道照明的影响因素

公路隧道照明受多方面的因素影响，主要有所在地的环境、隧道设计结构、隧道其他相关设施。

1.1 隧道所在地的环境

公路隧道照明受自然环境的影响，其中包括所在地的气候带、海拔高度、光照时间、光照长度、周围的植被和地势。其中，日照强度是隧道照明的一个重要参数，对隧道洞外亮度L20(20)起着决定性作用。

1.2 隧道的设计结构

公路隧道的断面尺寸、洞门型式、洞门的方位朝向以及洞内装饰、路面的材料都会影响隧道的照明。隧道的断面面积越大，就越需要更多的照明设施及相关配套设备。隧道的洞门型式、洞门的方位朝向以及洞口的装饰，会影响自然光的照射面积。照明效果也受到洞内装饰材料和路面材料的反射系数的影响。

1.3 隧道其他相关设施

隧道的视频监控、交通事故的处理、火灾的防范及扑灭工作等都需要照明设施提供良好的照明条件。

2 当前照明存在的问题

国外发达国家的隧道照明沿着功能型—节能型—智能型—人性化的方向发展，基本上实现了智能化的照明，部分已经处于智能型向人性化的过渡阶段。目前我国的隧道照水平还比较低，正处于由功能型向节能型的转换过程[2]。同国外先进的照明技术相比，我国公路隧道照明存在着如下突出的问题。

2.1 现有的照明标准有待完善，节能规范不适合实际国情

我国现行的《JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范》和《城市道路照明设计标准》中的许多标准和规定，已经不适应当前公路隧道照明的实际情况。规范中，隧道照明设计方法、洞外亮度L20(S)参考取值、各照明段亮度指标等需要进一步的修正和完善。规范中的照明灯具因具有耗电大、寿命短、相应慢、有污染等缺点，已经不能适应当前的隧道照明节能减排和自动控制的要求，例如高压钠灯和荧光灯。

2.2 照明控制方法节能效率低

手动控制模式、分时段进行的时序控制模式和分级控制模式是国内目前对隧道照明设备的控制方式[3]。这三种控制方法都无法使洞内的照明亮度与外界自然光的亮度相适应，且都不能连续调光，无法实现自适应控制，存在照明的浪费。以分级控制模式为例，这种方式是最常用的方案。在设计阶段各种参数只是以最大值考虑，照明亮度的分级只能做到2～3级人工或自动控制，导致“过度照明”或“无效照明”。

2.3 运营过程中，照明设施未得到妥善的养护

运营过程中，公路隧道照明灯具会出现光的衰减，尤其是在公路隧道的出口段或者是靠近出口段的端口的地方，这是由于附着在光源和灯具表面的尘埃和油污会降低光的透射和反射能力，光源自身也会衰减和失效。实际的公路运营过程中，也存在着对隧道照明灯具养护不到位，不及时的现象。由于对灯具的养护不到位，导致照明水平很低，路面的可视度变差，从而导致的交通事故[4]。

2.4 现有节能方法效率低下

国内公路隧道照明节能方法已经在实际的设计、施工和运营中应用。例如通过使用新型的照明灯具来代替原有能耗大、有污染的灯具，更换隧道内的路面的材料而提高反射率的方法来改变洞内的环境，改变照明基础设施的布局（如缩短供电电缆长度、合理设置配电放的位置）等。但是，现有的节能方法的节能效果有限，仍存在节能的空间。与此同时，由于有些节能方式影响了正常的隧道运营，导致照明给安全行车和有效的监控带来问题[5]。

3 公路隧道照明节能方法

结合隧道照明的影响因素和实际存在的问题，现从以下几个方面采取措施。

3.1 准确测量周围环境参数

公路隧道照明设计中，周围环境中最关键的数据包括洞外亮度L20(S)、交通量、设计速度。

照明需求会随着洞外亮度L20(S)的增大而加大[6]。洞外亮度L20(S)受到当地的季节、天气、时段、隧道朝向、洞门构造、植被、路面颜色等有关的影响[3]。洞外亮度L20(S)不能够盲目的使用现有的标准，要根据当时当地的实际情况，在实际调查和理论分析的基础上确定合理的数值。通过降低洞外亮度L20(S)的方式可以减少照明需要的亮度，可以采用的措施包括洞口山坡绘图或改变洞内结构等。

在设计速度相同的情况下，供电量会随交通量的增大而增大。高速公路的交通量随其运营的时间而变化，运营初期的交通量普遍小于预测的交通量。因此，要对公路不同时期的交通量进行科学合理的预测，并对公路隧道照明系统根据近、远期交通量分期设计和实施。

公路隧道的照明会随着设计速度的变化而变化。设计安全合理的速度也可以实现照明的节能。当设计速度较大时，隧道不同照明段的照明长度和亮度应相应的增加。

3.2 优化照明设计参数，应用先进的节能理论

现行的规范和相应参数，应根据我国公路隧道发展的实际情

况进行修订和完善，以适应当前公路隧道照明的发展。

现在比较好的节能理论和方法有，洞外亮度L20(S)精确测试方法及洞口减光措施、基于中间视觉理论的照明设计方法、隧道照明显色性与照度、亮度之间的关系及光源的等效亮度、智能照明控制技术、节能光源和节能灯具的应用等[5]。

3.3 使用新型的照明灯具，合理布置照明灯具，采用先进的隧道照明控制和管理系统，并加强照明设施的的养护。

3.3.1 使用新型的照明灯具

相关规范中对于隧道照明灯具应满足的要求给出了明确的规定，其中包括防护等级不低于IP65、配光合适、眩光少、稳定性高等。保障正常的照明的同时，为实现节约能源和减少其它设施的能源消耗的目的，与照明相关的电气设备(如电缆、机房等)也应该合理布局、质量优良[7]。国内隧道灯具多采用白炽灯、紧凑型荧光灯、高压钠灯、低压钠灯等，大多存在光带窄、能耗高、质量差、寿命短等问题[5]。高压钠灯是目前通用的公路隧道照明灯具，同比其他一般使用的灯具相比性质较好，但其发黄光，导致隧道照明的视觉效果不佳，并影响行车安全[5]。新型的节能照明灯具有电磁感应无极灯(简称无极灯)、LED灯。无极灯具有无电极、寿命长、光衰低、高效节能的特性。LED灯是功耗低、寿命长、抗震动、无辐射的节能环保型光源[5]。

3.3.2 照明灯具的布置

隧道照明灯具的布置除考虑光源特性外，还要考虑空间环境的影响、维修方便性等因素。不同的布灯方式，会影响其灯具的数量和养护工作。研究表明，中间布置比双侧布置效率高，双侧交错布置比双侧对称布置效率高[4]。带状光源的照明效果好于点状光源[8]。

因光线交替变化和人的视觉适应性的需要，入口段和出口段相比中间段的灯具的密度和照度要大，这是隧道照明灯具设计时应该注意的问题。选择合适的灯具及其安装角度，可以通过隧道顶棚、墙壁和路面之间的多次反射，增大顶棚和墙壁的反光比，提高隧道照明反射光增量系数，达到节电的目的[3]。在隧道引入段及过渡段采用减光棚，可以使洞口处的亮度随户外天空的照度变化而自动变化，内外同步变化和自然过渡，从而达到节能的目的[8]。

3.3.3 采用先进的隧道照明管理方法，并加强照明设施的养护。

公路隧道照明控制过程中，要实时监测洞内外环境的变化，其中包括洞内的光照强度、洞内的光照强度、现有交通量及平均行车速度、洞外光线的变化趋势等，从而实时改变灯具的光照强度。先进的隧道照明管理方法能够实现洞内亮度的实时动态变化，提供安全可靠节能的照明条件，模糊神经控制方法和无级调光控制法是比较先进的方法。模糊调光控制方法，利用模糊控制来连续的精确改变光照强度，不仅可以提高照明舒适度，而且可以减少电能的浪费；无级调光控制法是一个系统工程，能够实现“按需照明”，具有延长使用寿命、控制简单、节省投资、应急状态的照度均匀度高等优点。重庆大学设计的LED隧道照明智能控制系统，采用多种调光手段相配合的方法，能够实现精确地连续调光，但调光面对的实际情境比较少，还需要进一步的改善[9]。

根据隧道所在地的空气污染程度和进出车流量，定期清洁灯具。在清洁时候，检查光源和附件有无损坏，还要调整照明控制装置。总之，制定科学合理的照明管理维护计划，使照明系统处于良好的工作状态，达到照明和节能的双重目的。

3.4 改善隧道内部的环境

路面和墙壁的反射系数、灯具直射光在路面和墙壁的光通分配比，共同影响公路隧道照明反射增量系数，从而影响照明效果。

水泥混凝土路面的反射率比沥青路面的反射率高，水泥混凝土路面比沥青混凝土路面节能30%，公路隧道应该尽可能的采用水泥混凝土路面。但是并不是隧道的所有路面都要采用水泥混凝路面，这是由于在此路段处铺设这种路面会提高洞外亮度L20 (S)，这样会需要增加隧道内的照明强度，故此路段而是以铺设沥青混凝土路面或彩色路面作为替代。研究表明，在公路隧道OGFC-13路面结构中掺加10%～15%的玻璃珠，这种路面有效的抗滑、降噪、阻燃、反光[4]，在实际的公路修建过程中也可以考虑使用此种路面。

除了可以通过使用合适的路面材料来提高路面的反射系数外，还可以通过改变隧道墙壁反射性的方式来增加环境的亮度和可视性，例如侧面涂白或者在墙面铺设瓷砖。经照度测试,发现隧道涂白段和没有涂白段地面照度相差10%左右，行车司机可增加对道路两侧的视认度，隧道全程涂白的效果更好[8]。墙面铺贴瓷砖可以保障墙面反射效果，山西省雁门关等隧道墙面通过进行铺贴瓷砖改造，有效的提高了洞内的平均亮度[10]。

3.5 使用清洁、绿色能源

通过使用绿色能源和技术，即可以节省电能，又可以降低发电设备的配置和成本。在公路隧道照明中，可以通过太阳能、风能、压力发电，也可以使用光纤照明。河北韩郭公路小梁东隧道应用了国内最大的太阳能公路隧道照明系统，吉林省朝长公路花园隧道是国内第一座应用太阳能智能LED照明系统的公路隧道[11]。在安徽六潜高速公路狮子尖隧道应用了风光互补供电技术。

3.6 协调处理好照明设施和其它设施的关系

除照明设施外，公路隧道的机电设施还包括通风、消防、供配电、监控等机电设施[12]。公路隧道照明节能的同时，还应该保障其他机电设施的正常运作。以监控设施为例，目前国内隧道普遍采用非红外线摄像头，隧道内部能见度很低，则无法实现有效的监控，从摄像头到监视器之间大量设备在也夜间并不会因为光照强度过低而停止工作，这样就造成了能源的浪费[13]。在设计中应综合隧道在安全、监控、节能及所能提供便利等方面，使隧道各系统协调运行。

3.7 提高管理科学化水平

公路隧道建设和运营部门，应提高节能环保意识，统一规划，综合使用各种方法实现公路隧道隧道照明节能，同时加强内部管理，提高管理运营效率，降低运营成本。与此同时，还要积极借鉴各地高效的照明管理方法，加强合作，不断提高节能水平。