訾愛新

（天津市道橋處第二橋梁管理所 天津 300011）

公路隧道照明節(jié)能方法探析

訾愛新

（天津市道橋處第二橋梁管理所 天津 300011）

本文介紹了公路隧道照明的影響因素，并結(jié)合現(xiàn)階段我國公路隧道照明中存在的問題，從技術(shù)、規(guī)范、設(shè)計(jì)、管理等方面對公路隧道節(jié)能方法提出了幾點(diǎn)建議。

隧道照明；節(jié)能；LED燈

截至2013年，我國公路隧道共11359處，全長960.56× 104m。其中，特長隧道562處、250.69×104m，長隧道2303處、393.62×104m[1]。我國隧道里程不斷增加，規(guī)模不斷擴(kuò)大。而保障公路隧道的運(yùn)行，需要安全可靠的照明。

節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境是我國的基本國策。我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展必須建立在低碳、節(jié)能、環(huán)保的基礎(chǔ)之上。隧道照明系統(tǒng)，是公路隧道最大的能耗系統(tǒng)之一，是運(yùn)營中最主要的開支。

保障行車安全和節(jié)約使用電能，是公路隧道照明的兩個(gè)重要目標(biāo)。但我國的公路隧道還存在著諸多問題，如照明規(guī)范不標(biāo)準(zhǔn)、照明控制方法節(jié)能效率低下、照明設(shè)施未得到妥善養(yǎng)護(hù)、耗能過大等?，F(xiàn)結(jié)合我國隧道照明的實(shí)際問題，對我公路隧道照明節(jié)能方法進(jìn)行研究。

1 公路隧道照明的影響因素

公路隧道照明受多方面的因素影響，主要有所在地的環(huán)境、隧道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、隧道其他相關(guān)設(shè)施。

1.1 隧道所在地的環(huán)境

公路隧道照明受自然環(huán)境的影響，其中包括所在地的氣候帶、海拔高度、光照時(shí)間、光照長度、周圍的植被和地勢。其中，日照強(qiáng)度是隧道照明的一個(gè)重要參數(shù)，對隧道洞外亮度L20(20)起著決定性作用。

1.2 隧道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

公路隧道的斷面尺寸、洞門型式、洞門的方位朝向以及洞內(nèi)裝飾、路面的材料都會影響隧道的照明。隧道的斷面面積越大，就越需要更多的照明設(shè)施及相關(guān)配套設(shè)備。隧道的洞門型式、洞門的方位朝向以及洞口的裝飾，會影響自然光的照射面積。照明效果也受到洞內(nèi)裝飾材料和路面材料的反射系數(shù)的影響。

1.3 隧道其他相關(guān)設(shè)施

隧道的視頻監(jiān)控、交通事故的處理、火災(zāi)的防范及撲滅工作等都需要照明設(shè)施提供良好的照明條件。

2 當(dāng)前照明存在的問題

國外發(fā)達(dá)國家的隧道照明沿著功能型—節(jié)能型—智能型—人性化的方向發(fā)展，基本上實(shí)現(xiàn)了智能化的照明，部分已經(jīng)處于智能型向人性化的過渡階段。目前我國的隧道照水平還比較低，正處于由功能型向節(jié)能型的轉(zhuǎn)換過程[2]。同國外先進(jìn)的照明技術(shù)相比，我國公路隧道照明存在著如下突出的問題。

2.1 現(xiàn)有的照明標(biāo)準(zhǔn)有待完善，節(jié)能規(guī)范不適合實(shí)際國情

我國現(xiàn)行的《JTJ026.1-1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》和《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的許多標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前公路隧道照明的實(shí)際情況。規(guī)范中，隧道照明設(shè)計(jì)方法、洞外亮度L20(S)參考取值、各照明段亮度指標(biāo)等需要進(jìn)一步的修正和完善。規(guī)范中的照明燈具因具有耗電大、壽命短、相應(yīng)慢、有污染等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前的隧道照明節(jié)能減排和自動控制的要求，例如高壓鈉燈和熒光燈。

2.2 照明控制方法節(jié)能效率低

手動控制模式、分時(shí)段進(jìn)行的時(shí)序控制模式和分級控制模式是國內(nèi)目前對隧道照明設(shè)備的控制方式[3]。這三種控制方法都無法使洞內(nèi)的照明亮度與外界自然光的亮度相適應(yīng)，且都不能連續(xù)調(diào)光，無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，存在照明的浪費(fèi)。以分級控制模式為例，這種方式是最常用的方案。在設(shè)計(jì)階段各種參數(shù)只是以最大值考慮，照明亮度的分級只能做到2～3級人工或自動控制，導(dǎo)致“過度照明”或“無效照明”。

2.3 運(yùn)營過程中，照明設(shè)施未得到妥善的養(yǎng)護(hù)

運(yùn)營過程中，公路隧道照明燈具會出現(xiàn)光的衰減，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，這是由于附著在光源和燈具表面的塵埃和油污會降低光的透射和反射能力，光源自身也會衰減和失效。實(shí)際的公路運(yùn)營過程中，也存在著對隧道照明燈具養(yǎng)護(hù)不到位，不及時(shí)的現(xiàn)象。由于對燈具的養(yǎng)護(hù)不到位，導(dǎo)致照明水平很低，路面的可視度變差，從而導(dǎo)致的交通事故[4]。

2.4 現(xiàn)有節(jié)能方法效率低下

國內(nèi)公路隧道照明節(jié)能方法已經(jīng)在實(shí)際的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營中應(yīng)用。例如通過使用新型的照明燈具來代替原有能耗大、有污染的燈具，更換隧道內(nèi)的路面的材料而提高反射率的方法來改變洞內(nèi)的環(huán)境，改變照明基礎(chǔ)設(shè)施的布局（如縮短供電電纜長度、合理設(shè)置配電放的位置）等。但是，現(xiàn)有的節(jié)能方法的節(jié)能效果有限，仍存在節(jié)能的空間。與此同時(shí)，由于有些節(jié)能方式影響了正常的隧道運(yùn)營，導(dǎo)致照明給安全行車和有效的監(jiān)控帶來問題[5]。

3 公路隧道照明節(jié)能方法

結(jié)合隧道照明的影響因素和實(shí)際存在的問題，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面采取措施。

3.1 準(zhǔn)確測量周圍環(huán)境參數(shù)

公路隧道照明設(shè)計(jì)中，周圍環(huán)境中最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)包括洞外亮度L20(S)、交通量、設(shè)計(jì)速度。

照明需求會隨著洞外亮度L20(S)的增大而加大[6]。洞外亮度L20(S)受到當(dāng)?shù)氐募竟?jié)、天氣、時(shí)段、隧道朝向、洞門構(gòu)造、植被、路面顏色等有關(guān)的影響[3]。洞外亮度L20(S)不能夠盲目的使用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，在實(shí)際調(diào)查和理論分析的基礎(chǔ)上確定合理的數(shù)值。通過降低洞外亮度L20(S)的方式可以減少照明需要的亮度，可以采用的措施包括洞口山坡繪圖或改變洞內(nèi)結(jié)構(gòu)等。

在設(shè)計(jì)速度相同的情況下，供電量會隨交通量的增大而增大。高速公路的交通量隨其運(yùn)營的時(shí)間而變化，運(yùn)營初期的交通量普遍小于預(yù)測的交通量。因此，要對公路不同時(shí)期的交通量進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)測，并對公路隧道照明系統(tǒng)根據(jù)近、遠(yuǎn)期交通量分期設(shè)計(jì)和實(shí)施。

公路隧道的照明會隨著設(shè)計(jì)速度的變化而變化。設(shè)計(jì)安全合理的速度也可以實(shí)現(xiàn)照明的節(jié)能。當(dāng)設(shè)計(jì)速度較大時(shí)，隧道不同照明段的照明長度和亮度應(yīng)相應(yīng)的增加。

3.2 優(yōu)化照明設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用先進(jìn)的節(jié)能理論

現(xiàn)行的規(guī)范和相應(yīng)參數(shù)，應(yīng)根據(jù)我國公路隧道發(fā)展的實(shí)際情

況進(jìn)行修訂和完善，以適應(yīng)當(dāng)前公路隧道照明的發(fā)展。

現(xiàn)在比較好的節(jié)能理論和方法有，洞外亮度L20(S)精確測試方法及洞口減光措施、基于中間視覺理論的照明設(shè)計(jì)方法、隧道照明顯色性與照度、亮度之間的關(guān)系及光源的等效亮度、智能照明控制技術(shù)、節(jié)能光源和節(jié)能燈具的應(yīng)用等[5]。

3.3 使用新型的照明燈具，合理布置照明燈具，采用先進(jìn)的隧道照明控制和管理系統(tǒng)，并加強(qiáng)照明設(shè)施的的養(yǎng)護(hù)。

3.3.1 使用新型的照明燈具

相關(guān)規(guī)范中對于隧道照明燈具應(yīng)滿足的要求給出了明確的規(guī)定，其中包括防護(hù)等級不低于IP65、配光合適、眩光少、穩(wěn)定性高等。保障正常的照明的同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和減少其它設(shè)施的能源消耗的目的，與照明相關(guān)的電氣設(shè)備(如電纜、機(jī)房等)也應(yīng)該合理布局、質(zhì)量優(yōu)良[7]。國內(nèi)隧道燈具多采用白熾燈、緊湊型熒光燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈等，大多存在光帶窄、能耗高、質(zhì)量差、壽命短等問題[5]。高壓鈉燈是目前通用的公路隧道照明燈具，同比其他一般使用的燈具相比性質(zhì)較好，但其發(fā)黃光，導(dǎo)致隧道照明的視覺效果不佳，并影響行車安全[5]。新型的節(jié)能照明燈具有電磁感應(yīng)無極燈(簡稱無極燈)、LED燈。無極燈具有無電極、壽命長、光衰低、高效節(jié)能的特性。LED燈是功耗低、壽命長、抗震動、無輻射的節(jié)能環(huán)保型光源[5]。

3.3.2 照明燈具的布置

隧道照明燈具的布置除考慮光源特性外，還要考慮空間環(huán)境的影響、維修方便性等因素。不同的布燈方式，會影響其燈具的數(shù)量和養(yǎng)護(hù)工作。研究表明，中間布置比雙側(cè)布置效率高，雙側(cè)交錯(cuò)布置比雙側(cè)對稱布置效率高[4]。帶狀光源的照明效果好于點(diǎn)狀光源[8]。

因光線交替變化和人的視覺適應(yīng)性的需要，入口段和出口段相比中間段的燈具的密度和照度要大，這是隧道照明燈具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問題。選擇合適的燈具及其安裝角度，可以通過隧道頂棚、墻壁和路面之間的多次反射，增大頂棚和墻壁的反光比，提高隧道照明反射光增量系數(shù)，達(dá)到節(jié)電的目的[3]。在隧道引入段及過渡段采用減光棚，可以使洞口處的亮度隨戶外天空的照度變化而自動變化，內(nèi)外同步變化和自然過渡，從而達(dá)到節(jié)能的目的[8]。

3.3.3 采用先進(jìn)的隧道照明管理方法，并加強(qiáng)照明設(shè)施的養(yǎng)護(hù)。

公路隧道照明控制過程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)測洞內(nèi)外環(huán)境的變化，其中包括洞內(nèi)的光照強(qiáng)度、洞內(nèi)的光照強(qiáng)度、現(xiàn)有交通量及平均行車速度、洞外光線的變化趨勢等，從而實(shí)時(shí)改變燈具的光照強(qiáng)度。先進(jìn)的隧道照明管理方法能夠?qū)崿F(xiàn)洞內(nèi)亮度的實(shí)時(shí)動態(tài)變化，提供安全可靠節(jié)能的照明條件，模糊神經(jīng)控制方法和無級調(diào)光控制法是比較先進(jìn)的方法。模糊調(diào)光控制方法，利用模糊控制來連續(xù)的精確改變光照強(qiáng)度，不僅可以提高照明舒適度，而且可以減少電能的浪費(fèi)；無級調(diào)光控制法是一個(gè)系統(tǒng)工程，能夠?qū)崿F(xiàn)“按需照明”，具有延長使用壽命、控制簡單、節(jié)省投資、應(yīng)急狀態(tài)的照度均勻度高等優(yōu)點(diǎn)。重慶大學(xué)設(shè)計(jì)的LED隧道照明智能控制系統(tǒng)，采用多種調(diào)光手段相配合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)精確地連續(xù)調(diào)光，但調(diào)光面對的實(shí)際情境比較少，還需要進(jìn)一步的改善[9]。

根據(jù)隧道所在地的空氣污染程度和進(jìn)出車流量，定期清潔燈具。在清潔時(shí)候，檢查光源和附件有無損壞，還要調(diào)整照明控制裝置?？傊?，制定科學(xué)合理的照明管理維護(hù)計(jì)劃，使照明系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)，達(dá)到照明和節(jié)能的雙重目的。

3.4 改善隧道內(nèi)部的環(huán)境

路面和墻壁的反射系數(shù)、燈具直射光在路面和墻壁的光通分配比，共同影響公路隧道照明反射增量系數(shù)，從而影響照明效果。

水泥混凝土路面的反射率比瀝青路面的反射率高，水泥混凝土路面比瀝青混凝土路面節(jié)能30%，公路隧道應(yīng)該盡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，這是由于在此路段處鋪設(shè)這種路面會提高洞外亮度L20 (S)，這樣會需要增加隧道內(nèi)的照明強(qiáng)度，故此路段而是以鋪設(shè)瀝青混凝土路面或彩色路面作為替代。研究表明，在公路隧道OGFC-13路面結(jié)構(gòu)中摻加10%～15%的玻璃珠，這種路面有效的抗滑、降噪、阻燃、反光[4]，在實(shí)際的公路修建過程中也可以考慮使用此種路面。

除了可以通過使用合適的路面材料來提高路面的反射系數(shù)外，還可以通過改變隧道墻壁反射性的方式來增加環(huán)境的亮度和可視性，例如側(cè)面涂白或者在墻面鋪設(shè)瓷磚。經(jīng)照度測試,發(fā)現(xiàn)隧道涂白段和沒有涂白段地面照度相差10%左右，行車司機(jī)可增加對道路兩側(cè)的視認(rèn)度，隧道全程涂白的效果更好[8]。墻面鋪貼瓷磚可以保障墻面反射效果，山西省雁門關(guān)等隧道墻面通過進(jìn)行鋪貼瓷磚改造，有效的提高了洞內(nèi)的平均亮度[10]。

3.5 使用清潔、綠色能源

通過使用綠色能源和技術(shù)，即可以節(jié)省電能，又可以降低發(fā)電設(shè)備的配置和成本。在公路隧道照明中，可以通過太陽能、風(fēng)能、壓力發(fā)電，也可以使用光纖照明。河北韓郭公路小梁東隧道應(yīng)用了國內(nèi)最大的太陽能公路隧道照明系統(tǒng)，吉林省朝長公路花園隧道是國內(nèi)第一座應(yīng)用太陽能智能LED照明系統(tǒng)的公路隧道[11]。在安徽六潛高速公路獅子尖隧道應(yīng)用了風(fēng)光互補(bǔ)供電技術(shù)。

3.6 協(xié)調(diào)處理好照明設(shè)施和其它設(shè)施的關(guān)系

除照明設(shè)施外，公路隧道的機(jī)電設(shè)施還包括通風(fēng)、消防、供配電、監(jiān)控等機(jī)電設(shè)施[12]。公路隧道照明節(jié)能的同時(shí)，還應(yīng)該保障其他機(jī)電設(shè)施的正常運(yùn)作。以監(jiān)控設(shè)施為例，目前國內(nèi)隧道普遍采用非紅外線攝像頭，隧道內(nèi)部能見度很低，則無法實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)控，從攝像頭到監(jiān)視器之間大量設(shè)備在也夜間并不會因?yàn)楣庹諒?qiáng)度過低而停止工作，這樣就造成了能源的浪費(fèi)[13]。在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合隧道在安全、監(jiān)控、節(jié)能及所能提供便利等方面，使隧道各系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

3.7 提高管理科學(xué)化水平

公路隧道建設(shè)和運(yùn)營部門，應(yīng)提高節(jié)能環(huán)保意識，統(tǒng)一規(guī)劃，綜合使用各種方法實(shí)現(xiàn)公路隧道隧道照明節(jié)能，同時(shí)加強(qiáng)內(nèi)部管理，提高管理運(yùn)營效率，降低運(yùn)營成本。與此同時(shí)，還要積極借鑒各地高效的照明管理方法，加強(qiáng)合作，不斷提高節(jié)能水平。

4 結(jié)語

公路隧道照明節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，需要從技術(shù)、規(guī)范、設(shè)計(jì)、管理等方面入手。隧道照明節(jié)能必須保障駕駛員行車安全，這是節(jié)能工作的基礎(chǔ)。公路隧道照明是公路能源消耗最多的設(shè)施之一，公路隧道照明節(jié)能減排的實(shí)現(xiàn)，將會對公路交通運(yùn)輸節(jié)能減排工作的深入開展起到典型示范的作用。

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訾愛新(1974—)，男，工程碩士學(xué)位，所長，主要從事橋梁和隧道的養(yǎng)護(hù)、維修以及相關(guān)設(shè)施管理工作。