黃培榮

(泉州市城市規(guī)劃設計研究院,福建 泉州 362000)

為實現(xiàn)能耗總量和強度的“雙控”目標，提高電力能源的綜合利用效率，加強建設領域的節(jié)能效率，加強能源、能耗的管控，大力推進建設項目的節(jié)能，隧道照明高能耗的問題受到工程界的廣泛重視[1].如何在隧道照明設計階段采取節(jié)能措施、降低隧道照明能耗設計的復雜性、形成一種安全、經(jīng)濟、可靠、可操作的隧道照明能耗設計模型，具有重要的現(xiàn)實意義.傳統(tǒng)隧道照明設計方法有經(jīng)驗表格法、利用系數(shù)法、等照度曲線法等，不管哪種方法都是人工計算，圖表繁多，計算繁瑣，不但計算精度不高，調(diào)整費時費力，而且無法評價照明的質(zhì)量和效果[2].本文利用Dialux軟件先進的設計功能，實時對光源燈具選型、燈具布置方式、洞外亮度等進行設計調(diào)整；對隧道照明的均勻度、亮度、舒適度等進行仿真設計，結(jié)合不同控制方式的節(jié)能效果，分析不同模型的能源消耗狀況對隧道照明的節(jié)能設計具有一定的參考價值.

1 隧道照明設計要求

1.1 隧道概況

選取快速通道上的一個單向隧道，利用Dialux照明設計軟件進行隧道照明仿真設計.隧道的基本設計參數(shù)為：隧道長度L=607 m；隧道路面寬度標準段W=13.25 m，入口處由于右側(cè)有匯入車道進行分段加寬，從入口點算起，起點到105 m處寬度W=18.5 m，105 m到125 m處寬度W=17.25 m，125 m到150 m處寬度W=15.25 m，其余寬度W=13.25 m；斷面高度h=7.8 m；設計速度V=60 km/h；計小時交通量N>1 200輛/h；隧道路面材料為瀝青，均亮度與平均照度間的系數(shù)：15 lx/(cd/m2)；洞外亮度(假設為亮環(huán)境)L20(S)=3 500 cd/m2；交通特性為單向交通.

1.2 隧道照明基本設計標準

根據(jù)道路概況本工程的設計標準[2]：路面亮度總均勻度U0不小于0.4，路面中線亮度縱向均勻度U1不小于0.6，中間段亮度Lin=2.0 cd/m2.

1.2.1 照度計算 通過查找燈具利用系數(shù)曲線圖相關(guān)資料，按照式(1)計算路面的平均水平照度[2]：

(1)

其中:φ為燈具的光通量(單位:lm)；u為燈具的利用系數(shù)，與燈具配光有關(guān)；n為單側(cè)或交錯布置時取1，對稱布置時取2；k為燈具的維護系數(shù)，水泥路面取1.3，泥青路面取2；W為道路寬度(單位:m)；S為燈具間距(單位:m).

1.2.2 亮度計算 路面亮度按照式(2)計算，由式中可知，計算路面任意點的亮度必須知道亮度系數(shù)或簡化亮度系數(shù)，再通過亮度系數(shù)q與該點水平照度E相乘，即L=qE.亮度系數(shù)不僅與路面材料有關(guān)，還取決于觀察者與光源的位置.由于亮度系數(shù)必須通過實測才能獲得，因此設計中通常采用國際照明委員會(CIE)推薦的簡化亮度系數(shù)表.

(2)

其中:r(β，γ)為簡化亮度系數(shù)；I(β，γ)為燈具指向c，γ方向上的光強；H為燈具安裝高度(單位:m).

1.2.3 分段設計參數(shù) 依據(jù)JTGTD 702-01-2014《公路隧道照明設計細則》，單向隧道內(nèi)照明設計可劃分為：入口段照明、過渡段照明、中間段照明和出口段照明[2].其中入口段照明、過渡段照明和出口段照明由基本照明和加強照明兩部分組成[2]；基本照明與中間段照明一致.查表得中間段亮度Lin=2.0 cd/m2；本設計采用LED光源，根據(jù)規(guī)范規(guī)定中間段亮度可以取Lin=1.0 cd/m2，各段設計參數(shù)計算結(jié)果見表1.中間段照明燈具布置間距應滿足閃爍頻率低于2.5 Hz或高于15 Hz，相對應本工程明燈具布置間距應大于6.7 m.應急照明燈具利用部分基本照明燈具，應急照明亮度不小于中間段的10%，且不應低于0.2 cd/m2，為控制設計方便，隧道應急照明亮度一般取四分之一中間段基本照明亮度[3].

表1 設計參數(shù)計算Tab.1 Calculation table of design parameters

2 不同光源燈具節(jié)能比較

2.1 光源燈具比較

目前，隧道工程比較普遍采用的光源是高壓鈉燈和隧道用LED燈.高壓鈉燈光優(yōu)點是光效高、壽命長、穿透性好，缺點是顯色性差，比較適合于無顯色要求的隧道，由于燈具不能進行單獨調(diào)光，會造成電能大量浪費；LED具有光指向性好、光效高、易于調(diào)光、壽命長等優(yōu)點[3]，但是透霧性能不夠強.隧道用LED效率比較高，能很好地滿足隧道照明的要求，且LED燈具有無極調(diào)節(jié)功能[4]，可以有效避免分級調(diào)光控制方法造成的路面亮度不均勻情況，相對于高壓鈉燈，LED節(jié)能效果顯著，目前LED燈具主要問題是廠家多，質(zhì)量參差不齊，沒有統(tǒng)一的標準[5].

本文模擬計算高壓鈉燈采用PAK-M04-系列燈具如圖1，LED燈采用PAK-LED-M05-系列燈具如圖2，高壓鈉燈與LED燈的燈具設計參數(shù)詳表2.由表中可知，LED燈無論從光源的發(fā)光效率以及燈具的效率，都比高壓鈉燈在節(jié)能方面上有不少的優(yōu)勢.

圖1 高壓鈉燈 圖2 LED燈Fig.1 High pressure sodium lamp Fig.2 Led lamp

表2 高壓鈉燈與LED燈的燈具設計參數(shù)Tab.2 Design parameter table of high pressure sodium lamp and LED lamp

2.2 能耗比較

采用隧道兩側(cè)交錯布置方式進行比較，燈具高度、仰角、布置方式一樣，模擬結(jié)果亮度、均勻度均符合設計要求，高壓鈉燈照明方案與LED隧道燈照明方案的燈具數(shù)量及功率模擬結(jié)果見表3.由表中可知，采用LED燈比高壓鈉燈裝機容量少14.1 kW,節(jié)約23.62%，節(jié)能效果明顯.

表3 兩側(cè)交錯布置方式模擬方案燈具數(shù)量功率Tab.3 Lamp number and power meter with two-side staggered arrangement

3 不同布置方式節(jié)能比較

隧道照明燈具的布置方式，不僅影響隧道照明的亮度質(zhì)量，而且直接決定隧道照明的電能消耗量，如何選取燈具參數(shù)及確定燈具的最優(yōu)的布置方式，對隧道照明節(jié)能設計具有重要的現(xiàn)實意義.照明燈具布置方式主要有：中線形式、兩側(cè)交錯和兩側(cè)對稱等形式[6].

3.1 效果比較

根據(jù)計算模型，選用LED燈采用中線布置與兩側(cè)交錯布置兩種方式進行模擬設計比較，設計參數(shù)計算結(jié)果如表4,出、入口處的設計等亮度線平面圖見圖3～6.

表4 設計參數(shù)計算表Tab.4 Calculation table of design parameters

由圖3和圖5可知，中線布置的等亮度曲線在出、入口處的形狀類似山峰的等高線，中間有明顯的亮點，兩側(cè)則產(chǎn)生暗斑，對視覺刺激比較明顯；而圖4和圖6兩側(cè)交錯布置的等亮度曲線類似馬鞍線，中間與兩側(cè)過渡比較平滑，同時在行車方向上比較平順，光線的誘導性非常強，不僅視覺上非常舒服，而且有助于行車安全.

圖3 中線布置入口段TH1的亮度圖 圖4 兩側(cè)交錯布置入口段TH1的亮度圖 Fig.3 Luminance diagram of the entrance section TH1 interlaced on both sides Fig.4 Luminance diagram of the entrance section TH1 along the middle line

圖5 中線布置出口段EX2的亮度圖 圖6 兩側(cè)交錯布置出口段EX2的亮度圖Fig.5 Luminance diagram of the entrance section TH2 interlaced on both sides Fig.6 Luminance diagram of the entrance section TH2 along the middle line

3.2 舒適度比較

燈具兩側(cè)交錯布置的模擬照明效果圖如圖7，中線布置的模擬照明效果圖如圖8.通過對圖7和圖8的分析可以發(fā)現(xiàn)，在照明質(zhì)量方面，中線布置燈具方式與兩排交錯布置燈具方式相比，存在明顯的不足；在對行車舒適度方面，兩排交錯布置燈具方式也明顯比中線布置燈具方式要好很多，但中線布置燈具方式的經(jīng)濟性相對較高，因此在設計燈具布置方案時應結(jié)合交通流量的實際情況做相應的設計.對于小交通流量的隧道，著重考慮照明設計的經(jīng)濟性，以中線布置方式為主；在大交通流量的隧道，照明節(jié)能設計的出發(fā)點則應該是行車的舒適性和安全性，而選擇兩排交錯的布置方式.

圖7 兩側(cè)交錯布置的模擬照明效果圖 圖8 中線布置的模擬照明效果圖Fig.7 Simulation of lighting effect with of centerline layout Fig.8 Simulated lighting effect diagram staggered arrangement on both sides

3.3 節(jié)能比較

模擬結(jié)果亮度、均勻度均符合設計要求，中線布置、兩側(cè)交錯布置形式隧道照明方案的燈具數(shù)量功率見表5.由表中可知，燈具兩側(cè)交錯布置方式比中線布置方式節(jié)能，但相差不多.

表5 燈具數(shù)量功率Tab.5 Luminaire quantity power meter

4 不同控制方式節(jié)能比較

目前,隧道照明系統(tǒng)普遍采用的控制方式有三種[2]：人工控制、自動控制和智能控制.

4.1 人工控制

人工控制是控制方式的最基本方式.無論采用其他任何的控制方式都必須具有人工手動控制的功能，通過人工手動對照明回路進行實時控制，手動開啟或關(guān)閉燈具的照明回路控制器.目前主要是在有應急預案需要時，如在交通事故處理、隧道例行維護檢修或交通高峰、節(jié)假日等有巨大的車流量時段，都需要人工介入進行手動控制.

4.2 自動控制

根據(jù)季節(jié)、天氣、時間段等因數(shù)對隧道照明分時段進行控制.將加強照明燈具及基本照明燈具均勻、對稱地各分成幾個回路，把基本照明燈具的一個回路作為應急照明回路，應急回路的燈具數(shù)量產(chǎn)生的隧道亮度應符合規(guī)范要求.控制時段的具體分配應根據(jù)不同地區(qū)、不同季節(jié)進行具體調(diào)整[7]，各級控制模式下各照明段亮度均不得低于中間段亮度，特別是午夜時段控制，若隧道外道路有照明系統(tǒng)，則隧道內(nèi)實時的亮度必須與連接道路的亮度盡可能一致，關(guān)閉隧道基本照明燈具的數(shù)量應根據(jù)隧道外道路的亮度來進行調(diào)整[8].本文設計的時段僅為電能損耗計算方便選取，工程實際中由運營單位根據(jù)管理需要制定，控制內(nèi)容及時段設計參照表6.

表6 分時段控制Tab.6 Timesharing control list

4.3 智能控制

根據(jù)隧道照明設計方法，影響隧道照明各個分段照明亮度的設計參數(shù)有：車輛行駛速度、交通流量和洞外亮度.這三個參數(shù)的選取影響著隧道照明設計燈具容量以及燈具布置方式的選擇，從而直接關(guān)系到隧道照明的能耗水平.由于在設計階段車輛行駛速度、交通量和洞外亮度的取值是按照規(guī)范要求確定的固定值，但在實際運營中，這三個參數(shù)是實時變化的，特別是洞外亮度和交通流量會隨時間進行變化[9].只有充分考慮這些因數(shù)變化的影響，才能真正做到安全運營與節(jié)約電能的理想效果.因此，有必要對隧道照明系統(tǒng)進行按需照明的智能管控.目前，對隧道照明進行智能控制的設備，主要由采用檢測洞外亮度的亮度檢測器結(jié)合檢測車輛行駛速度、交通流量的微波車輛檢測器組成[10].基于數(shù)字雷達波技術(shù)的微波車輛檢測器被廣泛用于進行交通信息檢測與采集，側(cè)掛式固定安裝在需要檢測的地點，通過計算車輛經(jīng)過檢測區(qū)域的時間差來對車輛速度、交通流量等交通信息進行有效采集[11]，可以全天候檢測，并具有漏檢率低和預測精度高等優(yōu)點，能實時獲取車輛行駛速度、交通流量等數(shù)據(jù).該系統(tǒng)充分考慮交通、天氣等參數(shù)的實時變化，通過調(diào)光控制器根據(jù)探測系統(tǒng)提供的參數(shù)，對照明系統(tǒng)根據(jù)隧道亮度進行實時調(diào)光控制，做到按需照明的理想效果[12].在保障行車安全的前提下，提高了光源的利用率，延長燈具的壽命，提升了照明質(zhì)量，減少了能耗，優(yōu)化了隧道交通環(huán)境，智能控制是隧道照明控制的一種主要趨勢.

表7是根據(jù)天空面積百分比為10%和0兩種洞外亮度模擬設計的燈具數(shù)量與功率表，由表中可知，每天運行12 h，一年有3.4萬kWh的電能差別.通過比較可以得出,不同的洞外亮度對隧道照明能耗有直接的關(guān)系，必須對洞外亮度參數(shù)有效地利用，才能取得更好的節(jié)能效果，因此有必要對洞外的亮度變化進行有效的智能檢測.在洞口土建建設完成后，進行洞外亮度實測，若設計值與實測值誤差超過25%，則隧道照明系統(tǒng)必需進行重新設計[2]，因此可見智能控制系統(tǒng)的設計是很有必要的.

表7 洞外亮度對隧道節(jié)能的影響Tab.7 Table of influence of brightness outside tunnel on tunnel energy saving

5 節(jié)能效率比較

5.1 電氣節(jié)能比較

對不同光源燈具、不同布置方式的三種方案的設計容量進行比較，如表8所示.參照表6的時段，分析每天運營24 h的用電量見表9.

表8 容量比較Tab.8 Capacity comparison table

表9 社會效益估算Tab.9 Estimate of social benefits

由表8和表9可知LED燈節(jié)能效果比較明顯，社會效益非常好，模型中的LED燈兩側(cè)交錯布置為本設計的最優(yōu)方案.

5.2 其他節(jié)能措施

隧道照明節(jié)能措施主要在照明標準、燈具光源選擇和照明自動化控制等方面，但是隧道照明系統(tǒng)節(jié)能設計除了通過光源燈具選型、燈具布置方式等電氣措施外，還可以通過其他方式進行降低能耗，節(jié)約能源.隧道照明的設計與洞外亮度有直接的關(guān)系，可以在接近隧道洞口段的道路兩側(cè)種植樹木或其他綠色植物等減光設施，合理地降低洞外環(huán)境亮度；合理采用隧道內(nèi)墻壁的裝修材料，增強墻面的反射效果，提高光源的利用系，增加燈具光源的利用率；加強對隧道照明系統(tǒng)的日常維護[13]，清潔隧道環(huán)境，保證墻面的反射率和燈具光通量的下降控制在最低水平，達到降低能耗的目的.

6 結(jié)語

利用Dialux照明設計軟件對隧道照明建立三維模型進行仿真設計，根據(jù)仿真模型將節(jié)能設計與隧道的光源燈具選型、燈具布置方式、洞外亮度等參數(shù)有機地結(jié)合起來，得出符合規(guī)范的最佳節(jié)能設計方案.再結(jié)合隧道照明在不同控制方式下的節(jié)能效果[14]，分析不同模型下的隧道照明能源消耗狀況，得出隧道照明在設計階段的最有效的節(jié)能設計方案.當然電氣節(jié)能不是隧道照明節(jié)能的唯一途徑，隧道內(nèi)部裝修材料對隧道照明也有較大的影響，隧道洞外白天的亮度對設計的影響也很大，如何降低洞外亮度對隧道節(jié)能意義重大.同時，照明節(jié)能也不是隧道照明設計的唯一評價指標，應該在保障行車舒適度和行車安全的前提下，減少耗能，提高能源利用，提升隧道照明質(zhì)量，從而推動綠色、智能、安全的隧道交通環(huán)境，才對隧道照明的節(jié)能設計具有普遍的參考價值和指導意義.