? 公路隧道照明节能改造技术应用研究 公路隧道照明节能改造技术应用研究
张乃斌1，赵卫斌1，马非2
(1.浙江金丽温高速公路有限公司，杭州310020；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)
摘要：公路隧道照明系统电能消耗约占隧道总电能消耗的80%左右，节能减排空间较大。随着LED灯具质量提升和成本降低，LED灯具正逐步取代高压钠灯。介绍隧道照明系统电能消耗特征，基于LED灯具的技术特点提出隧道照明节能改造方案，分析示范工程浙南地区黄岗隧道的改造后节能效果，提出隧道节能改造经济效益与隧道长度的关系。
关键词：隧道照明；合同能源；效益
1研究背景
近年来，我国能源形势严峻，煤炭、石油、天然气人均占有储量只有世界平均水平的11%和4.5%，但我国能源利用效率却比国际先进水平约低10个百分点，单位GDP能耗是世界平均水平的3倍左右，因此节能减排形势紧迫。根据交通运输部《公路水路交通运输节能减排“十二五”规划》，我国已在交通领域大力推动隧道照明节能减排工作，并将继续分批次更换现有隧道的高压钠灯，推广寿命长、光效高的LED灯具[1]。
以前建设的高速公路，其隧道照明系统一般采用高压钠灯。该类型灯具具有能耗高、故障率高、维护难度大的弊端。随着LED技术的发展，LED灯具的质量逐渐趋于成熟，光效大大提高，光源和驱动电源的稳定性得到改善,基本上克服了光衰大、散热性能差的缺陷，在光通量、寿命、易维护性等方面超越了高压钠灯[2-4]，同时LED灯具的成本随着应用规模的增大而稳步下降。隧道基本照明中，LED灯具的成本接近高压钠灯的成本。隧道加强照明中，照明灯具功率较大，而LED灯具的成本与其功率呈线性关系，故现阶段其成本尚高于高压钠灯成本。
LED灯具近3年来才在高速公路隧道内推广应用，之前的隧道照明系统大都采用高压钠灯。高速公路运营单位在养护经费有限的情况下一般不会采用LED灯具替换高压钠灯。近年来，一种新的管理模式—合同能源管理(EMC)模式已在其他行业得到了推广应用，并取得了显著的节能效益。该模式同样适用于高速公路隧道照明系统节能改造。本文介绍了高速公路隧道照明系统特点，提出高速公路隧道节能改造方案，并对浙南地区黄岗隧道节能改造效果进行了分析。
2公路隧道照明系统特点
2.1公路隧道照明基本要求
公路隧道照明的目的在于为驾驶员提供安全行车的视觉条件，提供可获得足够视觉信息的亮度水平，满足不同层次的驾驶员的视觉功能和心理需求，确保车辆无论是在白天还是夜间都能以给定的设计速度安全行车[5]。
隧道照明与道路照明的显著区别是不仅夜间需要照明，白天更需要照明，且白天照明比夜间照明更加复杂。隧道照明不只像道路照明那样仅仅提供一定的亮度，而是应综合考虑设计(实际)运营车速、交通量、隧道线型等因素，并注意司乘人员的安全性和舒适性，特别需注意隧道入口与相邻区段的视觉适应过程[6-7]。
驾驶者从隧道外较亮的视觉环境进入隧道内较暗的视觉环境时需要一个适应过程，洞内外亮度差别越大，需要适应的时间就越长。因此，隧道照明系统中，从入口至出口的亮度需要根据人的视觉适应特征进行设置[8]。隧道照明区域共分为接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段，如图1所示。
以行车速度80km/h为例，当洞外亮度取值为3000cd/m2时，隧道内入口段1的亮度为75.00cd/m2，入口段2、过渡段1、过渡段2、过渡段3的亮度分别是入口段1亮度的0.5，0.15、0.05和0.02倍，中间段的照明亮度为1.5cd/m2。入口段1的亮度为中间段亮度的50倍，2个区域单位时间内的电能消耗比值也在50左右。隧道照明区段亮度要求如表1所示。
L20(S)—洞外亮度；L20(A)—适应点亮度；Lin—中间段亮度；Ltr—过渡段亮度；Lex—出口段亮度；Dth—入口段长度；Dtr—过渡段长度；Dex—出口段长度；d—适应距离。
图1隧道照明区域
表1隧道照明区段亮度要求
照明区段区段长度/m照明亮度/(cd·m-2)备注入口段142.0075.00最大洞外亮度L20取3000cd/m2入口段242.0037.50过渡段172.0011.25过渡段289.003.75过渡段30.00-基本段-1.50出口段130.004.50出口段230.007.50
2.2隧道加强照明与基本照明功率的关系
就LED灯具而言，灯具成本与灯具瓦数基本呈线性关系。加强照明部分灯具配置规模较大，且与隧道长度无关。基本照明单位长度的灯具配置规模较小，灯具配置总功率与长度相关。加强照明与基本照明的总功率比值与隧道长度密切相关，隧道长度较短时，基本照明功率与加强照明功率相比较小；隧道长度较长时，基本照明功率与加强照明功率相比较大。
由于隧道内基本照明开灯时间较长，其消耗的电量占总消耗电量的比率较大，因此，隧道灯具总体利用率与隧道照明系统基本照明与加强照明的功率比有很大关系。隧道较短时，基本照明功率与加强照明功率比较小，灯具总体利用率较低。如图2所示，隧道长度为500m时，基本照明功率仅为加强照明功率的15.5%，节能改造后节省的电费较少；隧道长度为3200m时，基本照明功率与加强照明功率基本相等，节能改造后灯具的总体利用率较高,经济效益较好。
图2加强照明与基本照明功率比
以2000m长隧道为例，当灯具为高压钠灯时，加强照明平均每d的耗电量约为139kW/h，而基本照明的耗电量约为545kW/h；当灯具为LED灯时，加强照明平均每d的耗电量约为34kW/h，而基本照明平均每d的耗电量约为149kW/h，如图3所示。
无论是高压钠灯还是LED灯，加强照明的配置功率均较大，而实际耗电量较少；基本照明的配置功率均较小，而实际耗电量较多。
3隧道照明节能改造方案
3.1基本照明部分
隧道基本照明设计时，一般采用额定功率100W的高压钠灯作为照明灯具，实际消耗功率在115W左右，整灯光通量约7000lm，整灯光效为70lm/W。但随着LED照明技术的发展，LED灯整灯光效高于高压钠灯的光效。以额定功率为35W的LED灯具为例，实际消耗功率为35W，整灯光通量为3500lm，整灯光效为100lm/W，因此，公路隧道节能改造中一般采用LED灯具替换原来的高压钠灯。
图3隧道加强照明和基本照明耗电量对比
为了保证照明质量，基本照明灯具的初始光通量不小于3500lm，6年内光通量衰减率不大于25%。用LED灯具替换高压钠灯时，灯具布置方式按原高压钠灯布置形式确定，双侧对称布置或交错布置，间距12或14m，且需根据原有基本照明高压钠灯间距而定。
本文采用数值分析程序对基本照明效果进行了光学仿真分析。按不同布置形式和间距布置的灯具照度分析结果如表2所示，照度空间分布情况如图4所示。
图4灯具按不同形式和间距布置时其亮度分布
在灯具安装角度相同的条件下，其布置方式对路面平均亮度影响较小，12和14m间距的平均亮度分别为3.33和2.86cd/m2。布置间距为12m时，交错布置和对称布置的总均匀度相同，纵向中线均匀度有所差异。灯具交错布置时其纵向中线均匀度为0.98，而对称布置时其纵向中线均匀度为0.90，交错布置时其纵向照明效果优于对称布置。
表2基本照明技术指标
间距/m布置类型平均亮度/(cd·m-2)总均匀度纵向中线均匀度12对称3.330.850.90交错3.330.850.9814对称2.860.750.89交错2.860.730.95
3.2加强照明部分
根据现行规范亮度要求规定，加强照明LED灯照明的总功率应不小于15kW。本文采用计算机仿真程序对入口段1的照明效果进行分析，并以整灯光通量23000lm、对称布置间距2m为计算参数进行计算机仿真。隧道入口段1的照度空间分布及路面亮度分布如图5所示。以浙江省金丽温高速公路黄岗隧道为例，其改造前加强照明高压钠灯的总功率为53.7kW，改造后LED灯的总功率为15.14kW，节能率达71.8%。
图5黄岗隧道加强照明亮度分布
以洞外亮度3000cd/m2为例，根据规范要求则洞内路面最小亮度须为75cd/m2，考虑到运营期内灯具本身的衰减及运营环境影响，灯具最低亮度须不小于96cd/m2才能够满足运营安全需求。
综上所述，隧道节能改造中，若基本照明部分采用光通量不小于3500lm的灯具，加强照明总功率不小于15kW(整灯光效不小于100lm/W)的前提下，则能够满足运营期间隧道亮度要求，且节能率均超过70%。由于LED灯能够进行无级调光，使用过程中可以根据洞外亮度实时调光，因此具有更大的节能空间。
3.3隧道节能改造示范工程分析
浙江省金丽温高速公路有限公司于对黄岗隧道进行了LED灯节能改造。黄岗隧道长1978m，为考察改造效果，仅对隧道其中1幅进行改造，另外1幅仍然采用高压钠灯，同时还实施了智能控制系统和能耗管理平台。隧道照明系统运行过程中，有2种控制模式，一种是严格按照隧道照明规范进行开启，此种模式下，LED灯消耗功率较小；另一种是高压钠灯和LED灯具有同样亮度的模式。黄岗隧道全功率等效开灯时间如表3和图6所示。
由表3和图6可以看出，现有高压钠灯加强照明部分的功率占比较大而开灯时间较短，灯具利用率较低，改造后的节能效益较差；高压钠灯基本照明部分的负荷占比较小而开灯时间较长，灯具利用率较高，改造后的节能效益较好。由此可知，随着隧道长度增加，基本照明的负荷占比逐渐增加，在开灯时间一定的前提下，节能效益将随长度增长而增高。
表3黄岗隧道全功率开灯时间
灯具类型功率/(kW·h-1)不同控制模式下的全功率开灯时间/h混合运行模式(-02-09—-07-12)实际运行模式(-02-09—-03-03)同等亮度模式(-03-04—-06-26)钠灯加强53.72.972.533.04钠灯基本32.9716.5415.9316.69LED灯加强15.412.181.972.34LED灯基本16.488.555.519.85
图6黄冈隧道高压钠灯等效开灯时间
4结论
1)隧道照明中，加强照明配置功率较大，改造成本高，而开灯时间较短，所消耗的电量较少，利用率较低；基本照明的配置功率与隧道长度相关，改造成本较低，开灯时间较长，消耗的电量较大，灯具利用率较高。因此，基本照明采用LED灯进行改造综合效益较好。
2)根据现有照明设计规范，在双侧布置、布灯间距12或14m的情况下，基本照明采用功率35W、光通量不小于3500lm的LED灯具即可满足运营安全需要。加强照明的总配置功率不小于15kW就能达到规范要求的亮度。
3)从金丽温高速公路黄岗隧道的改造案例分析可知，隧道长度越长，基本照明功率占比就越大，节能效益也越好。
参考文献
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ResearchonApplicationofEnergy-savingReconstruction TechnologyforLightinginHighwayTunnels
ZHANGNaibin1,ZHAOWeibin1,MAFei2
Abstract:Powerconsumptionoflightingsysteminhighwaytunnelsaccountsforapproximate80%oftotalpowerconsumptionoftunnels,andtheroomforenergyconservationandemissionreductionislarge.Withimprovementofqualityandcostreduction,LEDlampsaretakingplaceofhigh-pressuresodiumlampsgradually.Thispaperintroducesthefeaturesofpowerconsumptionoflightingsystemintunnelsfirst,andtheproposesenergy-savingreconstructionschemefortunnellightingbasedonthetechnicalfeaturesofLEDlamps,analyzestheenergy-savingeffectafterreconstructionofdemonstrationproject-HuanggangTunnelinsouthernZhejiangProvince,andproposestherelationshipbetweeneconomicbenefitofenergy-savingreconstructionoftunnelsandthelengthoftunnels.
Keywords:tunnellighting;contractenergy;benefit
文章编号：1009-6477()02-0138-05
中图分类号：U453.7
文献标识码：A
作者简介：张乃斌(1979-)，男，浙江省丽水市人，本科，高工。
收稿日期：-09-06
DOI:10.13607/ki.gljt..02.030
