关于公路隧道照明节能改造的研究与应用

李卓

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075)

关于公路隧道照明节能改造的研究与应用

李卓

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075)

分析了影响公路隧道照明节能的主要因素，根据旧有公路隧道能耗成本高、节能减排空间大的特征，提出了公路隧道照明系统节能改造的方案，指出隧道照明节能改造技术有效降低了运营费用，具有显著的经济和社会效益。

隧道，照明，节能改造，灯具

1 研究背景

截止2015年年底，全国公路隧道14 006处，总长1 268.39万m。其中，特长隧道744处，长329.98万m，长隧道3 138处，长537.68万m[1]。随着我国高速公路建设的发展，隧道数量越来越多，隧道建成后的照明能耗也越来越高。在2014年以前已建成通车的公路隧道均按照《公路隧道通风照明设计规范》(以下简称“规范”)进行设计，因规范落后、新型照明灯具和调光技术未推广应用等因素，照明节能减排方面工作进展一直缓慢。随着新规范《公路隧道照明设计细则》(以下简称“细则”)的发布及新技术的发展对于旧有隧道的照明节能改造工作越来越迫切。本文以时速为80 km/h的隧道为例，提出隧道照明的节能改造方案，并对其节能改造效果进行综合分析。

2 公路隧道节能因素研究

2.1 隧道洞外亮度

洞外亮度L20(S)是指在接近段起点S处，距地面1.5 m高正对洞口方向20°视场实测得到平均亮度。洞外亮度L20(S)是照明系统设计的基准参数之一，该参数的合理选取对工程投资和运营电费有极大影响。在隧道设计阶段，通常隧道洞门尚未实施完成，因此设计者很少到现场做洞外亮度实测，造成设计中洞外亮度选择趋于保守，大于实际的洞外亮度值。

目前《细则》相对于旧《规范》，提供的40 km/h～100 km/h时速洞外亮度参考值有所降低，并推荐在照明系统设计中结合隧道实际情况“因隧制宜”，合理设计。洞外亮度常用的测试方法有环境简图法、黑度法、数码相机法。数码相机法由于操作简便、测试较为准确，是目前提倡的一种测试方法。根据福建、重庆、河北、陕西、浙江、广东等地高速公路隧道洞外亮度L20(S)实测数据表明：山区高速公路隧道洞外100 m 停车视距内20°圆锥角视场范围的天空含率一般为0%，绝大多数公路隧道洞外亮度L20(S)值在3 000 cd/m2以内。分析计算表明，公路隧道洞外亮度L20(S)取值由4 000 cd/m2降低至3 000 cd/m2，入口加强照明可节能约25.4%[2]。此外通过对隧道洞口进行科学合理的景观设计，采用浓密的深色植被和深色的洞门型式均可以有效降低洞外亮度，能进一步降低隧道照明规模。

2.2 隧道加强段及中间段照明

原《规范》入口段亮度Lth=k×L20(S)，其中，Dth为长度。《细则》的变化在于将入口段长度Dth分为2段，入口段1亮度Lth1=k×L20(S)和入口段2亮度Lth2=0.5×k×L20(S)，过渡段的照明亮度相应逐次降低。因加强段的照明灯具的功率配备较大，《细则》通过对加强段的长度及亮度的折减有效降低了隧道的灯具功率配备。

相对于加强段照明，中间段照明的配置功率与隧道长度相关，开灯时间较长，消耗电量较大，对基本照明进行改造的综合效益最好[3]。《细则》降低了中间段的亮度要求，以80 km/h时速的隧道为例，当单向交通量大于1 200辆veh/(h·ln)时，按旧《规范》应为4.5 cd/m2，按新颁布《细则》的中间段取值为3.5 cd/m2(见表1)，相当于灯具功率节能达22%。如隧道照明采用LED灯具，亮度标准可再折减50%，隧道节能效果会更进一步提高。

表1 《细则》中间段亮度 Lin

2.3 灯具选型

2.3.1 高压钠灯

高压钠灯是一种高压钠蒸汽放电灯泡，其放电管采用抗钠腐蚀的半透明多晶氧化铝陶瓷制成，工作时发出金白色光。它具有发光效率高、寿命长、透雾性好等优点，作为隧道照明常采用的传统灯具，它有如下特点：

1)色温及显色性：高压钠灯光色呈黄色，色温为2 000 K～2 100 K，显色性较差，一般显色指数仅为20～25。

2)灯具效率：高压钠灯的初始光通量较高，但发光角度360°。照射到路面方向的光很少只有30%，非应用方向的光需要通过灯具的反射罩将光线投射到路面上，灯具的利用效率约为60%。

3)启动时间：高压钠灯启动时间较长，每次通电5 min～10 min左右的时间，才能达到正常的亮度，再次启动的时间一般要大于5 min。对于按需照明，如无极调光、车来灯亮、车走灯熄的节能调光技术，高压钠灯的启动时间难以满足要求。

2.3.2 LED灯

LED灯具是一种能够将电能转化为光的半导体，发光二极管。随着近几年的技术发展，LED灯具质量逐渐趋于成熟，价格趋于下降，在光通量，节能环保和灯具效率方面都超越了高压钠灯，受到政府及运营单位的大力推广，LED灯具有如下特点。

1)色温及显色性：LED色温在3 000 K～7 000K之间，显色性较好，一般显色指数在75～85。

2)灯具效率：LED灯具为定向放光，发光角度在180°以内，通过灯具透镜二次配光，LED隧道灯具的利用效率可达到85%以上。

3)启动时间：LED灯具可瞬时启动，启动时间小于0.01 s,无需预热。可根据此特性实现实时调光。

从以上对比可以看出来，LED灯在显色性、灯具效率及调光方面比高压钠灯的优势明显。而且在灯具寿命方面，LED灯具寿命可到达50 000 h且光衰小于30%，高压钠灯的寿命一般为20 000 h。在后期运营过程中LED灯具的维护成本也比高压钠灯更低。

3 隧道照明节能改造方案

以2004年设计完工的某隧道为例，该隧道设计时速为80 km/h，全长1 500 m，路基宽度8.75 m，进口为端墙洞门。设计参数采用旧《规范》，洞外亮度采用4 000 cd/m2时，隧道内入口段、过渡段1、过渡段2、中间段亮度分别为100 cd/m2,30 cd/m2,10 cd/m2，2 cd/m2。照明灯具是高压钠灯，使用功率为100 W，150 W，250 W，400 W的高压钠灯，采用两侧对称布灯的方式，灯具安装高度为5.8 m，仰角为13°左右。改造后采用新的设计标准，通过实地测量洞外亮度在3 300 cd/m2左右，按照新《细则》重新进行照明改造设计，洞外亮度可按照3 500 cd/m2进行取值，隧道可分为入口段1、入口段2、过渡段1、过渡段2，设计亮度分别为87.5 cd/m2，43.75 cd/m2，13.13 cd/m2，4.34 cd/m2，1.5 cd/m2。现根据《细则》提出的方法对隧道内照明系统进行改造，改造前加强照明回路平均每天耗电量在76 kW/h，基本照明回路平均每天耗电量在30 kW/h；改造后加强照明回路平均每天耗电量在44.9 kW/h，基本照明回路平均每天耗电量在23 kW/h，如图1所示。可见通过对原有照明系统改造,在同样采用高压钠灯的前提下，加强和基本照明回路耗电量均有下降，加强照明节能效果显著，

节能率达40%左右，基本照明节能率达23%左右。

目前在市政隧道及高等级公路隧道中LED灯具已普及应用，主要设置于隧道基本照明段落。如果在不改变灯具布置形式的前提下，将基本段原有100 W高压钠灯替换为50 W LED灯具，经过照明软件计算，亮度和纵向均匀度均可满足规范要求，而耗电量仅为15 kW/h，通过对基本段的LED改造，节能率可达50%，如图2所示。

改造后采用高压钠灯加LED灯具的方案，隧道照明总耗电量比改造前降低45%。可见，通过对洞外亮度进行优化，对照明入口段进行改造及采用LED灯具等手段，可以大幅度减少照明能耗，节省运营费用。

4 结语

在公路隧道运营过程中，隧道照明是主要的耗能大户，随着交通部发布“交通运输节能环保‘十三五’发展规划”，提出了绿色发展、节能环保的要求，对于旧有公路隧道的照明节能改造越来越迫切。隧道照明节能技术在旧有公路隧道的应用，使得改造前后隧道照明节能效果显著，有效降低运营费用。对运营方而言，照明节能技术有着显著的经济效益和社会效益，具有很高的推广价值。

[1] 交通运输部综合规划司．2015年交通运输行业发展统计公报[N].2016-05-06.

[2] 王少飞.公路隧道照明节能系统论[J].公路，2012(8)：273-277．

[3] 张乃斌.公路隧道照明节能改造技术应用研究[J].公路交通技术，2012，32(2):139-142.

Research on lighting energy-saving reconstruction of roads and tunnels and its application

Li Zhuo

(No.1RoadSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,CCCC,Xi’an710075,China)

The paper analyzes the main factors for the lighting energy-saving of roads and tunnels, points out the energy-saving reconstruction scheme of the lighting system of roads and tunnels according to the high energy consumption cost and large space for the energy-saving and emission reduction of the roads and tunnels, and points out the lighting energy-saving technique can lower the operation cost to achieve better economic and social benefits.

tunnel, lighting, energy-saving reconstruction, light

2016-11-27

李卓(1983- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2017)04-0201-02

TU113.665