高速公路隧道按需照明的節(jié)能控制

王希良，李曉寒，韓美玲，別楚瀟，王亞楠

(石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，河北 石家莊 050043)

引言

隨著公路隧道數(shù)量和里程的增加，能耗問題日漸突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國公路隧道平均每年照明費(fèi)用約為15萬元/km[1]。隧道全天候均需照明來保證行駛安全與舒適，照明系統(tǒng)是公路隧道的重要組成部分，也是主要的用電系統(tǒng)，由于設(shè)置不合理等原因，大大增加運(yùn)營成本，如何在確保隧道安全行車的情況下有效地降低能耗是當(dāng)前急需解決的問題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道節(jié)能做了相關(guān)研究。楊超等[2]對(duì)智能控制隧道照明節(jié)能進(jìn)行了總結(jié)和分析，發(fā)現(xiàn)LED燈比普通高壓鈉燈省電50%～60%，根據(jù)配光設(shè)計(jì)的LED比傳統(tǒng)的LED節(jié)能12%左右。楊超和黃傳茂[3]建立了九景高速公路雁列山隧道中間段中央布燈的參數(shù)優(yōu)化模型，對(duì)燈具安裝高度、縱向安裝間距和單燈功率等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)能性超過40%，并采用DIALux軟件驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。李列[4]提出采用多級(jí)調(diào)光控制策略實(shí)現(xiàn)隧道照明節(jié)能的目標(biāo)，但不能根據(jù)隧道的周圍環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能控制。孫巧燕等[5]以資產(chǎn)全壽命周期成本計(jì)算為基礎(chǔ)，全面考慮資產(chǎn)投資、運(yùn)營，選取高壓鈉燈和LED光源進(jìn)行對(duì)比研究，LED燈節(jié)能效果顯著。上述研究表明，通過改變布燈方式、優(yōu)化燈具參數(shù)、布設(shè)發(fā)光反光涂料、多級(jí)調(diào)光控制隧道照明有助于交通安全和節(jié)能，但對(duì)隧道整段布燈方法、基于天氣環(huán)境變化線路的實(shí)時(shí)控制方法研究較少。

本文主要研究分析不同長度范圍內(nèi)布燈方式、布燈參數(shù)、混合組合燈具、實(shí)時(shí)線路控制方法對(duì)道路照明質(zhì)量和照明能耗的影響。根據(jù)不同季節(jié)、天氣變化實(shí)時(shí)調(diào)控線路亮度等級(jí)，并利用DIALux照明仿真軟件，模擬布燈方式、混合組合燈具、不同天氣環(huán)境下的隧道道路照明亮度場景，驗(yàn)證其可靠性，促使隧道照明更加安全和節(jié)能。

1 隧道照明整體布燈方案研究

以某隧道為依托工程，采用照明軟件DIALux建立隧道模型。隧道模型全長L=1 000 m，路寬為10.8 m，隧道凈高為7 m，隧道內(nèi)全部采用水泥混凝土路面，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，N=750 veh/h·ln墻面設(shè)定反射率為0.85的材料，洞門隧道洞口亮度為3 000 cd/m2。

根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TD70/2-01—2014)[6]規(guī)范，計(jì)算各段的長度和理論亮度值如表1所示。

表1 隧道整段亮度值

入口段采用功率為150 W的LED燈，其單個(gè)燈具光通量為15 000 lm。過渡段、中間段、出口段采用功率為70 W的LED燈，其單個(gè)燈具光通量為8 920 lm，進(jìn)行布燈方式研究，隧道布燈間距如表2所示。

表2 隧道布燈間距

2 隧道照明實(shí)驗(yàn)仿真

主要研究兩側(cè)對(duì)稱布燈、兩側(cè)交錯(cuò)布燈、中央布燈、中線偏側(cè)布燈四種不同布燈方式采取混合組合燈具、不同間距、安裝仰角、不同線路控制方案對(duì)隧道照明質(zhì)量以及能耗的影響。隧道照明實(shí)驗(yàn)利用DIALux進(jìn)行模擬，確定布燈方式、組合燈具，制定根據(jù)天氣變化的線路實(shí)時(shí)控制方案。

2.1 隧道布燈方式對(duì)比

考慮布燈方式、布燈間距對(duì)道路照明、能耗的影響，隧道各段布燈方式分別采用如表2所述的布燈間距進(jìn)行對(duì)比分析，利用DIALux建立隧道模型，燈具安裝高度H為5.6 m，維護(hù)系數(shù)為0.8，兩側(cè)對(duì)稱、兩側(cè)交錯(cuò)、中線偏側(cè)布燈安裝仰角為20°，中央布燈仰角為0°，兩側(cè)布燈縱向安裝間距為2 m，中線偏側(cè)布燈為1 m，隧道2 m處往下添加反射率為0.85的發(fā)光反光涂料。入口段1、入口段2采用150 W的LED燈，過渡段、中間段、出口段采用70 W的LED燈進(jìn)行布置研究，其他條件不變。根據(jù)上述布燈參數(shù)，求得路面照度值及消耗的總功率。隧道入口段的立體空間模型如圖1所示，利用DIALux根據(jù)不同間距、不同燈具布置參數(shù)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，得出整體隧道的布燈方案。

圖1 隧道3D模型效果圖

以入口1段為例詳細(xì)分析四種布燈方式的照度值、均勻度、所需能耗值等參數(shù)如表3所示。

表3 入口段1不同布燈方式、布燈間距、功率下的道路照度值

由表3可知，四種布燈方式下的照度值和均勻度都滿足行車安全需求，中央布燈、兩側(cè)對(duì)稱布燈和兩側(cè)交錯(cuò)布燈均勻度相差較小時(shí)，為了緩解進(jìn)入洞口處黑洞效應(yīng)的影響，建議取照度值偏大的方案。中央布燈路面平均照度值最大，比其他三種方式的照度值大70 lx左右，相差較大，且功率較低。因此，入口段1優(yōu)先選擇中央布燈方式。

DIALux軟件經(jīng)過28次照明模擬分析，選取道路照度值、均勻度均滿足行車舒適性要求，同時(shí)能耗低的方案。平均照度與平均亮度換算系數(shù)按照J(rèn)TG/TD 70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》[6]的取值為10 lx/(cd·m-2)。通過照度數(shù)據(jù)分析，中線偏側(cè)布燈方式照明質(zhì)量、耗能都是最差，布燈間距小于或等于9 m時(shí)優(yōu)先選擇兩側(cè)對(duì)稱布燈和中央布燈方式，布燈間距大于9 m時(shí)兩側(cè)交錯(cuò)布燈優(yōu)于兩側(cè)對(duì)稱布燈，布燈間距大于14 m時(shí)，優(yōu)先選擇兩側(cè)交錯(cuò)布燈和中央布燈方式。在亮度差別很小，滿足安全行駛的情況下，選擇均勻度更高、更加節(jié)能的布燈方式，如果亮度差別很大，尤其在出入口，為了緩解“黑洞效應(yīng)”、“白洞效應(yīng)”選擇亮度更大的布燈方案。各段采取的布燈方案如表4所示。

2.2 隧道線路控制方案

1)隧道燈具組合照明仿真。入口段1、入口段2選用150 W高壓鈉燈、LED燈、152 W的無極燈。過渡段1、過渡段2、中間段、出口1、出口2采用70 W LED燈、高壓鈉燈、74 W無極燈。采用LED燈、高壓鈉燈、無極燈、LED+高壓鈉燈、LED+無極燈、高壓鈉燈+無極燈，6種混合燈具組合形式導(dǎo)入DIALux中模擬隧道道路照明情況。

表4 隧道布燈方式及亮度值

表5 燈具光源特性對(duì)比分析

由表5可知，LED燈、無極燈使用壽命長，實(shí)際光效高，有效照度高，顯色指數(shù)、色溫值高，都屬于綠色光源，高壓鈉燈與前兩者相比在光源特性指標(biāo)方面處于劣勢(shì)，優(yōu)先選擇前兩者。并且LED燈、無極燈啟動(dòng)時(shí)間短，具有優(yōu)異的調(diào)光性能，光線柔和、無頻閃，可以進(jìn)行無極調(diào)光，在降低照明水平的同時(shí)，不影響照明均勻度，而且可連續(xù)變化，符合人眼的視覺生理特性，節(jié)能顯著且視覺效果比高壓鈉燈好。高壓鈉燈是一種線光源，基于一條很窄的局部發(fā)光原理，發(fā)光點(diǎn)光密度非常高，易使人產(chǎn)生不適感且易疲勞，啟動(dòng)時(shí)間較長。隧道屬于高耗能場所，對(duì)高效節(jié)能光源需求更是迫切，長壽命、低光衰、顯色性高、無頻閃、可以進(jìn)行無極調(diào)光、少維修或免維修LED燈、無極燈是隧道的首選。

根據(jù)光源性能，燈具參數(shù)特點(diǎn)，道路照明質(zhì)量，節(jié)能環(huán)保性，初投資與運(yùn)營費(fèi)用，選擇最優(yōu)燈具組合方案。初投資與運(yùn)營費(fèi)用主要從燈具費(fèi)用、用電費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用[7]等進(jìn)行考慮，公式表示為：

Pt=PL+Pe+Pm

(1)

式中，Pt為照明總費(fèi)用；PL為燈具費(fèi)用(包括安裝費(fèi)用)；Pe為用電費(fèi)用；Pm為維修費(fèi)用。其中，高壓鈉燈安裝費(fèi)用為600元，LED為3 000元，無極燈為2 500元，國家政策補(bǔ)貼指標(biāo)LED 1 000元，無極燈500元，高壓鈉燈無。將補(bǔ)貼折算，則高壓鈉燈為600元，LED燈和無極燈為2 000元。通過廠商和用戶調(diào)查數(shù)據(jù)，一般高壓鈉燈每兩季度要進(jìn)行一次維護(hù)，每次維護(hù)的人工費(fèi)和材料費(fèi)需要105元/套；而LED燈每年維護(hù)一次即可，每次維護(hù)的人工費(fèi)用和材料費(fèi)用需要140元/套。基本照明燈具按每天使用20 h考慮，加強(qiáng)照明燈具按每天使用10 h考慮[7]，每度電的價(jià)格為0.85元。

隧道各段根據(jù)表4所示布燈方式模擬混合燈具組合下的道路照明質(zhì)量，結(jié)果顯示：

入口段1、入口段2、過渡段1、出口段1、出口段2，照明質(zhì)量均為LED>LED+高壓鈉燈>LED+無極燈>高壓鈉燈>高壓鈉燈+無極燈>無極燈；

過渡段2，照明質(zhì)量為LED>LED+高壓鈉燈>高壓鈉燈+無極燈>高壓鈉>LED+無極燈>無極燈；

中間段，照明質(zhì)量為LED>LED+高壓鈉燈>高壓鈉>LED+無極燈>無極燈>高壓鈉燈+無極燈。

圖2 隧道運(yùn)營費(fèi)用

在隧道出入口處的燈具應(yīng)具有一定的透霧性能和透視性能，光效良好并節(jié)能環(huán)保。高壓鈉燈、無極燈光照效果良好、透霧性強(qiáng)適合雨霧天氣道路照明，但長壽命、低光衰、顯色性高、無頻閃、免維修的無極燈是隧道的首選。根據(jù)初期燈具投資、后期燈具維修、照明電費(fèi)費(fèi)用，進(jìn)行5.5年、13.5年、16年、25年照明費(fèi)用統(tǒng)計(jì)分析(部分圖如圖2所示)，LED+無極燈的投資隨著時(shí)間的推移優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來。根據(jù)光源性能、道路照明質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保、初投資與運(yùn)營費(fèi)用、應(yīng)用前景以及模擬仿真結(jié)果，入口1、入口2、過渡1、出口1、出口2采用LED+無極燈+中央布燈，過渡2采用高壓鈉燈+無極燈+兩側(cè)交錯(cuò)布燈，中間段采用LED+無極燈+兩側(cè)交錯(cuò)布燈方式。

2)隧道燈具線路控制方案。每段都有各自的線路控制方案，按照不同季節(jié)、不同天氣變化，調(diào)節(jié)隧道入口段、過渡段和出口段的亮度水平，使隧道內(nèi)亮度適應(yīng)于洞外亮度的變化。采取分級(jí)調(diào)光控制法，每段燈具組線路根據(jù)夏季晴天、其他季節(jié)晴天/夏季云天、其他季節(jié)云天/夏季陰天、其他季節(jié)陰天/重陰天進(jìn)行控制線路，采用不同的排列形式布置，分別開啟或關(guān)閉相應(yīng)線路，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)不同路段的照明亮度等級(jí)，保證行車安全。調(diào)光分級(jí)參考《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》[6](JTG/T D70/2-01—2014)如表6所示。

表6 白天加強(qiáng)照明調(diào)光分級(jí)

單向交通N：N≤350或350

據(jù)L20(S)、0.5L20(S)、0.25L20(S)、0.13L20(S)洞外亮度值，可得各段所需亮度值：

入口段1：a所需照度值為90 cd/m2，b為45 cd/m2，c為22.5 cd/m2，d為11.7 cd/m2。

入口段2：a所需照度值為45 cd/m2，b為22.5 cd/m2，c為11.25 cd/m2，d為5.85 cd/m2。

過渡段1：a所需照度值為13.5 cd/m2，b為6.75 cd/m2，c為3.38 cd/m2，d為1.76 cd/m2。

過渡段2：a所需照度值為4.5 cd/m2，b為2.25 cd/m2，c為1.13 cd/m2，d為0.59 cd/m2。

模擬每段僅開單線路或雙線路情況下道路的照度值，根據(jù)不同季節(jié)、天氣變化優(yōu)化線路選擇。線路A、C、M、G、I、K為LED線路控制線路，線路B、D、N、H、E、J、L為無極燈控制線路，線路F為高壓鈉燈控制線路。根據(jù)不同季節(jié)、天氣變化開啟關(guān)閉線路，經(jīng)12次模擬優(yōu)化線路控制圖如表7所示。

表7 隧道整體控制線路

3 張涿高速公路南安莊隧道應(yīng)用研究

張涿高速公路南安莊隧道全長為2 997.0 m，隧道設(shè)計(jì)采用分離式洞室，設(shè)計(jì)隧道采用雙車道，隧道凈寬為12.75 m，高約為5.0 m，設(shè)計(jì)車速為80 km/h。該高速公路的建設(shè)將直接溝通河北北部與中部的交通往來，緩解北京市的交通壓力，對(duì)河北南北經(jīng)濟(jì)發(fā)展將起到關(guān)鍵的作用。

優(yōu)化南安莊隧道照明，隧道分成7段，入口段1、入口段2、過渡段1、出口段1、出口段2采用LED+無極燈+中央布燈，過渡段2采用高壓鈉燈+無極燈+兩側(cè)交錯(cuò)布燈、中間段采用LED+無極燈+兩側(cè)交錯(cuò)布燈。對(duì)改造后的隧道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果如表8所示。

表8 隧道照明方案

根據(jù)不同季節(jié)、天氣變化對(duì)線路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，結(jié)合南安莊隧道的實(shí)際情況，仿真模擬分析得線路控制方案。A、C、G、M、I、K為LED控制線路，B、D、H、F、N、J、L為無極燈控制線路，線路E為高壓鈉燈控制線路。

夏季晴天隧道照明控制線路為：

A+B+C+D+M+N+G+H+E+F+I+J+K+L

其他季節(jié)晴天/夏季云天隧道照明控制線路為：

A+C+M+N+G+E+F+I+J+K+L

其他季節(jié)云天/夏季陰天隧道照明控制線路：

A/(B)+C/(D)+M+N+G/(H)+E+I+J+K+L

其他季節(jié)陰天/重陰天或夜晚隧道照明控制線路：

A/(B)+C/(D)+M+N+G/(H)+E+I+J+K+L

假設(shè)夏季全是晴天占1/4耗能費(fèi)用為C1，其他季節(jié)晴天/夏季云天占2/4為C2，其他季節(jié)云天/夏季陰天與其他季節(jié)陰天/重陰天是相同控制線路占1/4為C3，一年的耗電量Cq為

(2)

式中，m取1、2、3、4，P為采用燈具功率，h基本段為20 h，加強(qiáng)段為10 h，n為燈具數(shù)量，ρ為每度電的價(jià)格，取0.85元/kW·h。

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洞外亮度變化對(duì)照明燈具進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，計(jì)算得四季耗能C1為2.21萬元，C2為3.48萬元，C3為1.69萬元，方案優(yōu)化后一年耗電費(fèi)Cq用7.38萬元，原系統(tǒng)采用LED燈，燈具功率為40 W，采用兩側(cè)對(duì)稱布燈方式，布燈間距為15 m，一年電費(fèi)為9.16萬元，則優(yōu)化方案比原方案節(jié)能19%，既保證了隧道洞內(nèi)照度與洞外道路照度的完美連接，又滿足了不同天氣情況下、不同道路狀況下的照明要求，避免過度照明和照明不足，使隧道照明更加安全和節(jié)能。

4 結(jié)語

通過對(duì)隧道入口段、過渡段、中間段、出口段照明布燈參數(shù)的優(yōu)化及布燈方式的對(duì)比分析，得到布燈方式、布燈參數(shù)與照明質(zhì)量、能耗的關(guān)系。因此，隧道布燈方案：入口段1、入口段2、過渡段1、出口段1、出口段2布燈間距小于9 m采用中央布燈方式；過渡段2、中間段布燈間距大于14 m采用兩側(cè)交錯(cuò)布燈方式。

采用LED燈、高壓鈉燈、無極燈、LED+高壓鈉燈、LED+無極燈、高壓鈉燈+無極燈6種混合燈具組合方案，從光源特性、照明質(zhì)量和近期、遠(yuǎn)期運(yùn)營費(fèi)用等方面對(duì)6種混合燈具布燈進(jìn)行綜合分析，確定了入口1、入口2、過渡1、出口1、出口2 采用LED+無極燈+中央布燈，過渡2采用高壓鈉燈+無極燈+兩側(cè)交錯(cuò)布燈，中間段采用LED+無極燈+兩側(cè)交錯(cuò)布燈的組合布燈方案。

制定基于天氣環(huán)境變化的線路實(shí)時(shí)控制方案，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洞外亮度對(duì)洞內(nèi)燈具亮度進(jìn)行智能調(diào)控，分別開啟或關(guān)閉相應(yīng)線路，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)不同路段的照明亮度等級(jí)，保證行車安全。并以張涿高速公路南安莊隧道為例，驗(yàn)證了整段布燈方式、線路實(shí)時(shí)調(diào)控方法的可靠性。