公路隧道节能照明运行方案

段 伟

(安徽水利水电职业技术学院, 安徽 合肥 231603)

0 引 言

隧道照明设计参数主要有洞外亮度L20、设计行车时速、交通量、隧道平纵线形等。在其他条件(包括车速、交通量)相同的情况下，设计参数洞外亮度L20选取文献[1]中的估算表格上限值6 000 cd/m2，而实际测算需要洞外亮度L20为4 000 cd/m2，则两者设备费相差33.3%，年耗电量相差达1/3。为了使隧道照明功率符合实际需要，文中对安徽省高速公路多个隧道的交通量及洞外亮度设计参数应用进行了研究。

1 交通量调查

在高速公路隧道照明系统设计中，隧道的出入口段由于洞内外亮度存在较大差异，其照明系统设计主要取决于洞外亮度；而在隧道基本段照明，由于驾驶员已经适应了隧道内的行车环境，因此，主要依据交通量来合理控制照明系统的运行[2]。安徽省若干隧道路段交通量情况见表1。

表1 隧道路段交通量统计表 辆

通过调查统计得出中远期内高速公路隧道的交通量在300～2 000辆/h之间，因此在隧道照明系统设计中，如果采用大于2 000辆/h的交通量来设计，则会带来建设资金和运营费用的大量浪费，在新建高速公路隧道及改造项目中，建议采用配电线路一次设计，变电设备和照明设备分期实施的原则，从而达到安全节能的目的。

2 洞外亮度应用研究

2.1 照明需求K值法

文中对高速公路隧道入口段照明的基本设计参数进行了研究。K值法常用于计算入口段亮度，K值等于入口段亮度与洞外亮度的比值[3]。

因为隧道入口段需要加强照明，这一区域的照明需求适用K值法进行计算，在设计入口段亮度时取洞外亮度的设计值，即L20，公式如下

(1)

式中：Lth----入口段亮度/(cd·m-2)；

K----入口段亮度折减系数；

L20----洞外亮度/(cd·m-2)。

2.2 洞外亮度L20

作为隧道照明系统的设计基准之一，洞外亮度L20的正确设定对工程投资和运营电费都有极大的影响。不同洞外亮度L20取值情况下，加强照明能耗相对百分比如图1所示(以4 000 cd/m2为100%作为参照)[4]。

图1 洞外亮度与加强照明能耗关系图

由图1可见，洞外亮度L20对隧道能耗影响相当大，这也给节能带来了相当大的空间。

隧道洞外亮度L20在隧道照明设计阶段无法实测得到，设计者一般根据文献[1]中的洞外亮度取值查询表获取，见表2。

表2 洞外亮度取值查询表

当土建施工的隧道洞口成型后，设计人员应对洞外亮度L20进行实测，如果设计的L20值与实际值误差大于±25%时，必须对设计值进行修正。一般按实测结果进行修正，大部分隧道的照明规格可下调10%以上。

2.3 亮度折减系数

亮度折减系数一般也是按查表法获取，见表3[5]。

表3 亮度折减系数取值K查询表

根据一般情况，以双车道单向交通限速80km/h为例，若设计交通量大于等于2 400辆/h时，其入口段的亮度折减系数为0.035。

另外，亮度折减系数的取值还取决于公路的行车速度，在照明系统设计时，行车速度参数一般取道路的设计时速。然而，国内外研究表明，驾驶员在进入山区道路后，由于弯道、隧道等较多，注意力将比在开阔道路上更加集中，速度也会有所减慢，在日本、俄罗斯的同类研究中,此项减速约有30%左右[6]。

3 照明运行分析

隧道照明最优灯具组合方案一般考虑灯具光源性能、道路照明质量、节能环保性、投资与运营费用等因素。其中投资与运营费用主要从灯具购置安装费用、维护保养费用、运营用电费用等进行考虑，公式表示为

Pt=PL+Pm+Pe,

(2)

式中:Pt----照明总费用;

PL----灯具购置安装费用;

Pm----维护保养费用;

Pe----运营用电费用。

高压钠灯运营用电为每单位550元，LED灯为每单位2 000元，无极灯为每单位2 000元；高压钠灯无国家政策补贴，LED灯国家政策补贴每单位1 000元，无极灯为每单位500元。综合折算后,高压钠灯每单位成本为550元，LED灯每单位为1 000元、无极灯为每单位1 500元。

根据全国高速公路调研数据，每单位高压钠灯每6个月维护一次的人工费和材料费需要100元;每单位LED灯每年维护一次的人工费和材料费需要120元，电费价格为0.8元/(kW·h)。

我们进行隧道各段布灯方式模拟混合灯具组合实验，实际道路照明质量数据显示对比结果如下[7]:

1)入口段：LED>LED+高压钠灯>LED+无极灯>高压钠灯>高压钠灯+无极灯>无极灯;

2)中间段：LED>LED+高压钠灯> 高压钠>LED+无极灯>无极灯>高压钠灯+无极灯;

3)出口段：LED>LED+高压钠灯>高压钠灯+无极灯>高压钠>LED+无极灯>无极灯。

根据初期灯具投资、后期灯具维修、 照明电费费用，进行5.5、13.5、16、25 年照明费用统计分析，LED+无极灯的投资随着时间的推移优势逐渐显现出来[8]，如图 2 所示。

高速公路隧道照明系统的亮度设计必须按照文献[1]中规定和参数的设置要求进行，这也是行业规范发展的硬性要求。对于在照明系统设计时参数取值过高而造成设计规格过高的情况，我们需要在高速公路隧道照明工程中通过加强对设计环节的管理，完善参数的修正方案，做到最优设计[9]。

4 结 语

高速公路隧道照明系统在设计时一般考虑到中长期的照明需求，因此，进行了一些必要的冗余设计，作为隧道运营管理者必须转变思想，并不是要求设计建设时安装的所有照明设备全部运行才能满足照明需求，这其中有一部分是为将来交通量增长、灯具光衰等情况设计考虑的。对于这些隧道照明系统，可以合理细化照明设备，随着交通量的增长、灯具光衰的加大等因素，逐步投入使用。