高速公路隧道按需照明的节能控制

王希良，李晓寒，韩美玲，别楚潇，王亚楠

(石家庄铁道大学 交通运输学院，河北 石家庄 050043)

引言

随着公路隧道数量和里程的增加，能耗问题日渐突出。据统计，全国公路隧道平均每年照明费用约为15万元/km[1]。隧道全天候均需照明来保证行驶安全与舒适，照明系统是公路隧道的重要组成部分，也是主要的用电系统，由于设置不合理等原因，大大增加运营成本，如何在确保隧道安全行车的情况下有效地降低能耗是当前急需解决的问题。

近年来，国内外学者针对隧道节能做了相关研究。杨超等[2]对智能控制隧道照明节能进行了总结和分析，发现LED灯比普通高压钠灯省电50%～60%，根据配光设计的LED比传统的LED节能12%左右。杨超和黄传茂[3]建立了九景高速公路雁列山隧道中间段中央布灯的参数优化模型，对灯具安装高度、纵向安装间距和单灯功率等参数进行优化，节能性超过40%，并采用DIALux软件验证了优化结果。李列[4]提出采用多级调光控制策略实现隧道照明节能的目标，但不能根据隧道的周围环境实现智能控制。孙巧燕等[5]以资产全寿命周期成本计算为基础，全面考虑资产投资、运营，选取高压钠灯和LED光源进行对比研究，LED灯节能效果显著。上述研究表明，通过改变布灯方式、优化灯具参数、布设发光反光涂料、多级调光控制隧道照明有助于交通安全和节能，但对隧道整段布灯方法、基于天气环境变化线路的实时控制方法研究较少。

本文主要研究分析不同长度范围内布灯方式、布灯参数、混合组合灯具、实时线路控制方法对道路照明质量和照明能耗的影响。根据不同季节、天气变化实时调控线路亮度等级，并利用DIALux照明仿真软件，模拟布灯方式、混合组合灯具、不同天气环境下的隧道道路照明亮度场景，验证其可靠性，促使隧道照明更加安全和节能。

1 隧道照明整体布灯方案研究

以某隧道为依托工程，采用照明软件DIALux建立隧道模型。隧道模型全长L=1 000 m，路宽为10.8 m，隧道净高为7 m，隧道内全部采用水泥混凝土路面，设计速度为80 km/h，N=750 veh/h·ln墙面设定反射率为0.85的材料，洞门隧道洞口亮度为3 000 cd/m2。

根据《公路隧道照明设计细则》(JTG/TD70/2-01—2014)[6]规范，计算各段的长度和理论亮度值如表1所示。

表1 隧道整段亮度值

入口段采用功率为150 W的LED灯，其单个灯具光通量为15 000 lm。过渡段、中间段、出口段采用功率为70 W的LED灯，其单个灯具光通量为8 920 lm，进行布灯方式研究，隧道布灯间距如表2所示。

表2 隧道布灯间距

2 隧道照明实验仿真

主要研究两侧对称布灯、两侧交错布灯、中央布灯、中线偏侧布灯四种不同布灯方式采取混合组合灯具、不同间距、安装仰角、不同线路控制方案对隧道照明质量以及能耗的影响。隧道照明实验利用DIALux进行模拟，确定布灯方式、组合灯具，制定根据天气变化的线路实时控制方案。

2.1 隧道布灯方式对比

考虑布灯方式、布灯间距对道路照明、能耗的影响，隧道各段布灯方式分别采用如表2所述的布灯间距进行对比分析，利用DIALux建立隧道模型，灯具安装高度H为5.6 m，维护系数为0.8，两侧对称、两侧交错、中线偏侧布灯安装仰角为20°，中央布灯仰角为0°，两侧布灯纵向安装间距为2 m，中线偏侧布灯为1 m，隧道2 m处往下添加反射率为0.85的发光反光涂料。入口段1、入口段2采用150 W的LED灯，过渡段、中间段、出口段采用70 W的LED灯进行布置研究，其他条件不变。根据上述布灯参数，求得路面照度值及消耗的总功率。隧道入口段的立体空间模型如图1所示，利用DIALux根据不同间距、不同灯具布置参数进行反复试验，得出整体隧道的布灯方案。

图1 隧道3D模型效果图

以入口1段为例详细分析四种布灯方式的照度值、均匀度、所需能耗值等参数如表3所示。

表3 入口段1不同布灯方式、布灯间距、功率下的道路照度值

由表3可知，四种布灯方式下的照度值和均匀度都满足行车安全需求，中央布灯、两侧对称布灯和两侧交错布灯均匀度相差较小时，为了缓解进入洞口处黑洞效应的影响，建议取照度值偏大的方案。中央布灯路面平均照度值最大，比其他三种方式的照度值大70 lx左右，相差较大，且功率较低。因此，入口段1优先选择中央布灯方式。

DIALux软件经过28次照明模拟分析，选取道路照度值、均匀度均满足行车舒适性要求，同时能耗低的方案。平均照度与平均亮度换算系数按照JTG/TD 70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》[6]的取值为10 lx/(cd·m-2)。通过照度数据分析，中线偏侧布灯方式照明质量、耗能都是最差，布灯间距小于或等于9 m时优先选择两侧对称布灯和中央布灯方式，布灯间距大于9 m时两侧交错布灯优于两侧对称布灯，布灯间距大于14 m时，优先选择两侧交错布灯和中央布灯方式。在亮度差别很小，满足安全行驶的情况下，选择均匀度更高、更加节能的布灯方式，如果亮度差别很大，尤其在出入口，为了缓解“黑洞效应”、“白洞效应”选择亮度更大的布灯方案。各段采取的布灯方案如表4所示。

2.2 隧道线路控制方案

1)隧道灯具组合照明仿真。入口段1、入口段2选用150 W高压钠灯、LED灯、152 W的无极灯。过渡段1、过渡段2、中间段、出口1、出口2采用70 W LED灯、高压钠灯、74 W无极灯。采用LED灯、高压钠灯、无极灯、LED+高压钠灯、LED+无极灯、高压钠灯+无极灯，6种混合灯具组合形式导入DIALux中模拟隧道道路照明情况。

表4 隧道布灯方式及亮度值

表5 灯具光源特性对比分析

由表5可知，LED灯、无极灯使用寿命长，实际光效高，有效照度高，显色指数、色温值高，都属于绿色光源，高压钠灯与前两者相比在光源特性指标方面处于劣势，优先选择前两者。并且LED灯、无极灯启动时间短，具有优异的调光性能，光线柔和、无频闪，可以进行无极调光，在降低照明水平的同时，不影响照明均匀度，而且可连续变化，符合人眼的视觉生理特性，节能显著且视觉效果比高压钠灯好。高压钠灯是一种线光源，基于一条很窄的局部发光原理，发光点光密度非常高，易使人产生不适感且易疲劳，启动时间较长。隧道属于高耗能场所，对高效节能光源需求更是迫切，长寿命、低光衰、显色性高、无频闪、可以进行无极调光、少维修或免维修LED灯、无极灯是隧道的首选。

根据光源性能，灯具参数特点，道路照明质量，节能环保性，初投资与运营费用，选择最优灯具组合方案。初投资与运营费用主要从灯具费用、用电费用、维护费用[7]等进行考虑，公式表示为：

Pt=PL+Pe+Pm

(1)

式中，Pt为照明总费用；PL为灯具费用(包括安装费用)；Pe为用电费用；Pm为维修费用。其中，高压钠灯安装费用为600元，LED为3 000元，无极灯为2 500元，国家政策补贴指标LED 1 000元，无极灯500元，高压钠灯无。将补贴折算，则高压钠灯为600元，LED灯和无极灯为2 000元。通过厂商和用户调查数据，一般高压钠灯每两季度要进行一次维护，每次维护的人工费和材料费需要105元/套；而LED灯每年维护一次即可，每次维护的人工费用和材料费用需要140元/套。基本照明灯具按每天使用20 h考虑，加强照明灯具按每天使用10 h考虑[7]，每度电的价格为0.85元。

隧道各段根据表4所示布灯方式模拟混合灯具组合下的道路照明质量，结果显示：

入口段1、入口段2、过渡段1、出口段1、出口段2，照明质量均为LED>LED+高压钠灯>LED+无极灯>高压钠灯>高压钠灯+无极灯>无极灯；

过渡段2，照明质量为LED>LED+高压钠灯>高压钠灯+无极灯>高压钠>LED+无极灯>无极灯；

中间段，照明质量为LED>LED+高压钠灯>高压钠>LED+无极灯>无极灯>高压钠灯+无极灯。

图2 隧道运营费用

在隧道出入口处的灯具应具有一定的透雾性能和透视性能，光效良好并节能环保。高压钠灯、无极灯光照效果良好、透雾性强适合雨雾天气道路照明，但长寿命、低光衰、显色性高、无频闪、免维修的无极灯是隧道的首选。根据初期灯具投资、后期灯具维修、照明电费费用，进行5.5年、13.5年、16年、25年照明费用统计分析(部分图如图2所示)，LED+无极灯的投资随着时间的推移优势逐渐显现出来。根据光源性能、道路照明质量、节能环保、初投资与运营费用、应用前景以及模拟仿真结果，入口1、入口2、过渡1、出口1、出口2采用LED+无极灯+中央布灯，过渡2采用高压钠灯+无极灯+两侧交错布灯，中间段采用LED+无极灯+两侧交错布灯方式。

2)隧道灯具线路控制方案。每段都有各自的线路控制方案，按照不同季节、不同天气变化，调节隧道入口段、过渡段和出口段的亮度水平，使隧道内亮度适应于洞外亮度的变化。采取分级调光控制法，每段灯具组线路根据夏季晴天、其他季节晴天/夏季云天、其他季节云天/夏季阴天、其他季节阴天/重阴天进行控制线路，采用不同的排列形式布置，分别开启或关闭相应线路，实现隧道内不同路段的照明亮度等级，保证行车安全。调光分级参考《公路隧道照明设计细则》[6](JTG/T D70/2-01—2014)如表6所示。

表6 白天加强照明调光分级

单向交通N：N≤350或350

据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所需照度值为90 cd/m2，b为45 cd/m2，c为22.5 cd/m2，d为11.7 cd/m2。

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

过渡段1：a所需照度值为13.5 cd/m2，b为6.75 cd/m2，c为3.38 cd/m2，d为1.76 cd/m2。

过渡段2：a所需照度值为4.5 cd/m2，b为2.25 cd/m2，c为1.13 cd/m2，d为0.59 cd/m2。

模拟每段仅开单线路或双线路情况下道路的照度值，根据不同季节、天气变化优化线路选择。线路A、C、M、G、I、K为LED线路控制线路，线路B、D、N、H、E、J、L为无极灯控制线路，线路F为高压钠灯控制线路。根据不同季节、天气变化开启关闭线路，经12次模拟优化线路控制图如表7所示。

表7 隧道整体控制线路

3 张涿高速公路南安庄隧道应用研究

张涿高速公路南安庄隧道全长为2 997.0 m，隧道设计采用分离式洞室，设计隧道采用双车道，隧道净宽为12.75 m，高约为5.0 m，设计车速为80 km/h。该高速公路的建设将直接沟通河北北部与中部的交通往来，缓解北京市的交通压力，对河北南北经济发展将起到关键的作用。

优化南安庄隧道照明，隧道分成7段，入口段1、入口段2、过渡段1、出口段1、出口段2采用LED+无极灯+中央布灯，过渡段2采用高压钠灯+无极灯+两侧交错布灯、中间段采用LED+无极灯+两侧交错布灯。对改造后的隧道进行统计分析。结果如表8所示。

表8 隧道照明方案

根据不同季节、天气变化对线路进行实时控制，结合南安庄隧道的实际情况，仿真模拟分析得线路控制方案。A、C、G、M、I、K为LED控制线路，B、D、H、F、N、J、L为无极灯控制线路，线路E为高压钠灯控制线路。

夏季晴天隧道照明控制线路为：

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

其他季节晴天/夏季云天隧道照明控制线路为：

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

其他季节云天/夏季阴天隧道照明控制线路：

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

其他季节阴天/重阴天或夜晚隧道照明控制线路：

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

假设夏季全是晴天占1/4耗能费用为C1，其他季节晴天/夏季云天占2/4为C2，其他季节云天/夏季阴天与其他季节阴天/重阴天是相同控制线路占1/4为C3，一年的耗电量Cq为

(2)

式中，m取1、2、3、4，P为采用灯具功率，h基本段为20 h，加强段为10 h，n为灯具数量，ρ为每度电的价格，取0.85元/kW·h。

根据实时监测洞外亮度变化对照明灯具进行智能调节，计算得四季耗能C1为2.21万元，C2为3.48万元，C3为1.69万元，方案优化后一年耗电费Cq用7.38万元，原系统采用LED灯，灯具功率为40 W，采用两侧对称布灯方式，布灯间距为15 m，一年电费为9.16万元，则优化方案比原方案节能19%，既保证了隧道洞内照度与洞外道路照度的完美连接，又满足了不同天气情况下、不同道路状况下的照明要求，避免过度照明和照明不足，使隧道照明更加安全和节能。

4 结语

通过对隧道入口段、过渡段、中间段、出口段照明布灯参数的优化及布灯方式的对比分析，得到布灯方式、布灯参数与照明质量、能耗的关系。因此，隧道布灯方案：入口段1、入口段2、过渡段1、出口段1、出口段2布灯间距小于9 m采用中央布灯方式；过渡段2、中间段布灯间距大于14 m采用两侧交错布灯方式。

采用LED灯、高压钠灯、无极灯、LED+高压钠灯、LED+无极灯、高压钠灯+无极灯6种混合灯具组合方案，从光源特性、照明质量和近期、远期运营费用等方面对6种混合灯具布灯进行综合分析，确定了入口1、入口2、过渡1、出口1、出口2 采用LED+无极灯+中央布灯，过渡2采用高压钠灯+无极灯+两侧交错布灯，中间段采用LED+无极灯+两侧交错布灯的组合布灯方案。

制定基于天气环境变化的线路实时控制方案，实时监测洞外亮度对洞内灯具亮度进行智能调控，分别开启或关闭相应线路，实现隧道内不同路段的照明亮度等级，保证行车安全。并以张涿高速公路南安庄隧道为例，验证了整段布灯方式、线路实时调控方法的可靠性。