论公路隧道照明节能

王少飞 涂 耘 邓 欣 张 琦 陈建忠 李 科 赵清碧 吴小丽

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司隧道建设与养护技术交通行业重点实验室，重庆400067;2.国家山区公路工程技术研究中心，重庆400067)

1 引言

截至2010年，全国公路隧道为7384处、512.26万米(如图1所示)，其中，特长隧道265处、113.80万米，长隧道1218处、202.08万米。公路隧道作为能源消耗大户，其照明节能问题逐步得到相关行政机构、运营公司、科研院所和社会团体的高度重视［1～3］，通过联合技术攻关、示范工程建设和成果推广应用，目前我国已基本掌握公路隧道照明节能成套关键技术［4～7］，为交通运输节能减排事业做出了突出贡献。然而，从实践情况看，公路隧道“绿色照明”工作发展还不平衡，仍存在不少深层问题和薄弱环节。公路隧道照明节能是一项系统工程，本文在调查分析公路隧道照明能耗严重原因的基础上，从宏观层面分析公路隧道照明节能的各个必须环节，提出结构性、技术性和管理性节能措施，以期为推动公路隧道照明节能发展提供有益参考。

图1 我国公路隧道发展状况(2000～2010)

2 公路隧道照明能耗严重原因

通过对大量投入使用公路隧道运营管理情况的调研［8］，存在的突出问题是公路隧道照明系统“建得起、用不起”，公路隧道照明系统运营电费及养护开支成为管理公司沉重的负担。目前国内公路隧道照明能耗严重的原因如下:

1) 公路隧道照明系统设计超标

其主要表现形式为公路隧道实际照明亮度远远高于运营需求亮度，造成公路隧道照明系统规模过于庞大、电能严重浪费。这主要在于设计人员未能切实理解和严格执行规范［9］要求，基础参数取值过于保守，且忽视了设计方案的创新性，致使其过于模式化，未能“因隧制宜”。

2) 公路隧道照明控制方式落后

由于未考虑交通量变化对公路隧道照明需求的影响，大量公路隧道各照明段亮度不能根据交通量状态适时调节，造成不必要的电能浪费。诸多中、短隧道往往只有1～2种照明控制模式，不但造成能耗严重，而且还存在一定的安全隐患［3～5］。

3) 公路隧道照明节能理念有误

公路隧道照明节能并非简单地开关某些灯具，而是要求建立在行车安全基础上的最大节能，即公路隧道照明节能不能以牺牲交通安全为代价。部分管理人员一味追求节电省钱，致使公路隧道照明控制方案的随意性、主观性很大，这种做法其实忽视了公路隧道照明的特点和本质，对行车安全危害极大［6］。此外，为控制养护维修费用，管理企业不能及时清洗、更换照明灯具，造成公路隧道照明系统效率降低、能耗加剧。

4) 公路隧道照明节能措施单一

公路隧道照明节能是一项系统工程，需要各种节能技术综合运用，多管齐下全面推进照明节能工作，而目前国内很多公路隧道照明系统节能措施较为单一，不能达到全面、高效的节能目标。

3 公路隧道照明节能五大环节

照明节能是一项系统工程，要全面实现公路隧道“按需照明”，达到节能减排的任务目标，就必须对公路隧道照明系统的规划、设计、招标、施工及运营等五大环节统筹兼顾(如图2所示)，确保节能理念深入各个环节并得到有效的贯彻实施。

图2 公路隧道照明节能环节

1) 科学合理的规划是实现公路隧道照明节能的基础

公路隧道照明系统设置规模与交通量、设计速度等技术指标密切相关［4］:设计速度为80km/h时，理论上公路隧道在大交通量条件下比小交通量条件下多用电40%以上;日本东京湾海底隧道曾做过详细比较，如其他基准参数相同，仅是设计速度由80km/h提高至100km/h，照明设备费将提高63～80%，年运营电耗将提高66～82%。因此，公路建设项目工程可行性研究阶段应根据当地经济、社会发展实际情况，科学预测交通量、合理选用设计速度;此外，还应结合公路隧道等级划分、功能用途等因素，科学合理地定位公路隧道建设规模。

2) 精心优秀的设计是实现公路隧道照明节能的核心

事实上，设计方案对公路隧道照明节能影响极大。如果忽视设计的重要性，往往会造成照明系统设置规模庞大、电能浪费严重，甚至有可能使得公路隧道运营存在安全隐患［3］。即便在公路隧道照明系统投入使用后进行相应的技术改造，也存在投资成本大、维护管理难、能耗相对高等突出问题。此外，由于新理论、新技术、新设备不断出现，公路隧道照明系统设计也应与时俱进，将最新的照明节能科研成果应用于工程建设，而不宜拘泥于标准规范的限制，阻滞公路隧道照明节能技术的发展和进步。

3) 公开公正的招标是实现公路隧道照明节能的关键

公路隧道照明系统是由供配电设备、光环境检测设备、灯具和光源等组成的，只有选用质高材优的设备，才能构建安全、节能、高效、可靠的公路隧道照明系统。目前市场上充斥太多打着节能旗号的伪劣产品，因而必须在工程招标环节严把质量关，真正引入通过国家权威检测部门认证的节能产品，为公路隧道照明系统工程建设达到优良水准奠定基石。

4) 标准合格的施工是实现公路隧道照明节能的保证

在公路隧道照明系统施工过程中，应确保照明灯具安装稳固、位置正确，灯具光带线形与隧道协调、美观、流畅;照明设施的电力线、信号线、接地线的类别、规格、数量、连接等符合要求并标识清楚。只有严格控制公路隧道照明系统施工工艺，公路隧道照明节能减排工作实施才能得到有效保证。

5) 精细规范的运营是实现公路隧道照明节能的重点

先进的公路隧道照明系统离不开精细规范的管理，由于公路隧道运行环境较为恶劣，必须定期对照明灯具、控制设施进行清洁养护，及时更换达到额定使用寿命的光源电器。此外，还应不断提升公路隧道运营管理人员的业务水平，鼓励其勇于创新和实践，不断丰富和完善公路隧道运营照明节能措施。

4 公路隧道照明节能三大措施

为保障公路隧道照明系统总体节能20%以上目标［10］的实现，一方面要站在建设“资源节约型、环境友好型”公路隧道的高度，充分发挥和提高公路隧道的综合社会效益;另一方面要加强科技进步与创新，不断提升公路隧道运营管理水平。贯穿公路隧道照明节能各个环节的三大措施是技术性节能、结构性节能和管理性节能。

1) 技术性节能

(1) 准确测试洞外亮度。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100m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3000cd/m2以内。分析计算表明，公路隧道洞外亮度L20(S)取值由4000cd/m2降低至3000cd/m2，洞口加强照明可节能约25.4%(按系统功率计算)。

(2) 优化照明设计参数。应当结合公路隧道的工程特点，以及公路隧道照明理论的最新研究成果，对长、短隧道照明设计方法和参数进行区别对待［4］，从源头根本控制照明能耗。

(3) 选用节能光源。将“中间视觉理论”和“对目标物体反应时间的视觉功效法”应用于公路隧道照明设计，并根据公路隧道节能光源以高压钠灯(HPS)为基准的亮度对比换算系数(见表1)计算LED灯等新型节能光源的照明参数指标。实验数据表明［9］，基于等效亮度法(如LED灯产生2.5×0.4613=1.15cd/m2的照明效果与高压钠灯产生2.5cd/m2的照明效果是等效的)，应用节能光源设计的照明系统可比传统高压钠灯照明系统节能35%以上。

表1 MH、LED、CFL和LVD对HPS的亮度对比换算系数R(L)

(4) 应用智能照明控制。公路隧道照明控制有分级调光控制法和无级调光控制法两种。在传统分级调光控制法下，照明亮度分级少，造成电能浪费(即“过度照明”或“无效照明”)，而无级调光控制法则能响应跟踪照明需求曲线，可以得到最优的控制效果并能达到节能目的，即所谓的“按需照明”，如图3所示。

图3 公路隧道照明控制输出曲线

(5) 选用合适的灯具配光。公路隧道照明灯具的配光有纵向(沿隧道长度方向)对称、不对称，横向对称、不对称等多种(如图4所示)。国内外学者研究表明，采用纵向不对称灯具的逆光照明和宽光带对称照明是公路隧道照明最佳配光形式之一:公路隧道中间段采用宽光带对称照明系统、入口段采用逆光照明系统为照明系统最佳组合。

(6) 合理布设照明灯具。公路隧道基本照明灯具有中间单排布灯、两侧对称布灯、两侧交错布灯等三种传统布设方式。不同的布灯方式，其所用灯具数量、养护方便程度不尽相同。实验数据表明［9］，中间布置比双侧布置效率高，双侧交错布置比双侧对称布置效率高。工程实践证明，将照明灯具布设在公路隧道一侧，安装高度为6.3m(如图5所示)，既是一种较高效率的布灯方式，同时也能较好地解决目前公路隧道营运过程中的养护维修难题(需要完全封闭隧道)。当然，采用何种布置方式和灯具的配光有关。

图4 公路隧道照明灯具配光

图5 公路隧道侧偏布灯方式

(7) 使用照明节电设备。智能照明节电设备是应用特殊设计的自耦降压式装置(有功率因数补偿效果)，采用补偿变压器、中央处理器、控制电路、多抽头变压器和静态开关(如图6所示)，对电网过欠压进行快速自动补偿，为负载提供稳定、完美的正弦波电压，因而能实现根据内外部用电条件，对电网中的浪涌、噪音、干扰、功率因数、谐波等进行抑制或优化处理，并根据设定的电压曲线，稳定地供应照明设施所需工作电压，使系统用电能效达到最佳状态。当电网电压为390V、400V、410V时，照明节电设备投入使用后，公路隧道照明系统可分别节能约20.2%、25.3%、30.9%。重庆界水高速公路南湖隧道照明节能改造中使用照明节电设备后效益显著，节电率高达27%。

图6 智能照明节电设备工作原理图

(8) 应用新型节能设备。部分短隧道可增设LED诱导灯(如图7所示)，以控制照明系统设置规模，不但能节省大量建设投资费用，还减少了养护费用及电能消耗。LED诱导灯不仅使得公路隧道轮廓线更加清晰，而且能极大缓解驾驶员的心理压力，同时在满足公路隧道行车安全性的前提下，可适当降低公路隧道照明亮度(尤其是在夜间)。

图7 LED诱导灯应用案例(短隧道)

(9) 照明系统分期实施。公路隧道照明系统必须根据近、远期交通量设计分期实施方案，做到统筹规划、一次设计、分期实施。以单洞长4km的高速公路隧道为例，采用分期实施方案可较一次性实施方案节省初期投资约40%，近、远期运营照明可分别实现总体节能51%和25%，能够极大程度地节约电能、保护环境。

2) 采用太阳能和光纤照明技术

(1) 太阳能光伏发电技术。目前，太阳能交通安全设施在109国道东方红隧道中得到成功应用;国内最大的太阳能公路隧道照明系统在河北承德市韩郭公路小梁东隧道投入使用;吉林省建成全国首座公路隧道太阳能智能LED照明系统;福建金鸡岭隧道采用46KWP太阳能光伏发电系统，与市电并网为照明系统供电，目前年发电量约50000KWh;山东烟台通世路隧道利用太阳能照明(如图8所示)，每年可节约标准煤120多吨。

图8 山东烟台通世路隧道太阳能光伏发电站

(2) 太阳能和风能互补发电技术。安徽六潜高速公路狮子尖隧道，首次采用太阳能和风能发电互补离网供电系统(如图9所示)，既节省了电能，又降低了发电设备配置和成本。

图9 安徽六潜高速公路狮子尖隧道风光互补发电设施

(3) 太阳能光纤照明技术。公路隧道照明节能技术发展趋势是构建以太阳能光纤照明为代表的节能、高效、安全的绿色照明系统。在美国，连接萨姆勒(Sumner)和卡拉罕(Callahan)的隧道已设计并采用全新的太阳能光纤照明系统(如图10所示)。应用光纤传导太阳光进行隧道洞口加强段照明，可以实现加强照明亮度与外界环境亮度同步变化，使得公路隧道更加安全、节能、环保。

3) 管理性节能

(1) 通过加强维护管理实现运营照明节能。如定期对照明灯具、控制设备进行维护及清洁灯具等，以保证照明灯具0.60以上的维护系数，有效利用光通量。

图10 公路隧道太阳能光纤照明工程案例(美国)

(2) 对达到额定使用寿命的光源电器进行及时更换，以免其在超出额定寿命的低光通、高能耗情况下运行，确保照明质量，避免电能浪费。

(3) 制定科学合理的照明控制管理方案。应根据公路隧道所在路段交通量发展趋势、车辆实际运行速度及天气气象特点，制定切实可行的照明系统节能控制模式，以指导运营照明管理。

5 公路隧道照明节能效益分析

据统计，每节约1度(kWh)电，就相应节约0.4kg标准煤，同时减少排放0.272kg的碳粉尘、0.997kgCO2、0.03kgSO2、0.015kg氮氧化物［10］。以京港澳高速公路粤境北段隧道群为例，2008年全年用电量为7166261度，按实现总体节能20%进行粗略估算，全年可节约用电1433252.2度，节约573.301t标准煤，减排389.845t碳粉尘、1428.952t CO2、42.998t SO2、21.499t氮氧化物。不仅经济效益相当可观，生态、社会效益也极为明显。

6 结语

(1) 目前国内大量公路隧道照明能耗严重，其主要原因在于照明系统超标设计、照明控制方式落后、照明节能理念有误、照明节能措施单一。

(2) 公路隧道照明节能是一项系统工程，要全面实现公路隧道“按需照明”，就必须对公路隧道照明系统的规划、设计、招标、施工及运营等五大环节统筹兼顾，确保节能理念深入各个环节并得到有效的贯彻实施。

(3) 贯穿公路隧道照明节能各个环节的三大措施是技术性节能、结构性节能和管理性节能。工程实践表明，坚持从应用单一节能技术向综合运用各种节能技术转变、从注重技术性节能向解决结构性节能关键问题转变、从粗放式运营节能管理向精细化运营节能管理转变的思路观念，公路隧道运营照明节能20%以上的目标是完全可以实现的。

(4) 公路隧道照明节能经济、环境、社会效益显著，相关行政机构、运营公司、科研院所和社会团体应继续加大科技投入、不断推动技术创新，努力建设“资源节约型、环境友好型”公路隧道。

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［3］涂耘，王少飞，张琦，等．西汉高速公路隧道照明系统评估研究［J］．照明工程学报，2010，21(5):15～21，36．

［4］涂耘，王少飞，张琦，等．“低碳经济”背景下公路隧道照明节能策略［J］．现代隧道技术，2011，48(3):14～21．

［5］王少飞，张琦，李科．基于GPRS技术的中、短公路隧道照明远程监控方案［J］．电气应用，2010，29(23):46～51．

［6］陈忠良．浅谈隧道照明节能控制及安全监控方案［J］．现代隧道技术，2009，46(3):105～111．

［7］杨超，王志伟．公路隧道照明节能技术［J］．现代隧道技术，2010，47(2):102～108．

［8］涂耘，张琦，王少飞，等．公路隧道节能照明参数及运营策略研究总报告［R］．重庆:招商局重庆交通科研设计院有限公司(国家山区公路工程技术研究中心)，2011．

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［10］高飞，郑炳松．照明与CO2的减排［J］．照明工程学报，2011，22(3):100～103．