高速公路隧道群照明节能方案的设计应用

亢若伏

（云南省交通规划设计研究院，云南 昆明 650011）

1 概述

近年来，我国的公路建设规模不断扩大，全国各地的高速公路建设项目日益增多，其中，隧道耗电占高速公路运营中的很大一部分，在实际营运中电能的浪费十分严重，营运过程中为了节约电能产生了照明与行车安全和隧道监控之间的矛盾等问题。在高速公路建设中采用隧道节能照明技术可以节约电能，降低运营成本，提高高速公路的经济效益和社会效益。

2 隧道照明设计规范

根据国家《公路隧道通风照明设计规范》标准，对于长度超过100 m的隧道应设计照明，照明设计的基本要求如下：

隧道分成入口段、过渡段、中间段、出口段等部分，根据规范，各个段有其规定的最低亮度要求。

入口段亮度可按下式计算：

式中，Lth：入口段亮度，cd/m2；

K：入口段亮度折减系数，可根据规范查表取值；

L20（S）：洞外亮度，cd/m2；

过渡段由TR1、TR2、TR33个照明段组成，其中：

中间段的照明也根据规范查表取值，中间段照明只和车速、车流量有关，而和洞外亮度无关。

3 设计方案

长沙至重庆公路通道湖南境内常德至吉首分为两段：一段为常德至怀化段，简称常德怀化段；另一段为威尔怀化至吉首段，简称吉首段。

湖南省常德至吉首高速公路常德、怀化段隧道照明系统共包括郭家溪隧道、梅子谭隧道、邓家湾隧道、地穆庵隧道、殿会坪隧道、牛儿垭隧道、清水冲隧道、土江冲隧道、朱良溪隧道、青龙尖隧道、青山岗隧道、豆子坪隧道、樱桃湾隧道等共计13个隧道的照明。隧道净宽9.75 m，设计行车速度为80 km/h，净高5.0 m。

隧道照明节能的应用是在确保安全的前提下，实现隧道照明的有效节能。隧道照明取值与车速、车流量、洞外光照有密切的关系。

3.1 调整照明系统参数

为满足远期（至2020年）交通流量的需求，根据隧道内水泥路面改沥青路面的实际变化和当前节能降耗的社会需要，并满足隧道内照度指标，而合理调整照明参数。

3.1.1 洞外照度

原设计取值4 000 cd/m2，根据目前隧道路面和洞口的实际变化和现场实际测量平均值，调整后取值3 000 cd/m2。

3.1.2 入口亮度折减系数

根据《公路隧道通风照明设计规范JTJ 026.1－1999》的要求和入口亮度折减系数表，当交通流量为1 305辆/h，且行车速度为80 km/h；按照内插法进行计算，入口段亮度折减系数计算如下：

（1 305－700）×（0.035－0.025）/（2 400－700）＋0.025＝0.029原设计文件取值0.035，调整后取值0.029。

3.1.3 入口段设计亮度

根据《规范》要求，调整后入口段亮度为：

原设计文件取值140 cd/m2，调整后取值87 cd/m2。

3.1.4 过渡段I设计亮度

根据《规范》要求，入口段亮度取值方式为：

原设计文件取值42 cd/m2，调整后取值26 cd/m2。

3.1.5 过渡段II设计亮度

过渡段II的亮度为Ltr2＝0.1Lth＝0.1×87＝8.7；取值为8.7 cd/m2。

原招标文件取值14 cd/m2，现调整后取值8.7 cd/m2。

3.1.6 基本段亮度折减系数

过渡段 III的亮度为 Ltr3＝0.035Lth＝0.035×87＝3.045；取值为3 cd/m2。

原招标文件取值4.5 cd/m2，现调整后取值3 cd/m2。

3.1.7 出口段设计亮度

根据《规范》要求，出口段亮度取值方式为：

出口段亮度为：2.9×5＝14.5 cd/m2，取值为14.5 cd/m2。

原设计文件取值22.5 cd/m2，调整后取值14.5 cd/m2。

3.1.8 亮度取值

根据以上计算，在原设计的基础上对亮度指标进行了如下调整，调整指标如下：

入口亮度折减系数：原设计文件取值 0.035，调整后取值0.029。

入口段设计亮度：原设计文件取值140 cd/m2，调整后取值87 cd/m2。

过渡段I设计亮度：原设计文件取值 42 cd/m2，调整后取值 26 cd/m2。

过渡段II设计亮度：原设计文件取值14 cd/m2，调整后取值 8.7 cd/m2。

基本段设计亮度：原设计文件取值4.5 cd/m2，调整后取值2.9 cd/m2。

出口段设计亮度：原设计文件取值22.5 cd/m2，调整后取值14.5 cd/m2。

3.2 应用节能设备

常吉高速公路短隧道数量多，灯具照明占很大比例，用电负荷较大，在建设期间考虑照明节能控制方案，才能保证隧道后期运营的经济性和社会效益。

3.2.1 节能控制装置

由于灯具及设备用电负荷大，灯具用电量占主要，为了有效降低能耗，达到节能目标，围绕节能降耗的原则，提出了增加照明节能装置。

（1）电压和照度的关系。气体放电灯具需要一定的启动电压（220 V公称电压）和启动时间（5～10 min），当气体放电灯正常发光后，在灯具电压允许的范围内，适当降低灯具两端的工作电压，灯具的功率会大幅度的下降，但照度不会随着电压的下降而成比例的下降，即照度变化不大的特点，适度的降压，既保证了照明的质量，又大幅度节约了电能消耗。人的生理特性：天暗以后，瞳孔放大，而过高的电压容易产生眩光，人体感觉极不舒适。实验数据表明，电压每下降10%，光照度下降3%～5%。

（2）智能照明控制系统工作原理。智能照明控制系统工作原理见图1。

图1 智能照明控制系统工作原理图

其工作原理如下：

t0 to t1：从 200 V 起软启动：2 min 30 s′′。

t1 to t2：以慢斜坡方式升至220 V：5 min。

t2 to t3：灯具工作在220 V额定电压下（电子稳压器）。

t3 to t4：发出“节能”指令，缓慢降至节能电压水平：10 min。

t4 to t5：灯具工作在节能电压下（185～195 V）。

t5 to t6：发出“节能关”指令，电压升至额定电压水平：10 min。

t6 to t7：设备在220 V稳压状态下工作至关机。

3.2.2 节能灯应用

目前，国内隧道灯具多采用白炽灯、荧光灯、高压钠灯等，大多存在光带窄、能耗高、质量稳定性差、寿命短等问题。目前，无极灯、LED灯等新产品引起了人们的日益关注。这些产品应用于隧道照明，除满足隧道对灯具光效、光通量、寿命及工作特性、光色、显色性和配光控制难易程度等主要要求外，还能节约运行和维护成本，实现稳定经济运行。

在隧道洞口，引导路灯与隧道洞口的景观需要考虑协调性，尤其是光源显色性，高压钠灯发的光视觉偏黄，无极灯发的光与荧光灯发的光一样，视觉效果偏白，感观效果好。而且，无极灯的损坏率低，寿命长的特点，可以有效解决维护困难的场所，减少维护频次和费用，节约今后的运营成本。因此，将路灯灯头250 W高压钠灯调整为200 W无极灯，进一步降耗节能。

4 节能应用测算

4.1 优化照明参数和灯具的测算

本次工程原设计灯具功率合计1 783.25 kW，经过降低照度等照明参数、更换无极灯等节能措施后，灯具减少33.42%（指隧道内高压钠灯）；本次工程灯具功率合计为1 579.60 kW，功率减少了203.65 kW，功率降耗百分比为11.42%。同时相应的运营费用也有较大幅度的降低，其中运营期间的电费将比原设计降低约9.13%，可年节省电费856 290.70元，节省灯具维护费用109 480元，照明优化年节约费用总计965 770.70元，达到了节能降耗的目的。

其中，年节省电费＝功率降耗量×24小时×365天×0.75元×60%的开灯时间；

节省灯具维护费用＝节省灯具总数×40元/年套；

优化年节约费用＝年节省电费＋节省灯具年维护费用。

每度电按0.75元计算。

4.2 增加照明节能控制装置的测算

按照设计，整个常吉高速公路小隧道照明设备容量约1 595.69 kW，预计每年耗电1 378.9万度左右（1 596 kW×24小时×30天×12月≈1 378.9万度/年），以每度电0.75元计算，每年电费消耗约1 197万元，按60%的时间开灯，电费支出1 197×60%＝712.8万元，因此，在运营期间存在巨大的电费支出。

安装隧道照明节能装置后，其节电率在 20%～40%（节电率和灯具类型、灯具老化程度、线路馈电电压等因素有关），以平均节电率为20%，每度电为0.75元计算，年平均节约电费为：

平均节电费＝年耗电费×0.75元×节电率20%（节电率按20%计算）＝1 197×20%＝206.8万元

按以上的测算可知，整个常吉高速公路小隧道照明可节约近300万元电费，效益相当可观。

由于安装智能照明调控装置后，照明线路品质得到明显改善，同时大幅降低灯具损坏的故障发生率，由此而节约的维修费用也相当可观。

5 结束语

由于科学地设置了照明参数、调整了灯具使用的方案、应用新的节能灯具如无极灯和智能照明节电装置等一系列措施，使得该隧道的照明系统产生了明显的节电效益，预计高速公路开通运行时实际的节能率在20%以上，将给隧道运营方带来巨大的经济效益，因此，隧道节能技术的应用前景和社会、经济价值非常可观。

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