新旧规范对比下的隧道照明节能设计研究

史玲娜，涂 耘，王小军

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，交通工程与节能分院，重庆 400067)



新旧规范对比下的隧道照明节能设计研究

史玲娜，涂 耘，王小军

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，交通工程与节能分院，重庆 400067)

根据隧道行车视觉特点，在参考CIE《公路隧道和地道照明指南》的基础上，分析比较了《公路隧道照明细则》(以下简称细则)和《公路隧道通风照明设计规范》(以下简称规范)在隧道照明区段和照明参数设置上的不同。结合具体的隧道采用《细则》方法进行照明优化设计，将设计所得结果与根据原《规范》所得结果比较。结果表明：利用《细则》方法进行隧道照明设计，与原《规范》相比，每个照明区段的照明能耗都有不同程度降低，对于一般长隧道，总体节能可在原《规范》基础上减少40%。

隧道照明；暗适应；明适应；节能设计

引言

近年来，随着我国综合国力的增强和社会经济的快速发展，高速公路逐年增多。根据交通部数据统计，截止2012年底，我国公路总里程达到423.75万公里，隧道达到1万余处，总长805万米。其中特长隧道265处，长113.80万米，长隧道1218处，长202.08万米[1]。我国目前已成为世界上隧道工程最多、发展最快的国家[2]。

随着公路隧道建设的加快，隧道能耗问题日益突出。据不完全统计，在公路隧道机电系统中，照明负荷约占总负荷的30%左右，已成为公路隧道运营中的最大开支[3]。重庆市公路隧道用电量统计表明，隧道每公里年电费为40余万元，按此推算，全国公路隧道年电费高达13亿元。在目前隧道里程不断增多，照明能耗问题日益突出的前提下，如何实现隧道安全运营的前提下减小照明能耗已经成为隧道照明设计及运营管理部门共同面临的问题。

2014年8月，交通运输部发布了《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)(以下简称《细则》)，对2000年颁布的《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)(以下简称《规范》)进行了全面的修订。《规范》自2000年颁布以来，对推进我国公路隧道照明工程科技进步，规范其设计行为，完善隧道照明体系等均起到了积极的作用[4]。但我国公路隧道建设和隧道照明技术起步较晚，规范编制阶段的经验和基础性工作不足，未能全面覆盖相关技术内容。招商局重庆交通科研设计院有限公司在学习借鉴国内外成熟的照明技术成果和成功经验的基础上，对国内的隧道运营现状进行广泛调研，并深入研究驾驶员的隧道行驶中的视觉特性，提出了符合隧道行驶视觉特点，满足隧道照明安全的一系列的节能设计方法。该研究成果的提出可显著提高公路隧道照明运营节能水平、降低公路隧道运营成本，对于实现隧道交通在安全前提下的节能具有重大的社会效益和经济效益；该研究成果已被纳入新颁布的《细则》，其成果应用可大幅提升我国在公路隧道照明节能与安全领域的理论和设计管理水平，为公路隧道照明实现科学、合理、安全的设计、运营管理及评价提供强有力的技术支撑。

1 节能设计理论依据

根据人眼视觉特点，当人从比较明亮的地方进入相对较暗的地方时，必须经过一段时间的适应之后才可以逐渐看清楚周围的环境情况，这个过程称为暗适应；反之，当人从黑暗的环境进入明亮的环境时，开始会感到刺眼，但过一会就可恢复正常，这个过程称为亮适应。明适应和暗适应所需要的适应时间依据具体情况有所不同，经历暗适应时，眼睛从明到暗，开始时灵敏度很低，以后慢慢增加，最后才能达到稳定和清晰，在暗适应的整个过程中，最初5分钟视觉灵敏度变化非常快，以后逐渐变缓慢，但是要达到完全适应一般需要25～30分钟左右的时间；而明适应过程相对较短，一般大约需要1分钟左右的时间[5]。

对应于隧道行车，当驾驶员白天驾车驶入隧道时，会有一个暗适应过程，驶离隧道时会有一个明适应过程，这些适应过程都存在交通隐患。根据国际照明委员会(CIE：International Commission on Illumination)的《公路隧道和地道路照明指南》，入口段的长度可分为两部分，前一部分的亮度取Lth，后一部分的亮度逐渐减小(也可分步逐渐减小)，如图1所示[6]。我国原《规范》规定在按规定计算的入口段长度范围内，亮度取值均为Lth=kL20(s)[7]。根据研究表明，对于一般长隧道，入口段的照明能耗占了总能耗的一半以上，在入口段采用分段照明方法可以大大减小隧道照明能耗。对应于明适应过程，CIE提出，出口段的亮度应在一个停车视距内线性增加，在距离出口20m处，其亮度增加到遂道中间段亮度的5倍。原《规范》规定出口段60m的长度范围内，亮度取值为中间段亮度的5倍。相比较隧道中间段的基本照明，出口段的加强照明在隧道照明总能耗中也占了相当的比重，结合人眼在出口段的明适应过程和CIE提出的出口段亮度线性增加理论，在出口段进行亮度的分段设置亦有利于隧道照明能耗的降低。

图1 隧道亮度的变化趋势Fig.1 Luminance evolution along the tunnel

CIE在《公路隧道和地道路照明指南》指出，过渡段的亮度变化规律需满足式(1)：

Ltr=Lth(1.9+t)-1.4

(1)

同时指出，过渡段亮度不能处于图1所示连续亮度曲线的下方，该亮度曲线可以用阶梯曲线代替，从一个阶梯到相邻下一个阶梯的最大亮度比为3，最后一个亮度阶梯的亮度不应大于中间段亮度的2倍。该规定体现了人眼的暗适应过程，我国原《规范》中过渡段的亮度规定基本体现了这一原则，结合入口段亮度的分段实施原则，现《细则》通过参数设计进一 步提高了过渡段的节能空间。

对于中间段照明，CIE提出长隧道的中间段分成两个照明区段，中间段的前30s行车距离作为第一个照明区段，余下部分作为第二个照明区段，并根据停车视距和交通量分别规定了第一区段和第二区段的照明亮度。我国原《规范》尚未对长隧道的中间段进行区段划分，根据人眼行车视觉特点，对中间段进行照明区段划分，不仅符合人眼的暗适用过程，亦可进一步提高隧道照明的节能效果。

2 节能设计研究及分析

2.1 《细则》和《规范》比较

结合近些年公路隧道照明技术发展的趋势，招商局重庆交通科研设计院有限公司对国内公路隧道运营现状进行了大量的调研，吸收了CIE在《公路隧道和地道路照明指南》中部分思想，在原《规范》基础上，提出了公路隧道照明设计的节能性建议并纳入《细则》，与《规范》相比变动如下[8]：

(1)调整了入口段照明要求，将入口段划分为两个照明段

《规范》：入口段亮度按Lth=kL20(s)计算，入口段长度按Dth=1.154Ds-(h-1.5)/tan10°计算；

《细则》：入口段宜划分为TH1、TH2两个照明段，其亮度应分别按式Lth1=kL20(s)、Lth2=0.5kL20(s)计算，入口段长度按Dth1=Dth2=[1.154Ds-(h-1.5)/tan10°]/2计算。

(2)调整了过渡段照明的亮度计算系数

《规范》：过渡段分为三个照明段，亮度依次为：Ltr1=0.3Lth，Ltr2=0.1Lth、Ltr3=0.035Lth。

《细则》：鉴于入口段分为两个照明段，过渡段的三个照明段的亮度依次为：Ltr1=0.15Lth1、Ltr2=0.05Lth1，Ltr3=0.02Lth1。

(3)完善了特长隧道中间段分段设置的亮度及长度要求

《规范》：当双车道单向交通700辆/h

表1 《规范》所列中间段亮度LinTable 1 Luminance in the interior zone proposed by Specifications

《细则》：单向交通且以设计速度通过隧道的行车时间超过135s时，隧道中间段宜分为两个区段，第一区段长度取设计速度下的30s 行程，亮度值按表2规定取值，余下的中间段长度与之对应的长度及亮度不应低于表3的标准。

(4)调整了出口段照明要求，出口段划分为两个照明段

《规范》：在单向交通隧道中,应设置出口段照明；出口段长度宜取60m，亮度宜取中间段亮度的5倍。

表2 《细则》所列中间段亮度LinTable 2 Luminance in the interior zone proposed by Guidelines

表3 《细则》所列中间段分区段设置的长度及亮度取值Table 3 Length and Luminance in the interior zone proposed by Guidelines

《细则》：出口段宜划分为EX1、EX2两个照明段，每段长30m，第一区段的亮度取中间段亮度的3倍，第二区段亮度取中间段亮度的5倍 。

2.2 节能设计及分析

现以重庆市内一座近2.5km的长隧道为例，进一步说明《细则》相比原《规范》的节能效果，该隧道的洞外亮度取3000cd/m2,设计车速为80km/h，单向交通且交通量小于350 veh/(h·ln)，设计分别采用原《规范》和新《细则》所提出的方法。为体现隧道照明节能的最大化，设计采用最优化算法并用DIALUX软件进行效果验证。图2和图3为利用《细则》所提出的方法得到的该隧道基本照明和入口段1加强照明的照明效果仿真图以及对应的亮度分布。

图2 隧道照明效果Fig.2 Lighting effect of tunnel

该隧道的原设计以《规范》为依据，现对该隧道采用《细则》提出的方法结合最优化算法对隧道照明进行优化设计，所得的隧道每一区段的划分、对应的设计亮度以及所选用灯具的数量和功率与原《规范》相比如表4所示。

图3 隧道路面亮度分布Fig.3 Luminance distribution of tunnel表4 重庆市某一长隧道的照明设计原方案与优化方案之比较Table 4 Comparison of design scheme deduced by Specifications and Guidelines of a special tunnel in Chongqing

按《规范》的原设计按《细则》的优化设计长度/m亮度/(cd/m2)灯具数(加强+基本)/套总功率/W长度/m亮度/(cd/m2)灯具数(加强+基本)/套总功率/W入口段18475.069+12285604275.0024+69642入口段24237.5018+67620过渡段17222.536+997207211.2532+85680过渡段2967.548+125760893.7524+103100中间段20651.53402720020671.5026018200出口段1607.531+103900304.504+3820出口段2307.506+3540总计——56775140——40445602

由表4可见，通过对两种设计方案的比较，根据人眼视觉特点对长隧道按《细则》方法进行节能优化设计后，与原《规范》的设计结果相比，每一照明区段的灯具数和总功率都有不同程度降低。总体而言，采用《细则》的方法所用灯具数量可比原方案减少近30%，耗电功率可减少40%。由于采用《细则》所提出的方法考虑了人眼的行车视觉特点，对隧道出入口段进行分段设计，既可以满足隧道行车照明需求，保证照明安全，又可以进一步减少隧道照明能耗，大大降低隧道运营成本。

该研究成果表明，对隧道照明区段进行进一步细分也是解决高速公路隧道照明能耗高的一种有效途径，可以指导我国高速公路隧道的安全与节能管理方法的建立，对于提高我国公路隧道运营安全，降低高速公路隧道运营成本起到积极的作用。

3 结论

本文通过分析隧道行车的人眼视觉特性，在研究CIE提出的《公路隧道和地道路照明指南》和驾驶员行车视觉特点的基础上，对交通部刚颁布的《细则》进行分析，根据隧道亮度等级划分的思想，以具体隧道为例进行隧道照明设计，得出新《细则》与原《规范》相比在隧道照明方面的节能性，具体结论如下：

(1)根据人眼暗适应过程对入口段照明进行分两段设置，与原《规范》相比可实现入口段节能；

(2)由于过渡段的分段设置，对过渡段的照明系数进行调整，可使过渡段的能耗在原《规范》基础上有所下降；

(3)中间段的亮度取值比现行规范有所降低，可使实现中间段的节能目标，对于特长隧道，如果对中间段进行分段设置，有利于能耗的进一步降低；

(4)根据隧道行车的明适应过程，对出口段进行分两段设置，亦可在原《规范》基础上实现出口段的节能目标。

总之，根据隧道行车的人眼视觉特性，并借鉴CIE的隧道亮度等级划分思想，对隧道照明区段进行细分，新《细则》所提出的隧道照明设计方法既符合隧道行车的照明需求，保证隧道行车的安全，同时也可以进一步降低隧道照明的运营成本。

[1] 交通运输部综合规划司. 2013年交通运输行业发展统计公报[EB/OL]. [2014-05-13].http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201405/t20140513_1618277.html.

[2] 王梦恕.中国是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、今后发展最快的国家[J]. 铁道标准设计,2013(1):1-4.

[3] 季佳俊.三车道大断面公路隧道照明节能参数优化研究[D].重庆：重庆交通大学,2012.

[4] 项小强,李伟平.对现行《公路隧道通风照明设计规范》中两个问题的探讨[J].公路,2009(11):256-258.

[5] 黄彦.隧道照明过渡段人眼适应问题研究[D].重庆：重庆大学,2013.

[6] CIE. CIE 88:2004 Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses[S]. Austria:International Commission on Illumination, 2004.

[7] 中华人民共和国交通运输部. JTJ 026.1—1999 公路隧道通风照明设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社,2000.

[8] 中华人民共和国交通运输部. JTG/T D70/2-02—2014 公路隧道照明设计细则[S]. 北京: 人民交通出版社,2014.

《照明工程学报》编委、中央美院教授常志刚应邀参加国际媒体建筑双年展及高峰论坛

国际媒体建筑双年展MAB(The Media Architecture Biennale)2014，由丹麦奥胡斯大学(University of Aarhus)与国际媒体建筑协会(Media Architecture Institute)共同主办，并得到了哥本哈根和奥胡斯市政府，以及连接城市(Connecting city)、丹麦建筑中心(Danish Architecture Center)、ONLYGLASS等多家学术机构、设计机构与企业的鼎力支持。

双年展汇聚了来自于世界各个城市的、拥有多元化思想的先锋人物和探索者，他们就媒体建筑在未来城市发展中的作用以及媒体建筑之于“世界城市”这一主题的积极的应对策略展开了激烈的讨论，在此基础上，探讨了媒体建筑在社会、文化和商业领域的巨大发展潜力。本届媒体建筑双年展的主题是“世界城市”。在全球城市中，媒体建筑正在成为城市公共空间的日益重要的数字化表皮，成为诸如购物中心、娱乐场所、数字标牌以及商业广告等建筑或城市空间的组成部分，并进而成为公众心声的代言者和政府核心职能的窥视器。

常志刚教授在主会场发表了题为“媒体建筑的发展线索”的演讲，从建筑学的视角对媒体建筑的历史脉络和发展趋势进行了系统梳理和分析。在互动提问环节中，现场听众对于中国的媒体建筑发展表现出极大的兴趣。

Research of Energy-saving Design for Tunnel Lighting based on Earlier and New Specifications

Shi Lingna, Tu Yun, Wang Xiaojun

(TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.Ltd,Chongqing400067,China)

According to the visual characteristic of tunnel driving，GuidelinesforDesignofLightingofHighwayTunnelandSpecificationsforDesignofVentilationandLightingofHighwayTunnelare compared, based on the reference to theGuidefortheLightingofRoadTunnelsandUnderpasseswhich is proposed by CIE. The comparisons and analysis are focused on the division of lighting zones and setting of indicators. By optimized lighting design for a specific tunnel withGuidelines, the energy consumption of each lighting zone can be reduced at different levels compared with that deduced bySpecifications. And for general long tunnel, the total energy-saving can reach to 40% compared toSpeifications.

tunnel lighting; light adaptation; dark adaptation; energy-saving design; guidelines

交通运输部科技成果推广项目(2013316350070),陕西省交通厅科技项目(13-29K)，贵州省交通厅科技项目(2014-122-020)

史玲娜，E-mail：shilingna@cmhk.com

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.009