基于连廊的隧道照明节能研究

游 峰，刘宜恩，刘易家

(华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641)

0 引 言

隧道是高速公路的重要组成部分，隧道行车安全性是衡量整个高速公路通行畅通与否的重要指标。进出隧道时车辆存在黑洞效应与白洞效应，因此对隧道照明有着很高的要求，现行规范将遂道分为接近段，入口段，过渡段，中间段，出口段，其中接近段的亮度对隧道照明节能有很大影响[1]。以日本东京湾海底隧道为例，在其他条件相同的情况下，接近段亮度分别取值4 000、6 000 cd/m2，设备年耗电量相差达34%。现阶段隧道建设多采用在隧道接近段两侧路基种植绿色植物，进而达到减光的作用[2]，还有在隧道接近段修建连廊以降低接近段亮度[3]。

针对隧道入口段照明的情况，当前大多采用加强照明的方式，并未将自然光照明方式列入设计选项。在隧道照明中，入口段的照明能耗是整个隧道照明的主要能耗。入口段亮度和隧道洞外亮度密切相关，通过降低隧道入口段的亮度值可以很好的降低隧道的照明能耗[4]。

基于连廊的隧道入口段自然光的照明方式，可以充分利用自然光为入口段提供照明，减少了入口段的照明能耗，如图1。

图1 带连廊隧道Fig. 1 Tunnel with corridor

1 连廊下照明模型

1.1 当前隧道入口段照明现状

隧道入口段前半段的亮度直接关系到驾驶人进入隧道后的行车安全性，入口段前半段亮度和隧道洞外亮度联系密切，为了避免出现“黑洞效应”，当前常采用传统的加强照明方式进行照明，减少洞内外的亮度差值变化。当前针对隧道入口段的研究大都集中于路面材料以及入口段灯具的能耗，利用自然光作为入口段加强照明的研究，当前在国内外尚处于起步阶段，充分利用自然光作为加强照明，较其他照明方式不仅可以节省能耗，而且也更环保。

1.2 连廊下的光分配效应模型

根据设计标准，连廊距离隧道入口处一般为一个停车视距的距离，连廊梁与梁之间的光照处可以形成移动光区。研究中取连廊的一个梁作为研究对象，其他梁的研究方式和所取研究对象一致，图2是连廊的一个横梁所形成的光线分布。Sbrit为横梁形成的光亮区的面积，Sshod为横梁形成的阴影区的面积。

图3 隧道入口段采用自然光的连廊模型Fig. 3 Corridor model with natural light at the entrance of thetunnel

太阳光可以近似看做平行光，光线和地平面的夹角为θ，即光线角，光线在地面的投影与车道中心线的夹角为σ，即投影角，光线在连廊作用下呈现出如图2的光亮区和阴影区交错的情形。图3中l1为横梁投影在路面阴影区的宽度，l2为横梁投影在路面的光亮区的宽度，w为横梁的宽度，d为横梁中间的间隔，t为连廊横梁的高度。则l1和l2可以分别表示为：

l1=tcosσ/tanθ

(1)

l2=d-(cosσ/tanθ)

(2)

连廊的一个梁在路面上的区域包括两部分：阴影区和亮光区(图2)，一个连廊的横梁在地面上的总宽度l3为

l3=l1+l2=w+d

(3)

由图3可知连廊的光分布模型包括两部分，即光亮区和阴影区，这两部分交替共同构成了连廊区的光分布模型。

1.3 墙面投影在路面的计算

在研究连廊影响下亮度的变化过程中，因为连廊墙面的遮光作用，会有一部分墙面的投影与连廊在路面的投影重合，如图3中的投影角所在的平行四边形即是墙面在路面的投影部分，由图3可知，粗虚线构成的平行四边形为连廊的梁在路面上的投影，两部分投影有重合。墙面投影在路面上的宽度w1为：

(4)

梁在路面的投影的阴影部分的面积为：

Sshod=(L-w1)×l1

(5)

连廊的梁在隧道中的光亮区的面积为：

Sbrit=(L-w1)×l2

(6)

整个墙面在隧道中路面上的投影面积为：

(7)

隧道墙壁和连廊的横梁在路面上的总阴影面积为：

St=Swall+Sshod

(8)

整个连廊的亮度面积为Stotal,连廊区的亮度与横梁的个数有关，设连廊区共有N个梁，连廊区的亮度面积Stotal为：

(9)

1.4 照度总均匀度的计算

光通量为光源各个方向射出的光功率，即每一单位时间射出的光能量[5]，lm；光亮度为一个表面的明亮程度，即从一个表面反射出来的光通量[6]，lm；光照度为从光源照射到单位面积上的光通量[7]，Lux。

1)照度和亮度之间的转换关系如下:

L=λ×E

(10)

式中：L为亮度；λ为路面反射系数；E为照度。

2)连廊区的照度总均匀度为：

(11)

式中:l为隧道的宽度；Eh为水平照度。

设隧道的连廊的长度为：

Scorride=(w+d)×N

(12)

式中：N为连廊中横梁的个数。

横梁个数和横梁的宽度以及横梁之间的间距有关，横梁的个数计算如式(13)：

(13)

由式(11)～式(13)可得照度总均匀度Eav：

(14)

式中：Scorride为连廊的长度。

当σ=0时，此时θ=90°，由式(14)可知，照度总均匀度为Eav0，在此情况下洞外的亮度值是一天中的最大值，之后洞外的亮度值会逐渐减弱：

(15)

由式(15)可知，当投影角为0时，此时的照度总均匀度为Eav0，与光线角θ成正比，θ越大照度总均匀度越大，反之照度总均匀度越小。

2 隧道入口段连廊的照明节能功效

2.1 银山隧道介绍

以广东省潮惠高速公路陆河段银山隧道为例，进行隧道连廊照明节能设计分析。位于陆河县境内的银山隧道单洞长530 m，为双洞双向六车道，纵坡度为1.5%，隧道洞内净空高度为7.8 m，路面材料为沥青路面。

银山隧道左洞593 m，右洞530 m，共有LED灯具1 238套，其中85 W灯具共246套，185 W共992套。

表1 隧道各区段长度及其灯间距Table 1 Length and lamp spacing of each section of tunnel

灯具安装在隧道顶部两侧，距路面高度为4.2 m，安装角度与水平方向成30°，采用相对布置方式。根据银山施工图纸和现场灯组安装的序号，推算出安装序号和灯具安装距离与隧道入口段位置之间存在的对应关系如表2。

表2 灯具安装序号与距离位置Table 2 Installation serial number and distance position of lamps andlanterns

模拟在银山隧道入口段设置连廊，以连廊取代隧道入口段前半段的灯具布设。隧道入口段的亮度值与洞外亮度有很大关系[8-9]，设洞外亮度为Lout，入口段分为前半段Sf和后半段Sb,设前半段亮度值为Lin，设隧道的入口段总长度为Sin:

(16)

由式(16)可知，隧道入口段的长度为162 m，入口段前半段的长度和后半段的长度相等为81 m。故设计连廊的长度为81 m，根据隧道通风照明设计规范路面的亮度总均匀度应不低于表3所示的值。

表3 路面亮度总均匀度Table 3 Overall uniformity of road surface luminance

按《广东省高速公路隧道LED照明设计与施工技术指南》第4.5.2条规定：隧道LED照明系统设计交通量宜按10 a设计交通量取值。潮惠高速公路隧道照明系统设计采用“一次设计，分期实施”的原则，分别按10 a和20 a设计交通量取值，分别按2025年和2034年进行照明布设和预留，远期将以更换灯功率为基本方式。

隧道设计高峰小时系数取0.12，车辆不均衡系数取0.52，则计算可得2034年的高峰小时交通量N(混合交通量)为1 950辆/h。

2.2 入口段采用连廊的隧道照明节能效果

银山隧道设计时，隧道设计的入口段的前半段的长度设计值为81 m,所以Scorride= 81。采用银山隧道2016年9月中15 d天气晴朗时的洞外亮度得出亮度平均值作为研究数据进行连廊节能效果评估，并将亮度转化为照度得出15 d的平均亮度为6 000 cd/m2,水平方向的平均水平照度值为268 Lux。

该模型中隧道入口段的前半段作为连廊长度Scorride，连廊横梁宽度w=1.25 m,连廊横梁的间距d=3.5 m,连廊的横梁高度t=0.35 m。

1)夏季光线最强是在σ=0时，此时θ=90°，也即光线垂直与地面时，此时洞外亮度最大。自然光条件下连廊下的照度总均匀度由式(15)计算可得Eavmx=2 620.4 Lux。

由《常用材料反射系数表》可知沥青路面的反射系数为0.14,由公式(10)可得照度值为2 620.4 Lux时，对应的亮度为连廊下自然光的亮度最大值Lmax=366.856 cd/m2。

2)广东省汕尾市陆河县经度为115.37，纬度为22.78，夏季阳光的光线角最小为θ=35°，对应的投影角为θ=25°。在此情况下由公式(15)计算可得照度总均匀度为Eavmn=2 404.605 8 Lux：

由公式(10)可得照度值为2 404.605 8 Lux时对应的亮度为连廊下自然光的亮度最小值Lmin=336.644 812 cd/m2。

按照山隧道2016年9月中15 d天气晴朗时的洞外亮度，计算隧道入口段前半部分满足车辆通行时的最低基本亮度Lin：

依据王家会站1992—2016年实测大断面资料，点绘历年实测大断面比较图（图1），分析测验大断面的变化情况。

Lin=k×Lout

(17)

式中：Lout=6 000 cd/m2；k为亮度折减系数，与车速有关，k取值参考表4。

表4 入口段亮度折减系数kTable 4 Inlet section brightness reduction coefficient k

因为隧道设计通车速度为80 km/h,故由式(17)可得隧道入口前半段的亮度值Lin=210 cd/m2。

由上面计算得出的连廊情况下自然光提供的亮度最小值为Lmin=336.644 812 cd/m2,故可知在采用连廊基于自然光的亮度照明的情况基本可以满足隧道入口段前半段照明的需要，即Lmin>Lin。隧道入口前半段照明采用灯具照明，灯具类型采用85、185 W两种LED,实际灯具参数指标如表5。

银山隧道入口段前半段采用加强照明方式进行照明，采用30组185 W的灯具和40组85 W的灯具共同照明。由计算可知在洞外亮度为6 000 cd/m2，Lin=210 cd/m2情况下，入口段前半段采用基于连廊的自然光照明已满足需要，此时可以节省下隧道入口段的前半段的灯具照明的消耗。

根据广东工业用电收费准1.025元/(kW·h)在整个隧道灯光中入口段采用自然光照明时，前半段共有185 W灯具15套，85 W灯具10套，夏季汕尾地区天黑时间为晚上6:00，故从早上9:00太阳光达到最低照明要求到下午5:00，一天中8小时都可以利用自然光替代灯具，在此期间灯具每天照明消耗电能为116 000 W。

根据工业用电的用电收费标准1.025元/(kW·h)，每天入口段前半段需要支付电费为11.89元。一年下来整个入口段前半段需要支付电费为4 339.85元。

采用连廊的自然光替代入口段前半段照明，每年可以为银山隧道省去4 339.85元，整个隧道的照明每年支出为26 000.00元。则每年可以节约电费占整个原有电费比为16.69%。

综上可知，银山隧道入口段的前半段如果采用连廊的自然光替代加强照明不仅可以满足照明的需要，而且可以降低整个隧道的电能消耗，降低能耗占整个隧道能耗比达到16.69%，隧道采用连廊的照明方式不仅环保而且高效。

3 结 论

笔者通过研究分析自然光射入的情况，建立起自然光照射模型，并将该模型引入隧道入口段连廊中，进而建立起连廊下隧道的光分配模型。并利用已建立的光分配模型，在隧道入口段照明中，用连廊下自然光照明的方式替代了传统的灯具照明模式，以潮惠高速公路银山隧道段的设计为例，对入口段采用连廊自然光照明的模型进行验证。验证表明，将隧道入口段的加强照明换成连廊下的自然光照明，可以很好的满足隧道入口前半段的照明需求，相比加强照明，大大降低了隧道入口处的照明耗电量，在同等条件下，入口段采用连廊自然光的照明方式较传统照明方式降低隧道能耗比达16.69%，可见基于连廊的隧道入口段自然光照明降低了隧道的照明能耗。