基于隧道照明的节能改造设计研究

王相国

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

隧道照明系统是公路建设的重要组成部分和重要能耗部分[1]，该系统的方案设计不仅要考虑合理性与安全性，还要考虑它的节能和环保性能[2]。目前，随着高速公路隧道的长期运营，隧道内照明灯具的性能也会随着使用周期而逐年下降，且原有的隧道照明设计也无法满足新的节能环保要求，需要进行节能改造。

1 工程概况

山西交通控股集团有限公司大同北高速分公司管辖的隧道共3座。其中亮马台隧道左洞长度为2 222 m，右洞长度为2 148 m，隧道原设计速度为100 km/h，隧道行车道宽度为7.5 m，隧道内路面为水泥混凝土；大梁山隧道左洞长度为6 105 m，右洞长度为6 058 m，隧道原设计速度为80 km/h，隧道行车道宽度为8.75 m，隧道内路面为沥青混凝土；黑石崖隧道只有左洞，长度为446 m，隧道原设计速度为80 km/h，隧道行车道宽度为8.75 m，隧道内路面为沥青混凝土。

经过对隧道内各照明段落照度实测，3座隧道照明亮度已不能满足原设计和行车安全的要求。综合考虑，亮度下降原因有两种：首先是由于部分高压钠灯已达寿命终期，损坏率较高，且因缺少备件，未能及时更换；其次是大部分高压钠灯已出现大幅度的光衰，致使亮度无法满足原设计的要求。所以，考虑隧道内行车安全的需要，故应对隧道照明进行改造。

2 照明改造方案

2.1 原设计方案

原亮马台隧道照明系统设计的洞外亮度取4 500 cd/m2，隧道内全部灯具均为对称布设。入口段照明采用400 W高压钠灯，布设间距1.5 m，亮度为182 cd/m2；过渡段1照明采用400 W高压钠灯，布设间距4 m，亮度为54.8 cd/m2；过渡段2照明采用250 W高压钠灯，布设间距6 m，亮度为19 cd/m2；过渡段3照明采用100 W高压钠灯，布设间距6 m，亮度为9 cd/m2；中间段照明采用100 W高压钠灯，布设间距12 m，亮度为4.61 cd/m2；出口段照明采用150 W高压钠灯，布设间距4 m，亮度为22.5 cd/m2；车人行横洞和紧急停车带采用2×36 W的荧光灯；洞外引道照明采用250 W高压钠灯。

原大梁山隧道照明系统设计的洞外亮度取4 000 cd/m2，隧道加强照明灯具均为对称布设，基本照明为交错布设。入口段照明采用400 W高压钠灯，布设间距2 m，亮度为100 cd/m2；过渡段1照明采用250 W高压钠灯，布设间距4.5 m，亮度为30 cd/m2；过渡段2照明采用150 W高压钠灯，布设间距8.5 m，亮度为10 cd/m2；中间段照明采用100 W高压钠灯，布设间距12 m，亮度为2 cd/m2；出口段照明采用150 W高压钠灯，布设间距7 m，亮度为10 cd/m2；车人行横洞和紧急停车带采用2×58 W的荧光灯；洞外引道照明采用250 W高压钠灯。

原黑石崖隧道照明系统设计的洞外亮度取4 000 cd/m2，隧道加强照明灯具均为对称布设，基本照明为交错布设。入口段照明采用400 W高压钠灯，布设间距3 m，亮度为70 cd/m2；过渡段1照明采用250 W高压钠灯，布设间距6 m，亮度为21 cd/m2；过渡段2照明采用150 W高压钠灯，布设间距8.5 m，亮度为7 cd/m2；中间段照明采用100 W高压钠灯，布设间距12 m，亮度为2 cd/m2；出口段照明采用150 W高压钠灯，布设间距7 m，亮度为10 cd/m2；洞外引道照明采用250 W高压钠灯。

原方案内容齐全，灯具配置的亮度标准可以满足《公路隧道通风照明设计规范（JTJ 026.1—1999）》的要求。但随着照明灯具技术的不断发展、规范的修订，原设计方案仍然存在诸多不足。如：原设计采用直接估计取值，无法反应隧道洞口实际的亮度情况；亮马台隧道包括过渡段3，增加照明的能耗；灯具采用的是高能耗的高压钠灯和荧光灯；入口段和过渡段1之间亮度的差值太大，容易给机动车驾驶人员造成视觉差异，从而影响行车安全；隧道照明系统不能满足《公路隧道照明设计细则（JTG/T D70/2-01—2014）》的要求。

2.2 改造方案

由于原设计的洞外亮度值均为估计值，故对洞外亮度进行了实地测量。测量时间为中午12点至14点之间，采用亮度仪对3座隧道洞口的各种元素的亮度进行测定，通过环境简图法[3]对3座隧道洞口的洞外亮度进行确定，3座隧道的洞外亮度如表1。

表1 隧道洞外亮度实测值

在灯具的使用方面，3座隧道的改造照明灯具都采用LED灯。这是因为相对于高压钠灯而言，LED灯具有能耗低、寿命长、亮度可调以及视觉效果好[4-5]等优点而被广泛采用[6]。

亮马台隧道的入口亮度折减系数为0.036；大梁山、黑石崖隧道的入口亮度折减系数为0.025。改造范围为加强照明、基本照明、车人行横洞照明、紧急停车带照明、洞外引道照明。

亮马台隧道原设计入口加强照明分为入口段、过渡段1、过渡段2、过渡段3。设计方案把入口加强照明分为入口段1、入口段2、过渡段1、过渡段2。原出口段划分为出口段1与出口段2。考虑LED灯具的特点、隧道路面亮度总均匀度和路面中线亮度纵向均匀度等确定亮马台隧道的照明设计方案，方案如表2所示。

表2 亮马台隧道洞外亮度实测值

大梁山隧道和黑石崖隧道原设计照明段落分为入口段、过渡段1、过渡段2、中间段、出口段。设计方案把原隧道照明段落划分为入口段1、入口段2、过渡段1、过渡段2、中间段、出口段1、出口段2。其中，入口段1与入口段2的长度为原入口段长度的1/2，出口段1与出口段2的长度为原出口段长度的1/2。过渡段1、过渡段2、中间段与原设计长度一致。大梁山隧道左右洞设计参数如表3和表4所示。

表3 大梁山隧道左洞设计参数

表4 大梁山隧道右洞设计参数

由于黑石崖隧道左洞的入口与大梁山隧道左洞出口相距95 m，其入口段亮度折减30%。黑石崖隧道设计参数如表5所示。

表5 黑石崖隧道设计参数

2.3 照明配电

原亮马台隧道照明灯具的电源引自隧道内桥架上方的接线箱，每3盏灯具接入一个接线箱。隧道照明供电主缆敷设于桥架内。在隧道桥架侧通长设置桥架接地体作为保护接地干线。改造后照明灯具通过接灯线和穿刺夹与桥架内的照明供电主缆相接，灯具接地保护与桥架接地体可靠连接。

原大梁山隧道和黑石崖隧道照明灯具电源引自隧道桥架内的照明分支回路，利用隧道通长设置的桥架作为照明系统的接地干线。改造上述两座隧道接线遵循原方案。

同一回路灯具按A、B、C三相交替接线，灯具接线要尽量与原照明灯具线缆接头对接。

2.4 灯具安装

照明灯具的安装不得侵入隧道建筑限界，安装高度与原隧道灯具高度一致。安装时应调整灯具角度调节器，使路面亮度尽量一致，减少亮度差，各个灯具光轴线应保持与竖直面成同一角度，灯具倾角应保持一致[7]。灯具安装所用的配件及膨胀螺栓均为灯具配套产品，安装时根据产品说明书进行安装。

3 节能改造后的能耗分析

表6 亮马台隧道能耗及费用对比表

表7 大梁山隧道能耗及费用对比表

改造工程的范围包括横洞照明。但由于横洞照明灯具长时间处于关闭状态，所以，能耗分析将不计入其中。通过本设计亮马台隧道节能比例45.6%，大梁山隧道节能比例50.4%，黑石崖隧道节能比例48.9%。各隧道的能耗分析如表6～表8，括号内数字为改造后的值。

表8 黑石崖隧道能耗及费用对比表

4 结语

本文的改造方案通过选用LED灯具，去掉亮马台隧道的过渡段3，通过节能分析可见，节能效果显著；根据新规范将原入口段划分为入口段1和入口段2，出口段划分为出口段1和出口段2，使机动车驾驶员在出入隧道时适应亮度明暗变化的过程；对隧道各个洞口的洞外亮度进行实测，以此确定的隧道照明系统更合理，让机动车驾驶员可以更好地适应“黑洞效应”。

高速公路隧道照明灯具长期处于开启状态，在隧道用电费用中占比较大。所以，对隧道照明进行节能改造设计，对隧道的节电意义重大。随着照明灯具工艺和技术的逐渐进步，隧道照明的节能空间越大。该设计方案能有效地降低隧道的运营成本，可以给类似的照明改造方案提供参考。