基于Dialux隧道照明仿真节能设计

黄培荣

(泉州市城市规划设计研究院,福建 泉州 362000)

为实现能耗总量和强度的“双控”目标，提高电力能源的综合利用效率，加强建设领域的节能效率，加强能源、能耗的管控，大力推进建设项目的节能，隧道照明高能耗的问题受到工程界的广泛重视[1].如何在隧道照明设计阶段采取节能措施、降低隧道照明能耗设计的复杂性、形成一种安全、经济、可靠、可操作的隧道照明能耗设计模型，具有重要的现实意义.传统隧道照明设计方法有经验表格法、利用系数法、等照度曲线法等，不管哪种方法都是人工计算，图表繁多，计算繁琐，不但计算精度不高，调整费时费力，而且无法评价照明的质量和效果[2].本文利用Dialux软件先进的设计功能，实时对光源灯具选型、灯具布置方式、洞外亮度等进行设计调整；对隧道照明的均匀度、亮度、舒适度等进行仿真设计，结合不同控制方式的节能效果，分析不同模型的能源消耗状况对隧道照明的节能设计具有一定的参考价值.

1 隧道照明设计要求

1.1 隧道概况

选取快速通道上的一个单向隧道，利用Dialux照明设计软件进行隧道照明仿真设计.隧道的基本设计参数为：隧道长度L=607 m；隧道路面宽度标准段W=13.25 m，入口处由于右侧有汇入车道进行分段加宽，从入口点算起，起点到105 m处宽度W=18.5 m，105 m到125 m处宽度W=17.25 m，125 m到150 m处宽度W=15.25 m，其余宽度W=13.25 m；断面高度h=7.8 m；设计速度V=60 km/h；计小时交通量N>1 200辆/h；隧道路面材料为沥青，均亮度与平均照度间的系数：15 lx/(cd/m2)；洞外亮度(假设为亮环境)L20(S)=3 500 cd/m2；交通特性为单向交通.

1.2 隧道照明基本设计标准

根据道路概况本工程的设计标准[2]：路面亮度总均匀度U0不小于0.4，路面中线亮度纵向均匀度U1不小于0.6，中间段亮度Lin=2.0 cd/m2.

1.2.1 照度计算 通过查找灯具利用系数曲线图相关资料，按照式(1)计算路面的平均水平照度[2]：

(1)

其中:φ为灯具的光通量(单位:lm)；u为灯具的利用系数，与灯具配光有关；n为单侧或交错布置时取1，对称布置时取2；k为灯具的维护系数，水泥路面取1.3，泥青路面取2；W为道路宽度(单位:m)；S为灯具间距(单位:m).

1.2.2 亮度计算 路面亮度按照式(2)计算，由式中可知，计算路面任意点的亮度必须知道亮度系数或简化亮度系数，再通过亮度系数q与该点水平照度E相乘，即L=qE.亮度系数不仅与路面材料有关，还取决于观察者与光源的位置.由于亮度系数必须通过实测才能获得，因此设计中通常采用国际照明委员会(CIE)推荐的简化亮度系数表.

(2)

其中:r(β，γ)为简化亮度系数；I(β，γ)为灯具指向c，γ方向上的光强；H为灯具安装高度(单位:m).

1.2.3 分段设计参数 依据JTGTD 702-01-2014《公路隧道照明设计细则》，单向隧道内照明设计可划分为：入口段照明、过渡段照明、中间段照明和出口段照明[2].其中入口段照明、过渡段照明和出口段照明由基本照明和加强照明两部分组成[2]；基本照明与中间段照明一致.查表得中间段亮度Lin=2.0 cd/m2；本设计采用LED光源，根据规范规定中间段亮度可以取Lin=1.0 cd/m2，各段设计参数计算结果见表1.中间段照明灯具布置间距应满足闪烁频率低于2.5 Hz或高于15 Hz，相对应本工程明灯具布置间距应大于6.7 m.应急照明灯具利用部分基本照明灯具，应急照明亮度不小于中间段的10%，且不应低于0.2 cd/m2，为控制设计方便，隧道应急照明亮度一般取四分之一中间段基本照明亮度[3].

表1 设计参数计算Tab.1 Calculation table of design parameters

2 不同光源灯具节能比较

2.1 光源灯具比较

目前，隧道工程比较普遍采用的光源是高压钠灯和隧道用LED灯.高压钠灯光优点是光效高、寿命长、穿透性好，缺点是显色性差，比较适合于无显色要求的隧道，由于灯具不能进行单独调光，会造成电能大量浪费；LED具有光指向性好、光效高、易于调光、寿命长等优点[3]，但是透雾性能不够强.隧道用LED效率比较高，能很好地满足隧道照明的要求，且LED灯具有无极调节功能[4]，可以有效避免分级调光控制方法造成的路面亮度不均匀情况，相对于高压钠灯，LED节能效果显著，目前LED灯具主要问题是厂家多，质量参差不齐，没有统一的标准[5].

本文模拟计算高压钠灯采用PAK-M04-系列灯具如图1，LED灯采用PAK-LED-M05-系列灯具如图2，高压钠灯与LED灯的灯具设计参数详表2.由表中可知，LED灯无论从光源的发光效率以及灯具的效率，都比高压钠灯在节能方面上有不少的优势.

图1 高压钠灯 图2 LED灯Fig.1 High pressure sodium lamp Fig.2 Led lamp

表2 高压钠灯与LED灯的灯具设计参数Tab.2 Design parameter table of high pressure sodium lamp and LED lamp

2.2 能耗比较

采用隧道两侧交错布置方式进行比较，灯具高度、仰角、布置方式一样，模拟结果亮度、均匀度均符合设计要求，高压钠灯照明方案与LED隧道灯照明方案的灯具数量及功率模拟结果见表3.由表中可知，采用LED灯比高压钠灯装机容量少14.1 kW,节约23.62%，节能效果明显.

表3 两侧交错布置方式模拟方案灯具数量功率Tab.3 Lamp number and power meter with two-side staggered arrangement

3 不同布置方式节能比较

隧道照明灯具的布置方式，不仅影响隧道照明的亮度质量，而且直接决定隧道照明的电能消耗量，如何选取灯具参数及确定灯具的最优的布置方式，对隧道照明节能设计具有重要的现实意义.照明灯具布置方式主要有：中线形式、两侧交错和两侧对称等形式[6].

3.1 效果比较

根据计算模型，选用LED灯采用中线布置与两侧交错布置两种方式进行模拟设计比较，设计参数计算结果如表4,出、入口处的设计等亮度线平面图见图3～6.

表4 设计参数计算表Tab.4 Calculation table of design parameters

由图3和图5可知，中线布置的等亮度曲线在出、入口处的形状类似山峰的等高线，中间有明显的亮点，两侧则产生暗斑，对视觉刺激比较明显；而图4和图6两侧交错布置的等亮度曲线类似马鞍线，中间与两侧过渡比较平滑，同时在行车方向上比较平顺，光线的诱导性非常强，不仅视觉上非常舒服，而且有助于行车安全.

图3 中线布置入口段TH1的亮度图 图4 两侧交错布置入口段TH1的亮度图 Fig.3 Luminance diagram of the entrance section TH1 interlaced on both sides Fig.4 Luminance diagram of the entrance section TH1 along the middle line

图5 中线布置出口段EX2的亮度图 图6 两侧交错布置出口段EX2的亮度图Fig.5 Luminance diagram of the entrance section TH2 interlaced on both sides Fig.6 Luminance diagram of the entrance section TH2 along the middle line

3.2 舒适度比较

灯具两侧交错布置的模拟照明效果图如图7，中线布置的模拟照明效果图如图8.通过对图7和图8的分析可以发现，在照明质量方面，中线布置灯具方式与两排交错布置灯具方式相比，存在明显的不足；在对行车舒适度方面，两排交错布置灯具方式也明显比中线布置灯具方式要好很多，但中线布置灯具方式的经济性相对较高，因此在设计灯具布置方案时应结合交通流量的实际情况做相应的设计.对于小交通流量的隧道，着重考虑照明设计的经济性，以中线布置方式为主；在大交通流量的隧道，照明节能设计的出发点则应该是行车的舒适性和安全性，而选择两排交错的布置方式.

图7 两侧交错布置的模拟照明效果图 图8 中线布置的模拟照明效果图Fig.7 Simulation of lighting effect with of centerline layout Fig.8 Simulated lighting effect diagram staggered arrangement on both sides

3.3 节能比较

模拟结果亮度、均匀度均符合设计要求，中线布置、两侧交错布置形式隧道照明方案的灯具数量功率见表5.由表中可知，灯具两侧交错布置方式比中线布置方式节能，但相差不多.

表5 灯具数量功率Tab.5 Luminaire quantity power meter

4 不同控制方式节能比较

目前,隧道照明系统普遍采用的控制方式有三种[2]：人工控制、自动控制和智能控制.

4.1 人工控制

人工控制是控制方式的最基本方式.无论采用其他任何的控制方式都必须具有人工手动控制的功能，通过人工手动对照明回路进行实时控制，手动开启或关闭灯具的照明回路控制器.目前主要是在有应急预案需要时，如在交通事故处理、隧道例行维护检修或交通高峰、节假日等有巨大的车流量时段，都需要人工介入进行手动控制.

4.2 自动控制

根据季节、天气、时间段等因数对隧道照明分时段进行控制.将加强照明灯具及基本照明灯具均匀、对称地各分成几个回路，把基本照明灯具的一个回路作为应急照明回路，应急回路的灯具数量产生的隧道亮度应符合规范要求.控制时段的具体分配应根据不同地区、不同季节进行具体调整[7]，各级控制模式下各照明段亮度均不得低于中间段亮度，特别是午夜时段控制，若隧道外道路有照明系统，则隧道内实时的亮度必须与连接道路的亮度尽可能一致，关闭隧道基本照明灯具的数量应根据隧道外道路的亮度来进行调整[8].本文设计的时段仅为电能损耗计算方便选取，工程实际中由运营单位根据管理需要制定，控制内容及时段设计参照表6.

表6 分时段控制Tab.6 Timesharing control list

4.3 智能控制

根据隧道照明设计方法，影响隧道照明各个分段照明亮度的设计参数有：车辆行驶速度、交通流量和洞外亮度.这三个参数的选取影响着隧道照明设计灯具容量以及灯具布置方式的选择，从而直接关系到隧道照明的能耗水平.由于在设计阶段车辆行驶速度、交通量和洞外亮度的取值是按照规范要求确定的固定值，但在实际运营中，这三个参数是实时变化的，特别是洞外亮度和交通流量会随时间进行变化[9].只有充分考虑这些因数变化的影响，才能真正做到安全运营与节约电能的理想效果.因此，有必要对隧道照明系统进行按需照明的智能管控.目前，对隧道照明进行智能控制的设备，主要由采用检测洞外亮度的亮度检测器结合检测车辆行驶速度、交通流量的微波车辆检测器组成[10].基于数字雷达波技术的微波车辆检测器被广泛用于进行交通信息检测与采集，侧挂式固定安装在需要检测的地点，通过计算车辆经过检测区域的时间差来对车辆速度、交通流量等交通信息进行有效采集[11]，可以全天候检测，并具有漏检率低和预测精度高等优点，能实时获取车辆行驶速度、交通流量等数据.该系统充分考虑交通、天气等参数的实时变化，通过调光控制器根据探测系统提供的参数，对照明系统根据隧道亮度进行实时调光控制，做到按需照明的理想效果[12].在保障行车安全的前提下，提高了光源的利用率，延长灯具的寿命，提升了照明质量，减少了能耗，优化了隧道交通环境，智能控制是隧道照明控制的一种主要趋势.

表7是根据天空面积百分比为10%和0两种洞外亮度模拟设计的灯具数量与功率表，由表中可知，每天运行12 h，一年有3.4万kWh的电能差别.通过比较可以得出,不同的洞外亮度对隧道照明能耗有直接的关系，必须对洞外亮度参数有效地利用，才能取得更好的节能效果，因此有必要对洞外的亮度变化进行有效的智能检测.在洞口土建建设完成后，进行洞外亮度实测，若设计值与实测值误差超过25%，则隧道照明系统必需进行重新设计[2]，因此可见智能控制系统的设计是很有必要的.

表7 洞外亮度对隧道节能的影响Tab.7 Table of influence of brightness outside tunnel on tunnel energy saving

5 节能效率比较

5.1 电气节能比较

对不同光源灯具、不同布置方式的三种方案的设计容量进行比较，如表8所示.参照表6的时段，分析每天运营24 h的用电量见表9.

表8 容量比较Tab.8 Capacity comparison table

表9 社会效益估算Tab.9 Estimate of social benefits

由表8和表9可知LED灯节能效果比较明显，社会效益非常好，模型中的LED灯两侧交错布置为本设计的最优方案.

5.2 其他节能措施

隧道照明节能措施主要在照明标准、灯具光源选择和照明自动化控制等方面，但是隧道照明系统节能设计除了通过光源灯具选型、灯具布置方式等电气措施外，还可以通过其他方式进行降低能耗，节约能源.隧道照明的设计与洞外亮度有直接的关系，可以在接近隧道洞口段的道路两侧种植树木或其他绿色植物等减光设施，合理地降低洞外环境亮度；合理采用隧道内墙壁的装修材料，增强墙面的反射效果，提高光源的利用系，增加灯具光源的利用率；加强对隧道照明系统的日常维护[13]，清洁隧道环境，保证墙面的反射率和灯具光通量的下降控制在最低水平，达到降低能耗的目的.

6 结语

利用Dialux照明设计软件对隧道照明建立三维模型进行仿真设计，根据仿真模型将节能设计与隧道的光源灯具选型、灯具布置方式、洞外亮度等参数有机地结合起来，得出符合规范的最佳节能设计方案.再结合隧道照明在不同控制方式下的节能效果[14]，分析不同模型下的隧道照明能源消耗状况，得出隧道照明在设计阶段的最有效的节能设计方案.当然电气节能不是隧道照明节能的唯一途径，隧道内部装修材料对隧道照明也有较大的影响，隧道洞外白天的亮度对设计的影响也很大，如何降低洞外亮度对隧道节能意义重大.同时，照明节能也不是隧道照明设计的唯一评价指标，应该在保障行车舒适度和行车安全的前提下，减少耗能，提高能源利用，提升隧道照明质量，从而推动绿色、智能、安全的隧道交通环境，才对隧道照明的节能设计具有普遍的参考价值和指导意义.