公路隧道侧壁反射率及涂装高度对照明的影响研究

石开荣，张彦晓

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

引言

2021年10月，国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案的通知》，要求有力有序有效地做好碳达峰工作，确保如期实现2030年前碳达峰目标。其中对交通行业提出的要求为将绿色低碳理念贯穿于交通基础设施规划、建设、运营和维护全过程，降低全生命周期能耗和碳排放。公路隧道在改善公路技术状态、缩短运行距离、提高运输能力、减少事故等方面起到重要的作用。作为交通基础设施重要组成部分，随着交通运输行业的发展，我国运营公路隧道数量及里程长度均位居世界前列。2010年到2020年期间，我国公路隧道增加了20 578座，里程增长1 687.67万延米。伴随着运营里程的增长，隧道照明能耗问题日益凸显，已成为隧道运营的主要成本之一。照明设施的高能耗与“碳达峰”理念不符，开展隧道照明节能研究，在满足隧道安全运营的前提下节约能源，降低隧道碳排放，节约运营成本是十分必要的[1-4]。

隧道照明设计及运营养护主要依据《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)开展，对隧道照明亮度、均匀度等作出要求，同时提出路面两侧2 m高范围内墙面宜铺设反射率高的材料[5]。隧道墙面反射与衬托作用在隧道照明中非常重要，不容忽视。普通双车道隧道断面弧长约21 m，两侧2 m高范围只占隧道侧壁面积约20%，隧道拱腰及拱顶的面积范围较大，对隧道照明有较大影响，若能够通过提高隧道侧壁反射率提高隧道路面亮度，则可在初装阶段降低照明灯具功率或者通过无级调光进行调节，从而降低照明建设成本及运营能耗。目前对照明控制、灯具选择等方面的节能研究较多，通过增强隧道侧壁反射率降低照明能耗的工程实例较少，依然有较大节能空间及研究价值。本文主要研究隧道侧壁反射率对路面亮度的影响，明确具体影响比例；同时通过试验研究，明确公路隧道侧壁涂料的最佳涂装高度。

若要研究隧道侧壁涂料反射率及涂装高度对照明的影响，需要实际改变隧道侧壁涂料，这将耗费大量的财力和人力，可行度相对较低。因此，本文将基于DIALux Evo照明设计软件，研究隧道侧壁涂料反射率及涂装高度对隧道照明的影响，为其实际运用提供相关的理论支撑。

1 隧道照明影响因素及反射增量系数

1.1 隧道照明影响因素

隧道照明既要满足相关规范的亮度要求，避免出现隧道“黑洞”及“白洞”效应，保证隧道的行车安全，同时需要考虑提高照明质量，增强隧道内行车的舒适性。在保证安全的前提下，照明节能降耗也一直是研究热点，同时也是国务院碳达峰行动方案的要求。隧道照明效果受诸多因素影响，主要分为以下几类：

①隧道照明灯具光源选择；

②隧道照明灯具布置方式；

③隧道接近段减光，降低隧道洞外亮度；

④隧道照明调光控制；

⑤隧道侧壁材料选择。

其中①～④已经有较多的专家学者研究，相关理论已经较为成熟并且已经有较多的实体工程采用，产生了良好的节能及环保效果[6-8]。侧壁材料对隧道照明的影响研究相对较少，目前隧道侧壁多数依然为原始状态，造成的能源浪费较多。通过增强隧道侧壁反射率及合理设置涂装高度，降低隧道照明能耗，有较高的研究价值。隧道内装常用的材料有混凝土材料、装饰面板、瓷砖、涂料、油漆等材质[9]，其中不同材质有不同的反射率，将会产生不同的照明效果。

1.2 反射增量系数

隧道照明中，因隧道内表面光线的反射使得路面照度提高的比例系数称作隧道照明反射增量系数[10]，按式(1)进行计算。

(1)

反射增量系数反映的是隧道侧壁及路面等材质表面对隧道照明灯光反射后，隧道路面亮度的变化情况，增量系数越高，隧道路面亮度越高，越有利于隧道照明节能。影响反射增量系数的主要因素为隧道侧壁反射率，其次受隧道照明灯具安装角度、高度等因素的影响。

2 照明计算分析

2.1 隧道基础信息

隧道基本情况：高速公路双向四车道隧道，左右洞长度均为1 000 m，净宽10.25 m，建筑限界净高5.0 m，路面宽度7.5 m，设计时速为80 km/h，隧道内路面为沥青混凝土路面，远期预测交通量为800[veh/(h·ln)]。依据JTG/T D70/2-01—2014[5]要求及隧道基本情况计算，中间段亮度取值2.5 cd/m2，路面亮度总均匀度U0值为0.353，路面中线亮度纵向均匀度U1取值为0.553。

照明灯具选择：经过多年的发展，LED照明技术已经很成熟，LED隧道照明灯具由于良好的节能效果及显色性能，已经成为公路隧道照明的首选。且按JTG/T D70/2-01—2014[5]要求，当显色指数Ra≥65，色温介于3 500～6 500 K的LED光源用于隧道基本照明时，亮度可按标准值的50%取值(不低于1 cd/m2)，因此本文采用LED隧道照明灯具，灯具功率为50 W，色温为4 000 K，配光曲线如图1所示。

图1 照明灯具配光曲线Fig.1 Light distribution curve of lighting fixtures

灯具布置形式：目前高速公路隧道灯具布置形式主要有中线形式、中线侧偏形式、两侧对称布置、两侧交错布置等。本文依据该隧道实际灯具布置情况，采用双侧交错布置进行模拟。

2.2 隧道模型搭建

本文采用DIALux Evo照明设计软件对该隧道进行模拟仿真，隧道模型按以下步骤搭建：

1)依据隧道横断面内轮廓图搭建隧道模型，设置路面及隧道表面材质。隧道为沥青混凝土路面，路面反射率设置为11%，侧壁未涂装部分选用普通混凝土面板材质，反射率为30%[11]，涂装部分按实际试验情况设置。隧道模型搭建如图2和图3所示。

图2 隧道模型(外部)Fig.2 Tunnel model(outside)

图3 隧道模型(内部)Fig.3 Tunnel model(inside)

2)布置照明灯具，调整安装角度及养护系数等内容。模拟隧道中间段照明，采用双侧交错布灯方式，布灯间距为10 m，灯具设置高度为5.5 m，灯具安装角度为45°。按照JTG/T D70/2-01—2014[5]要求，灯具养护系数为0.7。

3)设置照明亮度计算区域，用于路面照明亮度及均匀度的计算，如图4所示。

图4 亮度计算区域(30 m×7 m)Fig.4 Brightness calculation area(30 m×7 m)

2.3 照明试验

JTG/T D70/2-01—2014[5]提出路面两侧2 m高范围内墙面宜铺设反射率高的材料，因此本研究从2 m开始，依次增加涂装高度。在不同的隧道侧壁反射率下进行模拟，分析不同涂装高度及反射率对隧道照明亮度的影响。

试验方法：在隧道照明灯具安装高度、角度等条件一致的情况下，改变隧道侧壁反射率及涂装高度，进行模拟研究。分别在涂装高度2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、7.5 m(全断面)情况下，反射率30%～90%区间内，每隔10%进行一次模拟，共进行49次模拟实验。记录不同安装高度及隧道侧壁反射率下的路面平均照度、路面亮度总均匀度、路面中线亮度纵向均匀度情况，结果见表1～表3。

表1 不同侧壁反射率及涂装高度下路面平均照度(lx)Table 1 Average road surface illuminance under different sidewall reflectivity and coating height(lx)

表2 不同侧壁反射率及涂装高度下路面亮度总均匀度Table 2 Overall uniformity of road surface luminance under different sidewall reflectivity and coating height

表3 不同侧壁反射率及涂装高度下路面中线亮度纵向均匀度Table 3 Longitudinal uniformity of road surface luminance under different sidewall reflectivity and coating height

通过模拟计算，可得到隧道照明效果及伪色效果图，形象展示隧道照明实际状态，如图5为涂装高度4 m、涂装部分侧壁反射率70%的效果图，图6为其对应的照明伪彩色图。

图5 隧道照明效果图Fig.5 Tunnel lighting renderings

图6 隧道照明伪色图Fig.6 Tunnel lighting false color map

3 试验结果分析

3.1 侧壁反射率对隧道照明的影响分析

将计算数据进行处理分析，得出相关照明指标统计图，可明显看出不同隧道侧壁反射率下相关指标的变化趋势。图7～图9分别为不同涂装高度和反射率下隧道路面平均照度及照明反射增量系数、路面亮度总均匀度和路面中线亮度纵向均匀度的变化情况。

图7 路面平均照度及反射系数增量Fig.7 Average road surface illuminance and reflectance increment

图8 路面亮度总均匀度Fig.8 Overall uniformity of road surface luminance

图9 路面中线亮度纵向均匀度Fig.9 Longitudinal uniformity of road surface luminance

隧道中间段亮度取值2.5 cd/m2，根据JTG/T D70/2-01—2014[5]要求折合为37.5 lx。从路面平均照度看，不同侧壁反射率下均满足要求。路面照度与隧道侧壁反射率基本呈线性关系，随着侧壁反射率的增加，路面照度增强。涂装高度为2 m，反射率由30%增长到90%时，路面平均照度由43.0 lx增长到45.9 lx，增加了约7%。涂装高度为7.5 m(全断面)时，路面平均照度由43.0 lx增长到64.2 lx，增加了约49%。照明反射增量系数同样随着侧壁反射率的增加而增强，大幅度提高了隧道路面亮度，有利于隧道照明节能。

从路面亮度均匀度及纵向均匀度看，各种反射率下均能满足JTG/T D70/2-01—2014[5]要求。随着隧道侧壁反射率的增加，路面亮度总均匀度、路面中线亮度纵向均匀度均呈增加趋势。增强隧道侧壁反射率有利于增强隧道照明质量，提高隧道行车舒适性及安全性。

3.2 侧壁涂装高度对照明的影响分析

隧道侧壁涂装高度变化时路面照度及反射增量系数变化情况如图10所示。在双侧交错布灯时，路面照度与涂装高度基本呈线性关系。随着涂装高度的增加，路面照度增强，隧道拱顶等部位依然对隧道照明有影响。反射增量系数也基本成线性增长，有利于隧道照明节能。路面亮度总均匀度及路面中线亮度纵向均匀度变化情况如图8和图9所示，在相同侧壁反射率下，二者均随涂装高度的增加而增强。

图10 路面平均照度及反射系数增量Fig.10 Average road surface illuminance and reflectance increment

由此可得出结论，在双侧交错布灯时，隧道路面亮度与侧壁涂装高度基本呈线性关系，最佳涂装高度为全断面涂装，最有利于照明节能。

4 结论

将绿色低碳理念贯穿于公路隧道的规划、建设、运营和维护全过程，降低全生命周期能耗和碳排放，是国家“碳达峰”的要求，也是公路隧道运营的发展趋势和必然选择。本文通过计算机软件模拟计算并进行分析得出以下结论：

(1)隧道路面平均亮度与隧道侧壁反射率基本呈线性关系，路面亮度随着侧壁反射率增大而增强。提高隧道侧壁反射率能够提高隧道照明质量，有利于隧道照明节能。

(2)在双侧交错布灯时，隧道路面亮度与侧壁涂装高度基本呈线性关系，路面亮度随着涂装高度增加而增强。最佳涂装方式为全断面涂装，最有利于照明节能。

(3)不同涂装高度下，隧道侧壁反射率每增长10%，路面亮度对应增长比例见表4。

表4 不同涂装高度下路面亮度增长率Table 4 Growth rate of road surface luminance under different coating heights

由于隧道现场复杂多样，照明设施的设计也需要结合隧道实际，采用合适的节能方案。本文仅采用计算机软件模拟计算的方式开展研究，相关研究结果在实体工程中的应用效果还需进一步探索。