高速公路隧道照明節(jié)能技術(shù)應(yīng)用
隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國高速公路也越來越多，同時(shí)隧道的比例也越來越高，隧道照明的費(fèi)用也是逐年增加。越來越多的隧道照明，使隧道照明的運(yùn)營成本也越來越高，如何在保證車輛安全行駛的前提下，盡可能地節(jié)紙費(fèi)用并降低運(yùn)營成本是一個(gè)重要的問題。
一、設(shè)計(jì)參數(shù)的節(jié)能調(diào)整
設(shè)計(jì)是工程的根本，準(zhǔn)確合理地采用設(shè)計(jì)參數(shù)，能避免較大的能源浪費(fèi)，是非常有效的節(jié)能途徑之一。我國高速公路建設(shè)起步較晚，隧道照明節(jié)能設(shè)計(jì)中的措施與高速公路的飛速發(fā)展極不適應(yīng)，大多數(shù)的隧道照明設(shè)計(jì)都存在過度設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)出的隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)值偏大、保守，對(duì)此，我們從設(shè)計(jì)上就著手考慮合理的節(jié)能。
1.1 選取合適的洞口亮度
一公里的隧道，其加強(qiáng)照明的總功率，約占整個(gè)隧道照明功率的70%，而加強(qiáng)照明設(shè)計(jì)取決于洞外亮度L20(S)，因此洞外亮度L20(S)是隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)之一，洞外亮度L20(S) 的正確設(shè)定，對(duì)工程投資和運(yùn)營電費(fèi)都有極大的影響。在隧道照明設(shè)計(jì)階段，隧道洞外亮度L20(S)在多數(shù)情況下無法實(shí)測(cè)得到，一般按查表法獲取洞外亮度L20(S) 值。查表獲取的洞外亮度L20(S) 值與實(shí)際值存在很大的偏差。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明的設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，當(dāng)土建施工的隧道洞口成型后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)洞外亮度L20(S)進(jìn)行實(shí)測(cè)，設(shè)計(jì)的L20(S) 值與實(shí)際值誤差大于±25%時(shí)，必須對(duì)設(shè)計(jì)的值進(jìn)行修正。但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中很少做到，基本上洞外亮度L20(S)以4000cd/m2取值。為此，2005年8月起，我們組織聯(lián)合課題組歷時(shí)半年對(duì)公路隧道照明基本設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究。
課題研究主要包括5個(gè)方面內(nèi)容：
（1）洞外亮度值傳統(tǒng)測(cè)試方法分析；
（2）利用數(shù)碼照片進(jìn)行洞外亮度測(cè)試研究；
（3）隧道洞口段自然光利用研究；
（4）隧道洞外亮度數(shù)據(jù)庫的編制與應(yīng)用；
（5）對(duì)實(shí)體工程照明設(shè)計(jì)優(yōu)化及建議。
通過測(cè)試和研究得出，目前福建省高速公路山區(qū)高速公路隧道洞口亮度的取值采用端墻式洞口取值為3500 cd/m2，削竹式洞口亮度取值為3000cd/m2進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)，引入端利用自然光后可以減少隧道入口照明燈具，優(yōu)化后的照明設(shè)施和運(yùn)營費(fèi)用比原設(shè)計(jì)節(jié)約10%-15%，并且該結(jié)果在隨后的高速公路的設(shè)計(jì)得到推廣和應(yīng)用。
1.2 根據(jù)流量調(diào)整基本段的亮度，分期實(shí)施照明系統(tǒng)
隧道基本段照明可根據(jù)時(shí)間、交通流量等信息，合理控制照明的運(yùn)行和停止。在早期的隧道照明設(shè)計(jì)中，均采用的車流量大于2400輛/小時(shí)來設(shè)計(jì)的，但是在實(shí)際的統(tǒng)計(jì)中，我省高速公路絕大部分車流量都小于2400輛/小時(shí)，特別在山區(qū)的高速公路其車流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于700輛/小時(shí)，因此造成建設(shè)資金和運(yùn)營費(fèi)用的大量浪費(fèi)。通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出近期內(nèi)福建省高速公路隧道（除沿海高速公路外）車流量都相對(duì)較小，大多數(shù)日平均流量小于100輛/小時(shí)，中遠(yuǎn)期車流量在700到2400輛/小時(shí)之間，因此在對(duì)隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，采用配電線路一次設(shè)計(jì)，變電設(shè)備和照明設(shè)備分期實(shí)施原則，從而達(dá)到安全節(jié)能的目的。目前福建山區(qū)高速公路隧道的照明系統(tǒng)按交通量小于700輛/小時(shí)來實(shí)施，在滿足行車安全的條件下大大節(jié)省了建設(shè)和運(yùn)營的費(fèi)用。
2線路上的節(jié)能措施
2.1 增設(shè)自動(dòng)調(diào)壓設(shè)備
在上世紀(jì)在90年代的初期，在照明系統(tǒng)上興起一種調(diào)壓節(jié)能的方式，當(dāng)時(shí)主要針對(duì)農(nóng)網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的情況，即通過在線路上設(shè)置一限壓或穩(wěn)壓設(shè)備，使高壓鈉燈工作在220V以下，同時(shí)利用高壓鈉燈的光通和電壓的非線性，將電壓適當(dāng)降低到200V, 基本保持保持一定的光通，達(dá)到一定的節(jié)能效果。該方式在業(yè)界也有一定的爭議，高壓鈉燈工作在220V的額定電壓的下，其效果最高，燈具的工作狀態(tài)最好，改變燈具的工作電壓，是否節(jié)能，
要看在具體的電網(wǎng)環(huán)境；增設(shè)的調(diào)壓設(shè)備，自身的功耗，也是考慮的一大重要因素。
自動(dòng)調(diào)壓設(shè)備主要采用可控硅調(diào)壓和自耦調(diào)壓兩種方式。可控硅是傳統(tǒng)的電力電子器件,后來開始應(yīng)用到道路照明的節(jié)能上，采用可控硅斬波原理，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，將電網(wǎng)輸入的正弦波電壓斬掉一部分，從而降低輸出電壓的平均值，達(dá)到控壓節(jié)電目的，但其缺點(diǎn)是可控硅交流調(diào)壓會(huì)產(chǎn)生高次諧波和線路震蕩,降低燈泡壽
命,還會(huì)產(chǎn)生電力污染。
自耦調(diào)壓是通過一個(gè)自耦變壓器機(jī)芯，根據(jù)輸入電壓高低情況，接連不同的固定變壓器抽頭，將電網(wǎng)電壓降低或升高5V、1OV、15V、20V等幾個(gè)檔，克服了可控硅調(diào)壓產(chǎn)生諧波的缺陷，實(shí)現(xiàn)了電壓的正弦波輸出，結(jié)構(gòu)和功能都很簡單，可靠性也比較高，但是由于其核心部件是一個(gè)多抽頭的變壓器，變壓比是固定的，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，調(diào)控裝置的輸出電壓也會(huì)上下波動(dòng)，這樣照明的工作電壓仍處在不穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，還有當(dāng)設(shè)備損壞時(shí)有可能會(huì)造成電壓過高導(dǎo)致燈具大面積燒壞。
2.2 中壓隧道中壓供電
在早期高速公路長隧道的供電方式大體上均采用在隧道兩端設(shè)立獨(dú)立的變電站，由兩端向隧道供電，當(dāng)隧道長度較長（超過2000米）時(shí)，這種低壓長距離供電，線損較大，末端電壓也將會(huì)受到很大的影響，為了保證供電質(zhì)量和降低損耗，往往需要選擇截面積很大的電纜進(jìn)行供電，無疑會(huì)增加了大量的投資。福建高速公路的長隧道多，如果采用傳統(tǒng)供電模式，將產(chǎn)生巨大的投資，同時(shí)在實(shí)際運(yùn)營中，低壓電纜經(jīng)常性的被盜。針對(duì)福建高速公路的特點(diǎn)，自2003年起對(duì)高速公路供配電系統(tǒng)進(jìn)行了不斷的技術(shù)攻關(guān)，并吸收了國內(nèi)外先進(jìn)的中壓供電技術(shù)，從2004年開始在新建的高速公路上采用了將10kV中壓引入隧道且結(jié)合地埋式變壓器應(yīng)用的供電模式，保證了隧道長距離供電的需求，成功地解決了長隧道供電的問題，同時(shí)采用中壓供電，可節(jié)省大量的建設(shè)資金，降低了線纜的損耗。
3燈具布設(shè)的措施
在設(shè)計(jì)規(guī)范中，中間段燈具的布設(shè)方式有中線布置、兩側(cè)交錯(cuò)布置和兩側(cè)對(duì)稱布置等三種形式。早期的高速公路隧道照明設(shè)計(jì)中，中間段燈具布設(shè)方式采用中線布置和雙側(cè)對(duì)稱布設(shè)兩種方式，中線布設(shè)效率最高，但是維護(hù)不便，需要封閉整座隧道才能進(jìn)行，對(duì)高速公路通行影響很大；雙側(cè)對(duì)稱布設(shè)需要兩側(cè)都鋪設(shè)線纜，燈具密度大，造成建設(shè)資金的增加，也加大了運(yùn)營維護(hù)的費(fèi)用。通過了大量的研究、燈具配光計(jì)算和試驗(yàn)，在新建的高速公路隧道照明中采用新型的布燈方式：單側(cè)布燈方式。此種布設(shè)比中線布設(shè)方式好維護(hù)，只需封閉單個(gè)車道即可進(jìn)行維護(hù)作業(yè)；與雙側(cè)布燈相比，可節(jié)省一半的線纜，并且減少了燈具的布設(shè)密度，大大節(jié)省了建設(shè)和運(yùn)營的費(fèi)用。單側(cè)布燈會(huì)存在路面照度不很均勻情況，通過了現(xiàn)場的實(shí)際檢測(cè)，單側(cè)布燈路面照明均勻度尚能滿足規(guī)范的要求。但單側(cè)布燈也存在著光通利用率不高的問題，從設(shè)計(jì)規(guī)范上看，隧道照明的重點(diǎn)在路面及隧道壁2米以下，而2米以上的空間不做要求，高壓鈉燈的單側(cè)布燈，應(yīng)受限于燈具的配光曲線，較大一部分光照射到2米以上的空間，通過觀察、研究以及人群的調(diào)查，總結(jié)中間布燈、雙側(cè)布燈、單側(cè)布燈的優(yōu)缺點(diǎn)，目前修改為中間偏右的方式。
4燈具的節(jié)能措施
4.1 采用高壓鈉燈電子整流器
高壓鈉燈是高強(qiáng)度放電燈中的一種，其具有極好的光效（120lm/W）和合適的光波長，但是，傳統(tǒng)高壓鈉燈采用的電感式鎮(zhèn)流器存在功率因數(shù)低和自身損耗大的缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響高效光源的利用，雖然各高壓鈉燈均采用了電容補(bǔ)償，但由于補(bǔ)償電容的壽命都短于燈具的壽命，且當(dāng)電容失效時(shí)不影響燈具的工作，在通車的隧道特殊環(huán)境中，不易發(fā)覺電容效。大量低功率因數(shù)電器的使用，對(duì)電網(wǎng)造成污染，電能得不到充分利用。
電子整流器技術(shù)還不完全成熟，特別在高速公路隧道這種惡劣的環(huán)境下，存在問題更多，因此到目前為止依然難以在我省高速公路隧道照明中得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。
4.2 采用電磁感應(yīng)無極燈
無極燈是近幾年國內(nèi)外電光源界著力研發(fā)的高新技術(shù)產(chǎn)品，綜合了電子學(xué)、等離子學(xué)、磁性材料學(xué)等領(lǐng)域最新科技成果。它通過以高頻感應(yīng)磁場的方式將能量耦合到燈泡內(nèi)，使燈泡的氣體雪崩電離形成等離子體，等離子體受激發(fā)原子返回基態(tài)時(shí)自發(fā)輻射出254nm的紫外線，燈泡內(nèi)壁的熒光粉受紫外線激發(fā)而發(fā)出可見光。它與傳統(tǒng)高壓鈉燈光源最大的不同之處在于無電極、壽命長（50000小時(shí)）、光衰低、恒功率輸出，可大大節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。此外，無極燈可采用智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自身調(diào)光控制。
經(jīng)過了幾年實(shí)踐總結(jié)，筆者認(rèn)為無極燈壽命長的優(yōu)點(diǎn)更大于節(jié)能的意義，從光學(xué)指標(biāo)上看，無極燈的光效尚低于高壓鈉燈，在實(shí)測(cè)中無極燈的照度也低于高壓鈉燈。當(dāng)然，目前在學(xué)術(shù)上還有白光照明和高壓鈉燈照明對(duì)人眼視覺影響的爭議，主要在測(cè)試的照度儀表和人眼瞳孔所接受照度的差異，我們也在對(duì)白光照明在隧道中的應(yīng)用做進(jìn)一步的研究。目前我們認(rèn)為無極燈適用于應(yīng)急燈、緊急停車帶、橫洞等。
經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)和調(diào)查，無極燈作為白光照明，不適用于隧道入（出）口段的加強(qiáng)照明，隧道口采用無極燈并不能有效的消除黑洞效應(yīng)。無極燈也不適用于短隧道的基本照明。
4.3 采用LED照明燈具
LED作為一種新型光源, 具有壽命長、發(fā)光效率高、功耗低、啟動(dòng)時(shí)間短、顯色指數(shù)高、工作溫度低、方向性好、工作電壓低、無紫外輻射、環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在一些照明領(lǐng)域應(yīng)用。隧道照明應(yīng)用新型LED隧道燈具有其他燈源無法比擬的優(yōu)勢(shì)，LED做為半導(dǎo)體照明，雖然目前工程應(yīng)用中的芯片光效還達(dá)不到高壓鈉燈的光效，但其定向性強(qiáng)，燈具光通利用率高，特別在隧道應(yīng)用中，較好的將照明的重點(diǎn)控制在路面及隧道壁2米以下，帶來了很大的節(jié)能的空間，目前在國內(nèi)已經(jīng)有部分隧道照明工程使用了LED隧道燈。
雖然，LED照明燈具存在一些問題，但LED照明是節(jié)能照明的發(fā)展方向，隨著芯片技術(shù)發(fā)展和成本的進(jìn)一步下降，特別是隧道白光照明理論的深入研究，LED隧道照明將會(huì)在高速公路隧道照明中得到更廣泛的應(yīng)用。
5 控制措施
在高速公路長隧道都設(shè)有隧道洞口加強(qiáng)照明閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)為：在隧道的洞外設(shè)置亮度檢測(cè)設(shè)備，在入口段設(shè)置照度檢測(cè)洞內(nèi)照度，檢測(cè)設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)洞內(nèi)外光亮度值，由本地控制器上傳送入監(jiān)控分中心計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后產(chǎn)生控制方案，并將控制指令下傳到本地控制器，由本地控制器控制照明驅(qū)動(dòng)單元執(zhí)行，別控制相應(yīng)的照明回路。這種動(dòng)態(tài)的控制可達(dá)到既安全，又可節(jié)能。
但該系統(tǒng)在照明控制中沒得到很好的應(yīng)用，一方面，在建設(shè)階段，洞口加強(qiáng)照明閉環(huán)控制系統(tǒng)均通過簡單的設(shè)置閥值以達(dá)到控制目的，但實(shí)際應(yīng)用中，由于種種的邊界因素，是要通過較長時(shí)間的洞口環(huán)境調(diào)查，建立一定的數(shù)學(xué)模型，才可實(shí)現(xiàn)適用的控制。目前在控制系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)施階段，基本做不到上述的程度，運(yùn)營中，系統(tǒng)適用差，營運(yùn)人員都轉(zhuǎn)為時(shí)間控制形式，因此系統(tǒng)長期不用。另一方面，閉環(huán)控制系統(tǒng)中的亮度計(jì)和照度計(jì)設(shè)置在隧道洞口，其環(huán)境較差，特別是洞外的亮度計(jì)，常年風(fēng)吹雨曬，而且還會(huì)經(jīng)常性的雷擊，因此日常需要良好的養(yǎng)護(hù)和維修，但目前由于種種原因，養(yǎng)護(hù)總是不到位，實(shí)際運(yùn)營中基本上以時(shí)控或人控方式代替。
由于隧道洞口照明的功率占隧道中功率的大部分，而運(yùn)營中洞口照明又要根據(jù)季節(jié)、時(shí)間、隧道朝向、氣候等因素調(diào)節(jié)，隧道照明的難點(diǎn)就在洞口照明，也是隧道節(jié)能的重點(diǎn)和關(guān)鍵。
6 管理措施
良好的管理措施對(duì)隧道照明的節(jié)能起到相當(dāng)大的作用，根據(jù)我們近十年的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，管理措施可歸納幾個(gè)方面：
（1）徹底了解和領(lǐng)會(huì)隧道照明的設(shè)計(jì)意圖和相關(guān)的規(guī)范要求；
（2）控制好隧道洞口照明是實(shí)現(xiàn)隧道照明節(jié)能的關(guān)鍵；
（3）基本照明應(yīng)根據(jù)車流做合理的調(diào)整；
（4）制定合理的照明方案；
（5）隧道照明的燈具的清維護(hù)是隧道照明管理的重點(diǎn)，保證燈具較高的養(yǎng)護(hù)系數(shù)；
（6）定期批量更換光源，使照明光源運(yùn)行在高效的工況�？傊ㄟ^對(duì)隧道照明系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，使照明系統(tǒng)始終處于良好的工作狀態(tài)下，滿足隧道照明要求，達(dá)到管理上的節(jié)能。
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