隧道照明节能技术与实践

第1章 绪 论 当前，节能和环保成为全球*关注的话题。在节能减排日益成为我国经济发展主基调的背景下，如何降低隧道照明系统的能源消耗，提高照明系统能效，隧道照明系统节能成为科研、设计、建设和运维等单位*为关注的问题。 1.1 隧道照明技术发展 1.1.1 隧道发展 隧道工程作为人类打破自然天堑束缚的智慧结晶，在人类文明史上具有重要意义。1890年，随着台湾狮球岭隧道的修建，如图1-1所示，我国隧道的发展揭开了序幕。伴随着交通设施的大力发展，我国也迎来了隧道发展的黄金时期。 图1-1 狮球岭隧道 我国是一个多山的国家，75%左右的国土是山地或者重丘，因此，公路的大规模修建也带动了公路隧道的大发展。根据《2019年交通运输行业发展统计公报》，到2019年年末，全国公路隧道19067处、1896.66万m，增加1329处、173.05万m，其中特长隧道1175处、521.75万m，长隧道4784处、826.31万m。 20世纪90年代初，全国多个城市开始修建城市隧道，上海、杭州、南京、成都、武汉、厦门等城市隧道近年来高速发展，2013年中国城市隧道里程约162km。2019年城市隧道里程已达1000km，部分城市隧道规模统计如图1-2所示。隧道形式也越来越多样，出现了地下互通、地下环路及局部开敞式隧道等形式，如图1-3和图1-4所示，这些形式给隧道照明技术带来了新的挑战。 图1-2 2019年部分城市隧道规模统计 图1-3 济南中央商务区地下环路 图1-4 南京通济门隧道(半敞开式) 1.1.2 隧道照明特点 隧道照明是为了保证隧道内交通顺畅而设置的功能性照明，其目的是给驾驶员在隧道行驶过程中提供一个安全、舒适的视觉环境，保障交通运行，提高通行效率。 由于隧道是一个半封闭空间，在行车视觉特性上要比其他道路交通照明复杂得多，在照明设计初期需要考虑的因素主要有以下几点。 (1) 黑洞效应和白洞效应。 车辆在以较高的速度(一般为60km/h)通过隧道洞门附近时，短时间内洞内外的亮度变化很大。当车辆驶入隧道时，会因为亮度突然变暗而无法辨认洞口附近的状况，从而产生“黑洞效应”，如图1-5所示。当车辆驶出隧道时，则会看到炫亮的白洞，即产生“白洞效应”，如图1-6所示，同样也会严重影响司机的视觉判断能力，造成危险。 图1-5 黑洞效应 图1-6 白洞效应 (2) 人眼的适应。 人眼能够根据环境光强的变化进行调节适应，亮度变化的速度越快，调节的时间则越长。在适应调节的过程中，司机会暂时失去获得视觉信息的能力，因此隧道洞口附近的照明应满足司机获得足够视觉信息所需的亮度要求。 (3) 车辆尾气。 在公路隧道中，往往有大量的货运车辆通行，有些车辆以柴油为燃料，由于其燃烧不充分，会产生大量的汽车尾气；而在城市隧道中，上下班高峰时段，隧道拥堵，车辆行驶速度降低也会产生大量尾气。而隧道是一个半封闭的空间，如果通风设施配置不完善，就会造成隧道内烟雾聚集，严重影响隧道照明质量，如图1-7所示。 图1-7 隧道内汽车尾气排放聚集 (4) 隧道内装饰材料的种类及反射率。 隧道路面的亮度来源于两部分：一是照明灯具产生的亮度；二是路面、墙壁和顶棚对光的吸收和散射。不同的材质，反射率有所不同，对于隧道内亮度均匀度也会有所影响。 公路隧道因为对美观要求不高，隧道内部一般不做装修，墙面材质主要为混凝土之类颜色较深的材料，如图1-8所示。而城市隧道景观要求相对较高，不仅洞外会做植被绿化、构筑物等，隧道内部侧墙也因其是行车舒适性和景观的组成部分，而开始受到重视。建设单位一般会采用浅色系的搪瓷钢板、面砖等反光率高的材料作为墙面装饰材料，如图1-9所示。更有景观要求高的隧道，连隧道顶板也会喷上明色涂料或装饰背景画，如图1-10所示。 图1-8 公路隧道采用混凝土墙面 图1-9 城市隧道采用搪瓷钢板墙面 图1-10 城市隧道顶部装饰画 另外，相较于公路隧道，城市隧道管养要求更高，墙面的清洗、维护频繁，墙面的反光率也更高。 (5) 隧道构筑物指标。 隧道的长度、宽度、线形、交通量、洞外亮度等因素，也会对照明灯具的功率、间距、布置形式等产生影响。 结合上述各项因素，隧道照明设计需要避免黑洞、白洞效应带来的不利影响，并充分考虑人眼的适应，使亮度变化速率与适应时间相协调，还需选用合适的(如气体穿透力强的)光源，并在隧道内选择反射率高的墙面材料。另外，需要针对不同的隧道形式，确定合适的照明分段长度、灯具布设方式等。 1.1.3 隧道照明发展过程 在古代，火把作为*常用的照明工具被运用到了隧道照明中，照明设施非常简陋且十分不方便。此后，随着工业化时代的到来，照明行业取得了长足的发展。近年来，随着物联网技术的快速发展，照明领域更是有了翻天覆地的变化，在确保正常照明的同时，也能节省电力，还能对照明设施进行人性化控制和管理。 与铁路隧道相比，在很长一段时间里，我国公路隧道发展较为缓慢，*初在设计公路隧道时，多是套用或照搬铁路隧道设计标准，其对土建工程部分考虑得比较周详，但是对交通安全问题等却关注得很少。20世纪90年代初，我国大部分公路隧道都无照明或仅悬挂几盏路灯供行人照明，仅有几座隧道安装了照明设施，且其技术标准很低，存在很多隧道安全问题[1]。 进入21世纪，我国在公路隧道建设领域取得举世瞩目的重大成就，而公路隧道照明技术也随着公路隧道修筑建设和运营管理水平的提升而不断发展。据统计，截至2002年，我国1km以上的公路隧道照明形式为完全照明的占87%，局部照明占4%，无照明占9%。 近年来，随着我国国民经济的飞速发展，公路隧道数量不断增加、长大公路隧道及隧道群不断出现、公路交通量不断上升；与此同时，城市基础设施建设量也在快速增长。在城市基础设施建设中，隧道方案以其能缩短道路里程、充分利用城市空间、提高城市景观、减少拆迁量等种种优点，得到越来越广泛的应用。因此，隧道照明技术也由此逐渐得到关注和重视。近20年来，我国交通运输部门投入大量科研经费，围绕隧道照明工程的实际问题开展技术研究并取得许多重要成果，强有力地推动了我国隧道照明技术的进步。 未来，随着隧道照明品质提升工程的开展，更多绿色照明、辅助照明措施以及智慧化照明将用于提升隧道内部光环境亮度，隧道照明将越来越安全舒适、节能环保。 1.2 隧道照明节能技术现状与发展 1.2.1 国外隧道节能技术发展现状 国外公路隧道的照明研究和实践开始较早，技术相对成熟。自1957年英国的Waldram指出“黑洞现象”的危险性和严重性以来，隧道照明便成为公路隧道工程技术的一个重要课题[2]。早在20世纪60年代，依据交通量、速度和洞外亮度进行自动调光的技术就已经应用于意、法两国之间的MontBlanc隧道照明。Schreuder建立了隧道实验模型，并通过在模型中进行小目标的察觉概率实验，得出“隧道入口段照明亮度与视看目标亮度之间存在的函数关系”的研究成果[3]。 同在60年代的亚洲，日本学者Nakamichi和Narisada等也在对隧道照明实验研究中，取得了人眼“察觉目标物所需的背景亮度和从观察者开始注意到隧道入口所经历的时间之间的函数关系”的相关研究结论。Narisada和Nakamichi的学术团队则采用了动态模拟过程开展研究，得出结论：隧道入口和目标物会随着观察时间的增加，在人眼视觉感受效果上呈现出逐渐变大的趋势或现象[4]。 80年代后期，为了规范隧道照明设计和施工、减少交通事故，世界各国相继颁布了公路隧道照明设计规范。随后各国制定了适合本国国情的标准。如欧洲制定的《欧洲隧道照明标准》、日本制定的《隧道照明指南》等。在这其中，国际照明委员会1982年制定的照明设计规范*为权威，被大多数国家所采用。在之后的时间里，国际照明委员会所制定的这个规范又被一些专家进行了几次改动，*终演变成现行的规范[5， 6]。 在照明理论和技术方面，发达国家相对比较完善，已经形成了规范性的标准。在节能研究方面，为了提高隧道照明效果和行车舒适性，保证公路隧道安全运行，国外针对隧道灯具进行了大量的研究，依据驾驶员视觉特性和隧道内的视觉环境制定了一系列数值计算准则。如德国的侧壁面计算方法和日本的灯具维护系数等。欧美发达国家从灯具材料、光学特性、外观质量、功能结构等方面进行了深入研究，并取得了一定的成果。同时，美、日在基于驾驶员视觉特征和驾驶行为的公路隧道照明研究方面取得了突破性进展，给后期研究提供了很好的借鉴。在隧道照明控制技术方面，逐渐由逻辑分组控制向根据隧道交通流量、行车速度、天气情况等因素的模糊智能控制网络技术发展。 总的来说，在隧道照明节能方面，国外主要有以下几方面成果。 (1) 为使隧道照明设计和施工趋于规范化，世界各国都先后制定了符合本国情况的公路隧道照明规范与标准，如欧洲的《隧道照明标准》、日本的《机动车交通隧道照明标准》、北美的《隧道照明推荐报告》和国际照明委员会(英语：International Commission on Illumination，法语：Commission Internationale de L’Eclairage，采用法语简称为CIE)的《公路隧道和地下通道照明指南》。 (2) 通过技术创新，不断提高照明功率器件的性能。如不断提高节能灯具的照明功率和节能效果、改善隧道内的供配电设施和照明控制系统。 (3) 制定相应的法规政策，从国家的层面推行节能政策。 (4) 根据隧道内特殊的视觉环境制定了相应的数值计算方法与准则。如德国制定的侧壁面计算法与日本制定的灯具维护系数法等。 (5) 对于隧道照明控制，国外学者通过研究不断提出更加节能高效的控制方式。