公路隧道照明中照明功率密度的探討

公路隧道照明中照明功率密度的探討引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,特別是國(guó)家7918公路網(wǎng)的建設(shè),公路建設(shè)尤其是高速公路建設(shè)得到迅猛發(fā)展。其中,公路隧道由于具有縮短里程、節(jié)省時(shí)間、提高交通運(yùn)輸效率、節(jié)省用地和有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),在山區(qū)公路建設(shè)中得到廣泛采用,許多長(zhǎng)大隧道陸續(xù)建成,如雁門關(guān)隧道、雪峰山隧道及亞洲第一、世界第二的秦嶺終南山隧道等。與此同時(shí),隧道照明通風(fēng)設(shè)施的規(guī)模及數(shù)量也隨之越來越大,運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本也越來越高。由于隧道一般都需要24h不間斷照明,隧道照明的能耗在整個(gè)運(yùn)營(yíng)能耗中的比例高達(dá)40%~50%,因此,如何節(jié)約隧道照明能耗越來越受到政府和人們的關(guān)注,隧道照明節(jié)能是隧道照明設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要研究方向。

雖然我國(guó)城市道路照明設(shè)計(jì)已有相關(guān)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和措施,但對(duì)于公路隧道照明設(shè)計(jì)目前卻只有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),而缺乏對(duì)隧道照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。隧道照明由于其自身的特點(diǎn)與城市道路照明大相徑庭,不能直接套用和參考道路照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,因此,如何確定合理的隧道照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前隧道照明節(jié)能亟待解決的一項(xiàng)課題。

1隧道照明功率密度的作用與意義

照明節(jié)能是整個(gè)社會(huì)節(jié)能的重要組成部分,在我國(guó)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃的十大節(jié)能課題中,綠色照明就是其中之一。為了貫徹國(guó)家綠色照明的指導(dǎo)思想和宗旨,從2004年以來,各部門制定和修訂了一系列照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)中無不新增了照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定,如2004年發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)6、2006年發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)6以及2006年重慶市發(fā)布的地方標(biāo)準(zhǔn)5重慶市城市夜景照明技術(shù)規(guī)范6等。在這些標(biāo)準(zhǔn)中,都首次正式規(guī)定了照明節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo))))照明功率密度(LPD)的概念。

照明功率密度(LightingPowerDensity)即單位面積上的照明安裝功率(包括光源、鎮(zhèn)流器或變壓器)。它綜合考慮了整個(gè)照明系統(tǒng)的功率損耗,在節(jié)能效果對(duì)比上更加全面、科學(xué);同時(shí),LPD作為一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單便于操作的指標(biāo),既便于設(shè)計(jì)人員貫徹實(shí)施,也便于管理部門對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行驗(yàn)收評(píng)價(jià)。因此,在上述的這些標(biāo)準(zhǔn)中,都采用了LPD作為照明節(jié)能的評(píng)價(jià)指標(biāo)(如表1、表2所示),而且這些LPD值(除居住建筑外)都是作為強(qiáng)制性條文發(fā)布,即要求必須嚴(yán)格執(zhí)行。

標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的LPD值指的是LPD的最大允許值,即在保證相應(yīng)照明質(zhì)量條件下通過對(duì)LPD值的限定來達(dá)到照明節(jié)能的目的。這項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)在推動(dòng)建筑照明節(jié)能方面發(fā)揮了巨大的作用,真正將照明節(jié)能通過量化的方式落到了實(shí)處。

令人遺憾的是,現(xiàn)行的5公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范6由于是1999年發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)時(shí)并未充分考慮隧道照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的需求,從而導(dǎo)致了目前隧道照明設(shè)計(jì)中缺乏照明節(jié)能的量化評(píng)價(jià)指標(biāo),給隧道照明節(jié)能工作的開展和落實(shí)造成了很大的困難。因此,制定隧道照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)是目前隧道照明工程中一項(xiàng)迫在眉睫的任務(wù)。

參考近些年國(guó)內(nèi)外制定和修訂照明標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn),筆者認(rèn)為在制定隧道照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)時(shí),亦可采用LPD作為隧道照明節(jié)能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此,如何確定合理的隧道LPD值就成為制定隧道照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵問題。

綜上所述,隧道照明中LPD值的研究是制定隧道照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)隧道照明節(jié)能的重要途徑。其研究成果對(duì)于隧道照明節(jié)能的落實(shí)和節(jié)能技術(shù)的推廣起到至關(guān)重要的作用,對(duì)于緩解電力供應(yīng)緊張、降低隧道運(yùn)營(yíng)成本、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)更具有現(xiàn)實(shí)意義。

2隧道照明的特點(diǎn)

隧道照明與道路照明的作用是基本相同的,兩者都是為了保證交通順暢而設(shè)置的功能性照明,其照明的目的都是為了給駕駛員提供一個(gè)安全、舒適的視覺環(huán)境,保障交通運(yùn)行,提高運(yùn)輸效率。但是,隧道照明與一般的道路照明又有很大的區(qū)別,由于隧道是一個(gè)半封閉空間,隧道在行車視覺特性上要比道路照明復(fù)雜得多,它不僅需要24h不間斷照明,而且其白天照明要比夜間照明更復(fù)雜。

隧道照明與道路照明不同之處主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)內(nèi)表面的影響

正是由于隧道是一個(gè)半封閉的空間,隧道的內(nèi)表面不僅具有路面,還存在墻壁和頂棚,而這是一般道路所不具有的。其空間結(jié)構(gòu)形式與室內(nèi)照明具有某些相似之處,即頂棚和墻壁作為隧道內(nèi)飾面具有一定的反射率,可以提高路面照明質(zhì)量和效果,對(duì)隧道的照明具有一定的貢獻(xiàn)。

但是,由于隧道內(nèi)表面的存在,使得駕駛員在行駛過程中會(huì)出現(xiàn)一般道路所不存在的/運(yùn)動(dòng)(管狀)效應(yīng)0和/墻效應(yīng)0。因此,出于視覺功能和行車安全方面的考慮,在隧道照明中需要對(duì)墻壁的亮度有所要求,并需要將部分光通量分配到頂棚和墻壁上,使隧道墻壁和頂棚具有一定的亮度水平。

(2)視覺適應(yīng)性的影響

由于隧道內(nèi)部與外部道路的光環(huán)境發(fā)生了很大的變化,視覺需要有一定的適應(yīng)時(shí)間才能看清道路的情況。因此,在隧道兩端出入口處容易產(chǎn)生/黑洞0、/黑框0、/亮(白)洞0、/適應(yīng)滯后0等效應(yīng)。為了讓駕駛員在隧道兩端出入口處能有一個(gè)良好的視覺過渡,必須充分考慮人眼明適應(yīng)和暗適應(yīng)的問題。因此,隧道照明被分為幾個(gè)不同的照明段:入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明,另外還包括接近段的減光設(shè)施和離開段的夜間過渡照明,如圖1所示。

(3)空氣質(zhì)量的影響

在隧道內(nèi)部,由于通風(fēng)條件的限制,汽車排出的廢氣不易快速稀釋,容易產(chǎn)生集聚形成煙霧,汽車前照燈的光會(huì)被這些煙霧吸收和散射,形成光幕和降低前方障礙物與其背景(路面、墻壁)之間的亮度對(duì)比度,影響障礙物的能見度,給視覺功能帶來不利影響。因此,在照明設(shè)計(jì)和光源選擇上都需要考慮/煙霧效應(yīng)0的影響。

3隧道照明功率密度的影響因素

在5城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)6中,對(duì)于道路LPD的主要影響因素包括:道路的照明標(biāo)準(zhǔn)值;道路的路面寬度即車道數(shù);道路照明光源的特性。其中,道路照明標(biāo)準(zhǔn)值要受到道路類型、車輛行駛速度、交通流量、路面材料等因素的影響。

但對(duì)于隧道來說,由于其具有上述的一些特點(diǎn),在確定隧道LPD時(shí)除考慮一般道路LPD的主要影響因素外,還必須考慮如下幾個(gè)方面:

(1)隧道墻壁、頂棚的反射增量系數(shù)

正是由于隧道比一般道路多了墻壁和頂棚,而墻壁、頂棚的亮度水平和反射狀況對(duì)隧道的照明質(zhì)量和效果具有較大的影響。因此,應(yīng)當(dāng)將表征隧道路面照度提高程度的隧道照明反射增量系數(shù)考慮到隧道照明計(jì)算和照明標(biāo)準(zhǔn)中。

(2)隧道斷面形狀及大小

由于隧道是一個(gè)半封閉空間,其空間結(jié)構(gòu)形式與建筑室內(nèi)房間相似。而在建筑照明設(shè)計(jì)中,其房間的室形指數(shù)RI與LPD密切相關(guān),在房間的照度標(biāo)準(zhǔn)值及選用燈具均相同的情況下,室形指數(shù)RI越高,對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)照度的LPD值就越小;室形指數(shù)RI越低,對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)照度的LPD值就越大。同理可推,對(duì)于隧道來說,其斷面的形狀和大小也應(yīng)與LPD密切相關(guān)。

(3)隧道不同照明段的照明標(biāo)準(zhǔn)值

為了保證駕駛員對(duì)隧道兩端出入口的視覺適應(yīng),隧道被劃分為圖1所示的各個(gè)不同照明段。不同照明段的照明標(biāo)準(zhǔn)值各有不同,從而也導(dǎo)致了同一條隧道各照明段具有不同的LPD值。

(4)隧道煙霧濃度

如前面所述,隧道煙霧會(huì)降低亮度對(duì)比度和障礙物能見度,給視覺功能帶來不利影響。因此,汽油車與柴油車比例、通風(fēng)情況等,即煙霧濃度的大小直接影響了隧道的照明質(zhì)量,會(huì)導(dǎo)致LPD值不同程度上的增大。

4確定隧道照明功率密度的方法及難點(diǎn)

如何合理地確定公路隧道LPD值是隧道照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)制定的關(guān)鍵。雖然建筑和城市道路照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)規(guī)定了LPD值,并也介紹了確定LPD值的方法。但由于隧道照明的特殊性和復(fù)雜性,我們不能完全照搬建筑或道路照明中LPD的確定方法,而必須在確定隧道LPD值過程中充分考慮上述的影響因素。

筆者根據(jù)對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中LPD值確定方法的分析和研究,并結(jié)合隧道LPD的影響因素,提出合理確定隧道LPD的方法。

(1)大量的調(diào)研實(shí)驗(yàn)和國(guó)外相關(guān)資料的收集

與建筑或道路照明中LPD的確定方法一樣,要想合理地確定隧道LPD值,就必須對(duì)我國(guó)現(xiàn)有隧道照明質(zhì)量和能耗的現(xiàn)狀進(jìn)行大量調(diào)研,通過對(duì)現(xiàn)狀的分析和整理,可以得出我國(guó)目前隧道LPD的平均水平。盡管目前未找到國(guó)內(nèi)外關(guān)于隧道LPD節(jié)能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范,但仍應(yīng)盡可能收集和參考當(dāng)前國(guó)外對(duì)隧道LPD研究的相關(guān)資料。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料的參考,可以幫助我們更合理地確定出隧道LPD值。

(2)隧道各照明段照明標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)現(xiàn)有照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中確定LPD值的經(jīng)驗(yàn)來看,確定LPD值的重要依據(jù)在于所對(duì)應(yīng)的照明標(biāo)準(zhǔn)值,特別是亮度和照度標(biāo)準(zhǔn)值。因此,在光生物效應(yīng)等視覺科學(xué)研究成果基礎(chǔ)上合理地確定出隧道各照明段的亮度和照度標(biāo)準(zhǔn),這是研究隧道LPD的必要條件。

(3)考慮隧道LPD的其他影響因素

如前面所述,由于隧道自身的特點(diǎn),我們?cè)诖_定隧道LPD的過程中除了需要考慮道路狀況(類型、路面寬度)、車速、車流量、路面材料、光源特性等因素外,還必須考慮到墻壁和頂棚的反射、隧道斷面形狀大小及內(nèi)部煙霧濃度等方面的影響。

只有通過上述三個(gè)方面的綜合考慮,才能合理地確定出公路隧道照明中的LPD指標(biāo)。但是這三個(gè)方面的工作并非一蹴而就的,在確定隧道LPD過程中將會(huì)碰到以下一些難題:

(1)調(diào)研實(shí)驗(yàn)工作的復(fù)雜性和參考資料的稀缺性

由于隧道照明,特別是白天時(shí)的隧道照明受外界光環(huán)境的影響很大,因此,當(dāng)?shù)氐墓鈿夂颦h(huán)境、隧道的方位及隧道外部環(huán)境狀況等對(duì)隧道照明有一定的影響。在整理和分析調(diào)研實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)需考慮這方面的因素,進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

在參考資料方面,目前國(guó)外基本沒有現(xiàn)成的隧道LPD進(jìn)行參考和借鑒,只有通過最新相關(guān)資料的收集和研究來給確定合理的隧道LPD提供可靠依據(jù)。

(2)隧道各照明段照明標(biāo)準(zhǔn)的合理確定

盡管現(xiàn)行的隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各照明段的照明標(biāo)準(zhǔn)已有相關(guān)的規(guī)定,但隨著近些年來照明研究的不斷深入,規(guī)范中所采用的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)照明段的照明標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不再適合當(dāng)前照明設(shè)計(jì)的要求。2004年國(guó)際照明委員會(huì)CIE就已發(fā)布了5公路隧道和地下通道照明指南6技術(shù)報(bào)告。該報(bào)告對(duì)隧道各照明段的照明標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了新的規(guī)定,如采用了察覺對(duì)比法來確定洞外亮度和入口段亮度,以及新增了對(duì)離開段夜間照明標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

另外,隧道照明是否仍應(yīng)以亮度、亮度均勻度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)還值得我們探討。這是因?yàn)榈缆芳八淼勒彰鞑⒎鞘峭耆诿饕曈X條件下,而更應(yīng)當(dāng)屬于中間視覺的范疇;與此同時(shí),2002年美國(guó)布朗大學(xué)DavidBerson等學(xué)者關(guān)于人眼第3種感光細(xì)胞)))神經(jīng)結(jié)細(xì)胞光生物效應(yīng)的重大發(fā)現(xiàn),對(duì)我們研究隧道評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也帶來了新的挑戰(zhàn),近些年不斷有專家和學(xué)者對(duì)道路及隧道照明的評(píng)價(jià)體系提出了新的觀點(diǎn)。

因此,如何合理地確定隧道各照明段照明標(biāo)準(zhǔn)也是目前確定隧道LPD的一個(gè)難點(diǎn)。

(3)影響因素的多樣性和復(fù)雜性

影響隧道LPD的因素除了道路狀況、車速、車流量、路面材料外,還有墻壁和頂棚的反射、隧道斷面形狀大小、內(nèi)部煙霧濃度和光源特性等這些較為復(fù)雜的影響因素。關(guān)于這些影響因素的研究才剛起步,并沒有完善成熟。因此,給合理地確定隧道LPD帶來了一定的難度。

5小結(jié)

隧道節(jié)能是隧道照明設(shè)計(jì)中不可或缺的內(nèi)容,如何合理地確定隧道LPD值是實(shí)現(xiàn)隧道節(jié)能的關(guān)鍵。但由于隧道照明的復(fù)雜性,目前國(guó)內(nèi)外尚未有隧道LPD值的相關(guān)規(guī)定值得參考和借鑒,筆者通過對(duì)隧道照明特點(diǎn)和隧道LPD影響因素的分析,提出了確定隧道LPD值的方法供大家探討。由于隧道LPD值的研究工作正處于起步階段,筆者僅為拋磚引玉,希望引起相關(guān)學(xué)者和同行的重視,并歡迎對(duì)不足之處給與批評(píng)和指正。

參考文獻(xiàn):

[1]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).CJJ45-2006.城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].中華人民共和國(guó)交通部[2]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTJ026.1-1999.公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)交通部[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB50034-2004.建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].中華人民共和國(guó)建設(shè)部[4]任元會(huì).照明功率密度(LPD)限值及對(duì)照明節(jié)能的意義[J].電氣