摘要:高速公路隧道照明是交通節能研究的一項重點，既安全又經濟節能的照明技術和節能方案是研究的重點目標和發展方向,本文通過回顧和總結高速公路隧道照明節能技術的應用實踐，為隧道照明節能技術研究提供參考和經驗借鑒。
　　關鍵詞:高速公路，隧道照明，設計參數，節能措施，控制措施，管理措施
　　目前，陜西省高速公路總里程已突破了3000公里，到2015年高速公路總里程將達到4100公里。陜西多山，隨著陜西省高速公路隧道照明的費用逐年增加，目前，陜西省的高速公路隧道約占總通車里程的2%，2008年我省高速公路隧道照明費用為4500萬元，當我省高速公路里程達到4100公里時，隧道的照明費用預計將到達2億元，隧道照明的運營成本將成為一個不容輕視的問題。如何在保證行車安全的前提下，盡可能地節約照明費用，是高速公路建設和運營中必須解決的問題之一。
　　陜西省交通廳和陜西省交通建設集團及陜西省高速集團對隧道照明的節能和行車安全歷來非常重視，從2004年起，陜西省交通廳對隧道照明節能進行了應用研究，開展了多項的課題研究和項目攻關，并將研究的結果在隨后的全省高速公路的建設中推廣應用，有效地將科研成果迅速轉換為生產力。本文對高速公路的隧道照明節能技術應用做進一步研究提供參考和經驗借鑒。
　　一、設計參數的節能調整
　　設計是工程的根本，準確合理地采用設計參數，能避免較大的能源浪費，是非常有效的節能途徑之一。我省高速公路建設起步較晚，隧道照明節能設計中的措施與高速公路的飛速發展極不適應，大多數的隧道照明設計都存在過度設計問題，設計出的隧道照明系統設計值偏大、保守，對此，我們從設計上就著手考慮合理的節能。
　　1.選取合適的洞口亮度
　　一公里的隧道，其加強照明的總功率，約占整個隧道照明功率的70%，而加強照明設計取決于洞外亮度L20(S)，因此洞外亮度L20(S)是隧道照明系統的設計基準之一，洞外亮度L20(S)的正確設定，對工程投資和運營電費都有極大的影響。在隧道照明設計階段，隧道洞外亮度L20(S)在多數情況下無法實測得到，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)值與實際值存在很大的偏差。根據《公路隧道通風照明的設計規范》要求，當土建施工的隧道洞口成型后，設計人員應對洞外亮度L20(S)進行實測，設計的L20(S)值與實際值誤差大于±25%時，必須對設計的值進行修正。但在實際工程設計中很少做到，基本上洞外亮度L20(S)以4000cd/m2取值。為此，2005年8月起，我們組織聯合課題組歷時半年對公路隧道照明基本設計參數進行研究。課題研究主要包括5個方面內容：
　　（1）洞外亮度值傳統測試方法分析；
　　（2）利用數碼照片進行洞外亮度測試研究；
　�。�3）隧道洞口段自然光利用研究；
　　（4）隧道洞外亮度數據庫的編制與應用；
　�。�5）對實體工程照明設計優化及建議。
　　通過測試和研究得出，目前陜西省高速公路山區高速公路隧道洞口亮度的取值采用端墻式洞口取值為3500cd/m2，削竹式洞口亮度取值為3000cd/m2進行隧道照明設計，引入端利用自然光后可以減少隧道入口照明燈具，優化后的照明設施和運營費用比原設計節約10%-15%，并且該結果在隨后的高速公路的設計得到推廣和應用。
　　2.根據流量調整基本段的亮度，分期實施照明系統
　　隧道基本段照明可根據時間、交通流量等信息，合理控制照明的運行和停止。在早期的隧道照明設計中，均采用的車流量大于2400輛/小時來設計的，但是在實際的統計中，我省高速公路絕大部分車流量都小于2400輛/小時，特別在山區的高速公路其車流量遠遠小于700輛/小時，因此造成建設資金和運營費用的大量浪費。通過調查統計得出近期內福建省高速公路隧道（除沿海高速公路外）車流量都相對較小，大多數日平均流量小于100輛/小時，中遠期車流量在700到2400輛/小時之間，因此在對隧道照明設計時，采用配電線路一次設計，變電設備和照明設備分期實施原則，從而達到安全節能的目的。目前陜西山區高速公路隧道的照明系統按交通量小于700輛/小時來實施，在滿足行車安全的條件下大大節省了建設和運營的費用。
　　二、線路上的節能措施
　　1.增設自動調壓設備
　　在上世紀在90年代的初期，在照明系統上興起一種調壓節能的方式，當時主要針對農網電壓不穩定的情況，即通過在線路上設置一限壓或穩壓設備，使高壓鈉燈工作在220V以下，同時利用高壓鈉燈的光通和電壓的非線性，將電壓適當降低到200V,基本保持保持一定的光通，達到一定的節能效果。該方式在業界也有一定的爭議，高壓鈉燈工作在220V的額定電壓的下，其效果最高，燈具的工作狀態最好，改變燈具的工作電壓，是否節能，要看在具體的電網環境；增設的調壓設備，自身的功耗，也是考慮的一大重要因素。
　　自動調壓設備主要采用可控硅調壓和自耦調壓兩種方式。可控硅是傳統的電力電子器件,后來開始應用到道路照明的節能上，采用可控硅斬波原理，通過控制晶閘管的導通角，將電網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，達到控壓節電目的，但其缺點是可控硅交流調壓會產生高次諧波和線路震蕩,降低燈泡壽命,還會產生電力污染。
　　自耦調壓是通過一個自耦變壓器機芯，根據輸入電壓高低情況，接連不同的固定變壓器抽頭，將電網電壓降低或升高5V、1OV、15V、20V等幾個檔，克服了可控硅調壓產生諧波的缺陷，實現了電壓的正弦波輸出，結構和功能都很簡單，可靠性也比較高，但是由于其核心部件是一個多抽頭的變壓器，變壓比是固定的，當電網電壓波動時，調控裝置的輸出電壓也會上下波動，這樣照明的工作電壓仍處在不穩定波動狀態，還有當設備損壞時有可能會造成電壓過高導致燈具大面積燒壞。
　　通過目前陜西省高速公路使用的電網基本上都是專網，電壓穩定，可控硅調壓現基本上已不采用，而自耦式調壓也只在個別邊遠山區且電網不穩定的高速公路上使用。
　　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立獨立的變電站，由兩端向隧道供電，當隧道長度較長（超過2000米）時，這種低壓長距離供電，線損較大，末端電壓也將會受到很大的影響，為了保證供電質量和降低損耗，往往需要選擇截面積很大的電纜進行供電，無疑會增加了大量的投資。陜南高速公路的長隧道多，如果采用傳統供電模式，將產生巨大的投資，同時在實際運營中，低壓電纜經常性的被盜。針對陜西高速公路的特點，自2005年起對高速公路供配電系統進行了不斷的技術攻關，并吸收了國內外先進的中壓供電技術，從2005年開始在新建的高速公路上采用了將10kV中壓引入隧道且結合地埋式變壓器應用的供電模式，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，同時采用中壓供電，可節省大量的建設資金，降低了線纜的損耗。
　　三、燈具布設的措施
　　在設計規范中，中間段燈具的布設方式有中線布置、兩側交錯布置和兩側對稱布置等三種形式。早期的福建省高速公路隧道照明設計中，中間段燈具布設方式采用中線布置和雙側對稱布設兩種方式，中線布設效率最高，但是維護不便，需要封閉整座隧道才能進行，對高速公路通行影響很大；雙側對稱布設需要兩側都鋪設線纜，燈具密度大，造成建設資金的增加，也加大了運營維護的費用。通過了大量的研究、燈具配光計算和試驗，在新建的高速公路隧道照明中采用新型的布燈方式：單側布燈方式。此種布設比中線布設方式好維護，只需封閉單個車道即可進行維護作業；與雙側布燈相比，可節省一半的線纜，并且減少了燈具的布設密度，大大節省了建設和運營的費用。單側布燈會存在路面照度不很均勻情況，通過了現場的實際檢測，單側布燈路面照明均勻度尚能滿足規范的要求。但單側布燈也存在著光通利用率不高的問題，從設計規范上看，隧道照明的重點在路面及隧道壁2米以下，而2米以上的空間不做要求，高壓鈉燈的單側布燈，應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，通過幾年的觀察、研究以及人群的調查，總結中間布燈、雙側布燈、單側布燈的優缺點，目前修改為中間偏右的方式，安裝示意圖見圖1。
　　圖1隧道內基本段單側燈具安裝示意圖
　　四、燈具的節能措施
　　1.采用高壓鈉燈電子整流器
　　高壓鈉燈是高強度放電燈中的一種，其具有極好的光效（120lm/W）和合適的光波長，但是，傳統高壓鈉燈采用的電感式鎮流器存在功率因數低和自身損耗大的缺點，嚴重影響高效光源的利用，雖然各高壓鈉燈均采用了電容補償，但由于補償電容的壽命都短于燈具的壽命，且當電容失效時不影響燈具的工作，在通車的隧道特殊環境中，不易發覺電容效。大量低功率因數電器的使用，對電網造成污染，電能得不到充分利用。
　　為解決電感式鎮流器的缺點，2005年開始在西漢高速公路隧道進行電子鎮流器的試點應用，電子鎮流器不但可以做到很高的功率因數（0.97以上），自身損耗小，具有顯著的節能效果，而且還能在很寬的電壓范圍內點燈工作，很好地解決了電感式鎮流器的缺點。但是電子式鎮流器的工作頻率一般在20kHz以上,高壓鈉燈在這個頻率下極易發生聲諧振,使得放電管中原來的熱力學平衡狀態被破壞,對外直接表現為光強不穩,亮度閃爍,嚴重影響照明效果,甚至造成燈管炸裂，對大多數電子鎮流器而言,其輸出多呈恒流特性,嚴重聲諧振時,電弧可能突然熄滅,導致電路中產生過電壓,如果保護功能不夠完善,就有可能造成鎮流器的徹底損壞，同時由于電子整流器目前還不能夠完全通用，存在與光源匹配問題，給設備維護造成很大的麻煩。由于吉坑隧道外電壓波動大，燈具損壞嚴重已恢復原來的電感式整流器，其他幾個試驗段燈具損壞率在2.3%左右，目前還在使用。
　　電子整流器技術還不完全成熟，特別在高速公路隧道這種惡劣的環境下，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模的推廣應用。
　　2.采用電磁感應無極燈
　　無極燈是近幾年國內外電光源界著力研發的高新技術產品，綜合了電子學、等離子學、磁性材料學等領域最新科技成果。它通過以高頻感應磁場的方式將能量耦合到燈泡內，使燈泡的氣體雪崩電離形成等離子體，等離子體受激發原子返回基態時自發輻射出254nm的紫外線，燈泡內壁的熒光粉受紫外線激發而發出可見光。它與傳統高壓鈉燈光源最大的不同之處在于無電極、壽命長（50000小時）、光衰低、恒功率輸出，可大大節省維護費用。此外，無極燈可采用智能控制技術，實現自身調光控制。
　　2007年開始，在陜西省高速公路隧道應急照明和短隧道進行無極燈試點應用，當時一方面考慮無極燈的最大優點是壽命長，而陜西隧道中的應急燈照明24小時工作，在2007年以前建設的隧道中采用的普通熒光燈和高壓鈉燈壽命（即穩定光通時間）有限，普通熒光燈壽命一般在5000小時，高壓鈉燈壽命在15000小時，特別是普通熒光燈維護量較大，給運營管理帶來較大的麻煩。另一方面考慮電磁感應無極燈燈泡內壁采用的是熒光粉，其光線的波長不像高壓鈉燈那樣具有透霧性，而在隧道中因通風問題、汽車尾氣等，常有煙霧出現，因此在長隧道的基本照明仍采用高壓鈉燈，以利于行車安全。
　　經過了幾年實踐總結，筆者認為無極燈壽命長的優點更大于節能的意義，從光學指標上看，無極燈的光效尚低于高壓鈉燈，在實測中無極燈的照度也低于高壓鈉燈。當然，目前在學術上還有白光照明和高壓鈉燈照明對人眼視覺影響的爭議，主要在測試的照度儀表和人眼瞳孔所接受照度的差異，我們也在對白光照明在隧道中的應用做進一步的研究。目前我們認為無極燈適用于應急燈、緊急停車帶、橫洞等，在陜西省高速公路后續新建的隧道中的應急照明、緊急停車帶照明均采用無極燈，并在已運營的隧道應急照明也逐步采用無極燈代替熒光燈和高壓鈉燈。
　　經過多次的實驗和調查，無極燈作為白光照明，不適用于隧道入（出）口段的加強照明，隧道口采用無極燈并不能有效的消除黑洞效應。無極燈也不適用于短隧道的基本照明。
　　3.采用LED照明燈具
　　LED作為一種新型光源,具有壽命長、發光效率高、功耗低、啟動時間短、顯色指數高、工作溫度低、方向性好、工作電壓低、無紫外輻射、環保等眾多優點，已經在一些照明領域應用。隧道照明應用新型LED隧道燈具有其他燈源無法比擬的優勢，LED做為半導體照明，雖然目前工程應用中的芯片光效還達不到高壓鈉燈的光效，但其定向性強，燈具光通利用率高，特別在隧道應用中，較好的將照明的重點控制在路面及隧道壁2米以下，帶來了很大的節能的空間，目前在國內已經有部分隧道照明工程使用了LED隧道燈。從2007年4月起，陜西省高速公路也開展了LED隧道應用研究工作，跟相關單位聯合成立了課題研究小組，對全國16個LED廠家進行跟蹤測試，并選用了兩家燈具分別安裝在高速公路部分隧道左右洞，進行各個照明段的跟蹤測試，從近一年的跟蹤測試，LED照明基本上能達到30%的節能。但我們發現目前LED隧道照明還存在著一些問題，目前市場上LED燈具的質量差距較大，從吳子高速公路隧道對全國16個LED廠家一年的跟蹤測試看，燈具完好未發生故障的僅有3家；光衰較大、色溫漂移嚴重，上述16個LED廠家一年的光衰均在50%以上，各別廠家的燈具色溫漂移達1000以上，兩家燈具光衰達5%；驅動電源壽命短，上述16個廠家電源不合格的占一半以上，兩廠家燈具3個月內也發生過部分燈具的質量問題。
　　雖然，LED照明燈具存在一些問題，但LED照明是節能照明的發展方向，隨著芯片技術發展和成本的進一步下降，特別是隧道白光照明理論的深入研究，LED隧道照明將會在高速公路隧道照明中得到更廣泛的應用。
　　五、控制措施
　　陜西省高速公路長隧道都設有隧道洞口加強照明閉環控制系統，其結構為：在隧道的洞外設置亮度檢測設備，在入口段設置照度檢測洞內照度，檢測設備自動檢測洞內外光亮度值，由本地控制器上傳送入監控分中心計算機，經計算機處理后產生控制方案，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動單元執行，分別控制相應的照明回路。這種動態的控制可達到既安全，又可節能�？刂屏鞒虉D見圖2。
　　
　　圖2隧道洞口照明閉環控制
　　
　　但該系統在照明控制中沒得到很好的應用，一方面，在建設階段，洞口加強照明閉環控制系統均通過簡單的設置閥值以達到控制目的，但實際應用中，由于種種的邊界因素，是要通過較長時間的洞口環境調查，建立一定的數學模型，才可實現適用的控制。目前在控制系統的建設實施階段，基本做不到上述的程度，運營中，系統適用差，營運人員都轉為時間控制形式，因此系統長期不用。另一方面，閉環控制系統中的亮度計和照度計設置在隧道洞口，其環境較差，特別是洞外的亮度計，常年風吹雨曬，而且還會經常性的雷擊，因此日常需要良好的養護和維修，但目前由于種種原因，養護總是不到位，實際運營中基本上以時控或人控方式代替。
　　 由于隧道洞口照明的功率占隧道中功率的大部分，而運營中洞口照明又要根據季節、時間、隧道朝向、氣候等因素調節，隧道照明的難點就在洞口照明，也是隧道節能的重點和關鍵。2008年，我們在陜西高速終南山隧道左洞進行自動調節照明亮度試驗和重點研究，該課題采用無極燈的電子鎮流器實現無極照度調節，控制系統采用DALI總線方式，無極燈的鎮流器組合與調光控制DALI分控制器（Slave）制造成一體，通過DALI主控制器（Master）可對每個鎮流器（Slave）分別尋址，實現單燈無極調控。該系統已初步能實現隨洞口照度無極調節的功能，為考核系統的可靠性和穩定性，目前系統還在進一步的測試中。
　　六、管理措施
　　良好的管理措施對隧道照明的節能起到相當大的作用，根據我們近十年的運營經驗，管理措施可歸納幾個方面：（1）徹底了解和領會隧道照明的設計意圖和相關的規范要求；（2）控制好隧道洞口照明是實現隧道照明節能的關鍵；（3）基本照明應根據車流做合理的調整；（4）制定合理的照明方案；（5）隧道照明的燈具的清潔維護是隧道照明管理的重點，保證燈具較高的養護系數；（6）定期批量更換光源，使照明光源運行在高效的工況。總之，通過對隧道照明系統進行維護，使照明系統始終處于良好的工作狀態下，滿足隧道照明要求，達到管理上的節能。
　　七、結語
　　高速公路隧道照明節能涵蓋的內容是多方面的，要實現系統節能，就要在各個環節都要實施節能措施。設計環節的節能是節能的基礎，消除過度設計、選擇合適的參數、根據車流情況分期實施等都是實現節能的基礎工作。管理環節是實現隧道照明節能的關鍵，提高養護系數，制定合理照明方案等都是隧道照明的重點。采用各種控制方式和消除中間損耗，以及終端光源的研究創新是實現隧道照明節能的重要手段，尤其是節能型光源和燈具的采用。
　　高速公路隧道照明有其獨特性，如何在保證安全的前提下，降低照明的設備投資、維修及用電費用，還需要進一步的認真研究，只有通過多種渠道的推進應用，隧道照明節能工程才會取得更大的進步。