不同灯具组合模式的高速公路隧道照明能耗分析

随着高速公路隧道数量及里程的快速增长以及长、大隧道和隧道群数量的持续攀升，隧道通风、照明设施的规模及数量也随之大幅增加，运营及维护成本越来越高。特别是由于隧道需要24 h不间断照明，照明能耗占整个运营能耗的比例越来越大。据统计，照明费用占隧道整个机电工程的30%左右。后期高昂的运营成本，已使不少隧道出现了“建得起养不起”的现实问题。隧道行车安全与照明能耗之间日益突出的矛盾，使得高速公路隧道照明能耗问题越来越受到政府和人民的关注与重视。因此，迫切希望能在既有照明标准的基础上开发出新的照明灯具组合模式，在满足行车安全、舒适的条件下进一步降低照明能耗，实现高速公路建设的可持续发展。

目前在隧道照明节能领域中，主要关注在隧道照明控制系统和控制技术方面的研究，而对于高速公路隧道照明能耗分析，相关的基础研究还不够全面。王金以某山区隧道照明改造工程为例，将原方案中的高压钠灯（high pressure sodium，HPS）替换成发光二极管（light-emitting diode，LED），一年要比HPS节约55361 kW·h，一年节约电费44289元^[1]。梁冰基于某高速公路隧道实际情况设计了左右洞中间段分别采用HPS与白光LED的照明试验方案，经计算，白光LED方案在8个月后，经济效益即超过高压钠灯方案，且运营时间越长，经济效益越明显^[2]。李爱纯等人对LED照明灯具应用于隧道照明的要点进行探究，结合某高速公路隧道照明进行实例说明，表明LED照明是一种非常节能的绿色照明^[3]。阮程等人以山东省某隧道照明项目改造为例，采用可调色温LED隧道照明灯，实现隧道各照明段不同需求的照明标准要求，智能调节色温和照度，保证了驾驶员安全行驶^[4]。王梦犀以怒江六丙公路大峡谷隧道为例，得出LED灯全年耗电量241846 kW·h，与国内同隧道类型相比，综合能耗处于比较先进的水平，一定程度上，为我国同类型隧道建设提供了可参考的价值^[5]。王相国以山西某三座隧道为例，通过将HPS改造成LED灯，分别计算出两种灯具的综合能耗和费用，改造后节能率分别为45.6%、50.4%、48.9%。传统高速公路隧道标准更关注亮度、照度、均匀度，对于光源光色的关注度不够，并没有考虑到其他光色LED的影响^[6]。因此，研究引入郭醒等的研究成果——金黄光LED灯，金黄光光谱集中在580~650 nm，色温为2170 K，显色指数Ra为77，光效随输入电流和环境温度影响^[7]。金黄光辐射光的波长主要集中在人眼最灵敏的光谱范围，因此其透雾性相对较强，减少了驾驶员的视觉适应难度，从而保证行车安全。以《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）（以下简称“照明细则”）为标准，将隧道内全线分为“入口段、过渡段、中间段、出口段”等照明段^[8]。胡英奎提出将入口段和过渡段相加称为入口加强照明段^[9]。本文针对广东省某隧道，探讨了在保障驾驶安全的基础上五种不同的照明灯具组合模式的能耗对比：全线HPS、全线白光LED、HPS+白光LED+HPS、金黄光LED+白光LED+金黄光LED，以及全线白光LED+HPS补光。经测试，本研究中所采用的HPS色温为2100 K，白光LED色温为5230 K，金黄光LED色温为2100 K。

笔者以中国知网为基础进行文献统计，基于Citespace来对隧道照明的研究现状及趋势进行可视化图谱分析。以“隧道照明”为主题，时间范围设置为“2011—2024年”，形成文献分析的研究对象。

笔者对文献数量进行统计，总计1838条有效文献，得到“隧道照明”发文量折线图，如图1所示。

图1 “隧道照明”发文量折线图

由图1可以看出，我国对“隧道照明”的研究一直处于研究热点阶段，2011—2018年一直处于波动状态，但发文量总体呈现上升趋势，从2018年开始，发文量有明显的下降趋势，正值疫情期间，减少了国民交通出行，国内学者对“隧道照明”的关注度随之下降，直到2020年，“双碳”目标被提出，倡导节能减排，发文量开始回温，再次吸引了广大学者进行研究。2024年由于论文统计并不完全，所以有下降趋势。

研究论文关键词有助于抓住该领域的研究主题及热点^[10]。“隧道照明”关键词图谱如图2所示，其中的节点表示不同的关键词，即研究热点。节点越大说明出现频率越高，节点间的连线则表明关键词间的共现关系。根据关键词的频率及中心性整理出前20名，如表1所示。

图2 “隧道照明”关键词图谱

表1 “隧道照明”高频关键词（TOP20）

由图2和表1可知，“隧道照明”“公路隧道”节点的频率及中心性较高，说明其在该领域中的重要地位;“节能”“照明节能”“节能减排”的中心性分别为0.08、0.07、0.06，表明其在该领域也有较高的关注度。

笔者在关键词图谱的基础上进行聚类分析，得到聚类图谱，如图3所示。

图3 “隧道照明”关键词聚类图谱

关键词图谱聚类共形成较为显著的6个模块，有隧道照明(#0)、照明设计(#1)、照明系统(#2)、高速公路(#3)、照明(#4)、智能控制(#5)。根据聚类标签研究归纳分析显示，“隧道照明”的研究主要集中在照明系统和照明设计上，均与节能低碳紧密联系。

高速公路隧道照明能耗是指用于照明高速公路隧道的能源消耗量。隧道照明是为了提供足够的光亮，确保驾驶者在隧道内能够清晰看到道路和交通标志，从而提高行车安全性。然而，为了维持适当的照明水平，隧道照明系统需要消耗一定数量的电能。

在新型光源和灯具不断发展的现状下，光源已经从早期的荧光灯慢慢过渡到HPS、金属卤化物灯和LED。不同的隧道照明灯具的综合费用都各不相同，但是无论哪种灯具，都应该满足隧道照明基本需求。本文主要针对HPS光源和LED光源的能耗对照分析。目前比较主流的隧道照明方式为全线HPS、全线白光LED、HPS+白光LED+HPS、全线白光LED+HPS补光，本文引入金黄光LED+白光LED+金黄光LED的新型灯具组合方式，讨论五种不同照明模式的能耗试验对照分析。

2.1 确定试验基本参数

研究以广东省某隧道为试验对象，通过五种不同的照明灯具组合模式，进行照明能耗计算分析。该隧道基本情况如下：隧道全长3132 m，隧道设计时速为100 km·h^-1，隧道路面为黑色沥青路面，隧道路面宽度为13 m，按照照明细则将该隧道划分为80 m入口段1+80 m入口段2+104 m过渡段1+112 m过渡段2+2696 m中间段+30 m出口段1+30 m出口段2，按照文献^[9]所研究的方式，分为376 m入口加强照明段+2696 m中间段+60 m出口段。其隧道各照明阶梯参数如表2。

表2 广东省某隧道各照明阶梯参数

表2中所示的灯具型号指的均是HPS，由课题组现场勘察测试，并对隧道各照明段亮度进行仿真工作，得出以上各照明阶梯参数。根据照明细则，通过CAD软件，绘制了广东省某隧道的照明系统分段图，如图4。

在隧道照明能耗计算中，路面平均亮度L_av和路面平均照度E_av是两个非常重要的参数。路面平均亮度L_av指在路面上预先设定的点上测得的或计算得到的各点亮度的平均值。路面平均照度E_av指在路面上预先设定的点上测得的或计算得到的各点照度的平均值。

图4 广东省某隧道照明系统分段图

由照明细则可知，路面平均照度E_av公式：

E_av=η·Φ·M·ω/(W·S)                （1）

其中：η为利用系数，取为0.8；M为灯具养护系数，取0.7；ω为灯具布置系数，对称布置取2，交错、中线及中央侧偏单光带布置时取1；W为隧道路面宽度，取13 m；S为灯具间距。

由文献^[2]中，光效换算公式：

P=Φ/φ                       （2）

其中，φ为光效，单位为lm/W；Φ为光通量，单位为lm；P为光源的功率，单位为W。

2.2 五种不同照明灯具组合模式

原方案中均采用的是HPS灯，光效为90 lm/W，因此在其他试验方案中，需要考虑两者照明效果一致性，所以需要对部分试验方案进行LED灯具配光计算。由式（1）和（2）可得光源的功率换算关系如下：

P=E_av·W·S/(η·M·ω·φ)          （3）

其中，W、S、η、M、ω在每个照明梯度的参数均为已知，路面平均照度E_av与路面平均亮度L_av的换算系数宜实测确定，

E_av/L_av=n                    （4）

但本次计算不用具体指出额定数值，故取字母为n，

因此，其余定值设为N，最终光源的换算功率有：

P=(L_av/φ)·N·n                 （5）

在每一个照明梯度中，L_av为定值，故光效与光源的功率成反比。

1）全线HPS

全线HPS这种照明模式是原来比较主流的一种模式，HPS灯呈黄色，色温为2100 K，透雾性强，减少了驾驶员进出隧道时的视觉适应，大大提高了驾驶员行驶的安全性，如图5是我国某隧道的全线HPS实例。

图5 HPS灯隧道实例

从表2中，由已知数据可得广东省某隧道各照明阶梯所需HPS的参数，整理得表3。

表3 广东省某隧道HPS灯具参数

由表3可知，该方案一天（按24小时计算）电能消耗为：

（182×150+180×90+98×65+42×65+784×65+24×65+22×90）×24=2570400 Wh=2570.4 kW·h

2）全线白光LED

全线白光LED这种照明模式是目前比较新的一种模式，由于LED灯节能性更强和可调光等优良性能，迅速应用于各大城市路灯、大型商场、高速公路隧道等。图6是我国某隧道内一处全线LED灯实例。

图6 LED灯隧道实例

该方案若应用于该隧道，则需要重新对各照明阶梯进行分开LED灯具配光计算，白光LED灯具光效取为120 lm/W，因此先以入口段1为例进行计算。代入已知参数，根据式（5）可得：

150×90=P×120

P=112.5 W

根据目前市场上LED隧道灯具的光效，得到LED灯具额定功率为112.5 W，取值为120 W。

同理可得，入口段2 LED灯额定功率为67.5 W，取为70 W；过渡段1 LED灯额定功率为48.75 W，取为50 W；过渡段2 LED灯额定功率为48.75 W，取为50 W；中间段LED灯额定功率为48.75 W，取为50 W；出口段1 LED灯额定功率为48.75 W，取为50 W；出口段2 LED灯额定功率为67.5 W，取为70 W。

则该方案一天电能消耗为：

（182×120+180×70+98×50+42×50+784×50+24×50+22×70）×24=2001.12 kW·h

该方案目前是比较新的照明灯具模式，由于其发白光，驾驶员在隧道出入口视觉适应难度加大，行驶安全性有待提高，但是能耗较低。

3）HPS+白光LED+HPS

目前这种照明模式是市场上比较主流的一种模式，LED灯的节能性更佳加上HPS灯的透雾性更强，使驾驶员在行驶隧道的过程中更加舒适，减少了视觉适应时间，加强了隧道行驶的安全。

由上述计算可知，入口段1 HPS额定功率为150 W；入口段2 HPS额定功率为90 W；过渡段1 LED灯额定功率为48.75 W，取为50 W；过渡段2 LED灯额定功率为48.75 W，取为50 W；中间段LED灯额定功率为48.75 W，取为50 W；出口段1 HPS额定功率为65 W，出口段2 HPS额定功率为90 W。

则该方案一天电能消耗为：

（182×150+180×90+98×50+42×50+784×50+24×65+22×90）×24=2237.76 kW·h

该方案是目前隧道灯具组合方式中比较主流的一种模式，广泛应用于最新建成的隧道，不仅安全性高，也比较节能。

4）金黄光LED+白光LED+金黄光LED

由于金黄光LED器件光效会随着电流和环境温度发生改变，因此针对金黄光LED部分需要重新采取LED配光计算，按照室外温度30 ℃，电流取400 mA时，金黄光LED灯光效为156 lm/W，先以入口段1为例进行计算。代入已知参数，根据式（5）可得：

150×90=P×156

P=86.5 W

根据目前市场上金黄光LED隧道灯具的光效，得到金黄光LED灯额定功率为86.5 W，取值为90 W。

同理可得，入口段2金黄光LED灯额定功率为51.9 W，取为60 W；过渡段1白光LED灯额定功率为48.75 W，取为50 W；过渡段2白光LED灯额定功率为48.75 W，取为50 W；中间段白光LED灯额定功率为48.75 W，取为50 W；出口段1金黄光LED灯额定功率为37.5 W，取为40 W；出口段2金黄光LED灯额定功率为51.9 W，取为60 W。

则该方案一天的电能消耗为：

（182×90+180×60+98×50+42×50+784×50+24×40+22×60）×24=1815.84 kW·h

该方案中引入了金黄光LED灯，由于该灯具价格较贵，目前并没有大量应用于隧道照明中，其安全性较高，节能性更强。

5）全线白光LED+HPS补光

这种方案的照明模式也是目前比较主流的一种，广泛应用于各隧道照明场景，该照明模式是以白光LED为基础，遍布全线，在隧道出入口加HPS灯进行补光，保证驾驶员行驶安全性以及节能性更强的特点。

由于该隧道大多隧道灯的功率为65 W，以LED灯为隧道照明基础灯，需要进行配光计算，由已知数据，根据式（5）可得：

65×90=P×120

P=48.6 W

根据目前市场上LED隧道灯具的光效，得到白光LED灯额定功率为48.6 W，取值为50 W。

在隧道出入口段根据功率差值进行HPS补光计算。对此进行对HPS灯的配光计算，以入口段1为例，

150×90=P×90+50×120 

P=83.3 W

根据目前市场上HPS隧道灯具的光效，得到HPS额定功率为83.3 W，取值为90 W。

同理可得入口段2中HPS灯额定功率为23.3 W，取为30 W；出口段2中额定功率为23.3 W，取为30 W。

则该方案一天的电能消耗为：

[（182+180+98+42+784+24+22）×50+182×90+（180+22）×30]×24=2136.96 kW·h

相较于普通道路，隧道空气流通速度较低，出入口更容易堆积烟气，考虑到驾驶员在隧道行驶的安全，需要对本试验三种灯具进行透雾性比较。本试验主要引入了HPS灯、白光LED、金黄光LED灯，HPS灯主要呈现黄光，透雾性强，比较安全；白光LED发白光，透雾性弱，在隧道出入口加剧了驾驶员视觉适应时间，没有较高的安全性；金黄光LED灯呈黄光，透雾性较强，保证驾驶员安全进出隧道出入口，较为安全。以下是对五种照明模式试验方案汇总，见表4。

通过对计算结果的分析得出，其中驾驶员行驶最安全的是HPS+白光LED+HPS；隧道运营最节能的是金黄光LED+白光LED+金黄光LED，相对于原照明模式，该照明模式一天可以节约754.56 kW·h，一年可节约268623.36 kW·h，节能率达到了29.4%。

3.1 结论

首先梳理了“隧道照明”近十几年的研究现状以及趋势，然后基于广东省某隧道，设计了五种不同的照明模式试验方案，计算分析表明：

1）HPS+白光LED+HPS是驾驶安全和舒适度最好的；

2）全线白光LED灯比较节能，但白光LED灯透雾性不强，加大了驾驶员视觉适应的时间，并不安全；

3）金黄光LED+白光LED+金黄光LED这种方案是保证驾驶安全和舒适的前提下，最节能的。

3.2 展望

目前我国隧道照明系统在节能方面还有待提高，隧道照明灯具大多集中在白光LED灯，对于不同光色LED灯的研究还不够全面，由于我国相关规范起步较晚，相关设计有些保守，导致了大量的电能消耗。因此，在保证驾驶员行车舒适和安全的前提下，还必须要节约能源。本研究还不成熟，文章只针对节能和安全性做出研究，并未对各方案综合费用进行系统梳理，在实际运营中，如果大规模采用金黄光LED灯，目前技术手段其经济效益肯定会受到更多因素的影响，需要以后进一步讨论与分析。

来源：原文刊登于《中国照明电器》2024年第9期

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