照明解决方案

公路隧道照明灯具有效能效指标分析

结合隧道建设的特点,根据行车安全性和舒适性的需求对其有效照明区域的边界条件进行了计算。在此基础上,选择CIE推荐的B型配光曲线为研究对象,对来自不同厂家的20种公路隧道照明灯具进行了测试,并对其有效光通量和光通量利用系数进行了计算,进而得到了灯具有效能效指标。测试结果表明:样本有效能效值相比于传统测试的灯具总能效平均下降幅度达到20%,最大下降幅度达到41%。考虑到隧道洞壁对光线的反射效果有益于提高有效照明区域的平均亮度,引入隧道洞壁平均反射率作为灯具有效能效修正的影响因子,并对采用不同反射率面层材料情况下样本灯具的有效能效修正结果进行了测试分析。

0 引言

公路隧道照明节能是公路建设运营的热点,也是重要的发展方向,相关节能技术呈多样化特点,实施效果也不尽相同,其中,照明灯具的能效指标是评价其灯具节能性能的重要参量,对于从源头上控制照明系统能耗水平有着重要的意义。与一般照明灯具不同,公路隧道照明灯具的应用环境是一个半封闭的空间,而保障驾驶人员安全行驶和视觉舒适性的照明需求仅仅是整个空间的部分区域,落在此区域之外的光通量并不属于隧道照明的功能性需求。为提高照明灯具出射光通量的利用效率,宜对有效区域外的光通量予以限制,落在有效区域内的光通量更适于作为灯具能效测试、计算的依据。近年来大量应用的白光LED照明灯具以其良好的配光性能,为相关研究和应用奠定了基础。本文旨在分析公路隧道照明环境的特点,结合公路安全运输需求,对照明灯具的有效能效指标进行优化分析。

1、照明灯具能效

传统的照明灯具能效测试方法都是以灯具的总光通量除以灯具功率,得到单位为lm/W的能效值。灯具电功率的测试方法相对简单,而灯具光通量的测试方法主要包括光强积分法和积分球法两种,其有效光强采集区域为灯具的全照明区域,即灯具出光面所发出的光通量全部认为是有效光通量。

总光通量的计算式为:

式中,Φtot为灯具总光通量;I(ε,η)为不同空间角条件下的发光强度;ε,η为空间角。

该方法测试得到的灯具能效指标反映了照明灯具的电-光转换效率水平,包括了灯具光源能效、供电电路效率、配光设计等多个方面,是评价灯具节能水平的重要参数之一,但其计算灯具光通量是基于一个完全的开放性条件,并未考虑灯具在具体应用条件下的需求,仅仅是对灯具自身能效水平的直接表征。

2、公路隧道照明区域的特点及存在的问题2.1 公路隧道照明区域的特点

公路隧道照明的作用主要体现在:(1)帮助驾驶人员适应隧道内外强烈的亮度差异;(2)提供识别公路线形、发现路面异常的必要环境亮度;(3)缓解驾驶人员在隧道封闭空间内行驶的视觉疲劳和压迫感。

为了满足上述功能性需求,交通运输行业标准《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1—1999)规定了“路面左、右两侧墙面2 m高范围内的平均亮度应不低于路面平均亮度”,即满足公路隧道功能性照明需求的区域包括整个路面、检修道和2m高度以下的隧道壁。

2.2 公路隧道照明有效区域

在以往的工程测试和调研过程中,通过对大量公路隧道照明工程的实勘和测试,发现部分隧道照明确实存在较为严重的光能浪费现象,即隧道两侧2m 高度以上的隧道壁,甚至是隧道洞顶的亮度过高。在灯具能效水平、功率、安装方式一致的情况下,上述现象严重的照明系统必将降低隧道有效照明区域(路面和2 m以下隧道墙壁)的有效光通量,进而降低隧道的安全通行能力。

在工程现场,通过LMK HighRes型影像式亮度计测试了多条公路隧道的照明亮度空间分布,测试条件为:测试点到被测段的距离为100m,亮度计距地面的垂直高度为1.5m,测试区域为有照明系统的公路隧道内部,无外界环境光干扰。

图 1和图 2为部分隧道照明存在无效光通量过高的情况,图片中的灰度表示的是在驾驶人员行车方向和角度条件下,隧道内各部分的亮度水平,图右侧的标尺表示了灰度和亮度的对应关系。


图1 某应用高压钠灯的公路隧道照明区域亮度分布图(单位:cd/m2)Fig. 1 Luminance distribution in highway tunnel lighting area using HPS lanterns (unit:cd/m2)


图 2 某应用白光LED照明灯具的公路隧道照明区域亮度分布图(单位:cd/m2)

图1和图2所展示的公路隧道内各区域的亮度指标直观反映了隧道侧壁、洞顶和路面的亮度水平,在隧道侧壁2m以上区域仍旧有比较明显的光照情况,局部亮度水平甚至接近或达到了路面亮度水平,造成了极大的光能浪费,灯具整体能效指标和在公路隧道环境下可利用的有效能效指标将存在巨大的差异。

以图 1为例进行分析,按照路面、右侧2m以下隧道壁、右侧2 m以上隧道壁、隧道洞顶、左侧2m 以上隧道壁和左侧2m以下隧道壁分为6个区域(依次为区域1~区域6),具体范围如图 3所示,各区域内亮度平均值、最小值和最大值的统计结果如表 1所示。

图 3 隧道照明亮度计算区域示意图

表 1 隧道计算区域照明亮度统计结果(单位:cd/m2)

表 1 隧道计算区域照明亮度统计结果(单位:cd/m2)
Tab. 1 Statistics result of lighting luminance in computation region of tunnel(unit:cd/m2)
照明亮度 区域编号
1 2 3 4 5 6
平均值 8.669 2.027 2.023 2.648 3.286 2.927
最小值 3.314 0.924 1.28 1.592 2.375 2.085
最大值 18.86 6.584 5.302 5.279 5.428 6.8

数据结果显示,除路面(区域1)外,在灯具配光、设计不良的照明环境中,照明灯具在隧道照明无效区域形成的照明亮度指标过高,在保证路面亮度的前提下,将大大提高公路隧道照明灯具的安装功率。

3、公路隧道照明光通量利用率研究3.1 公路隧道照明有效区域边界条件分析

为了分析照明灯具在公路隧道环境下的有效光利用率,根据公路隧道的建设规模和照明应用特点,选择高速公路领域应用较多的单向双车道公路隧道作为研究对象,根据表2中的隧道设计最大宽度(高速公路设计速度120 km/h)计算,在进行公路隧道照明灯具的有效光通量测试时,隧道照明有效区域包括车道(3.75 m×2)、路肩(0.75 m+1.25 m)、检修通道(0.75 m×2),以及隧道两侧洞壁高度在2.0 m以下的范围。

表 2 公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度

表 2 公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度
Tab. 2 Minimum width formed by building line and cross-section of highway tunnel
公路等级 设计速度/(km·h-1) 车道宽度/m 侧向宽度/m 余宽/m 人行道 检修道 隧道建筑限界净宽
左侧 右侧 左侧 右侧 设检修道 设人行道 不设检修道、人行道
高速公路 120 3.75×2 0.75 1.25 0.75 0.75 11
100 3.75×2 0.5 1 0.75 0.75 10.5
一级公路 80 3.75×2 0.5 0.75 0.75 0.75 10.25
60 3.50×2 0.5 0.75 0.75 0.75 9.75
二级公路三级公路四级公路 80 3.75×2 0.75 0.75 1 11
60 3.50×2 0.5 0.5 1 10
40 3.50×2 0.25 0.25 0.75 9
30 3.25×2 0.25 0.25 0.25 7.5
20 3.00×2 0.25 0.25 0.25 7


当灯具安装高度设定为距离路面5.5 m,安装倾角20°时,可以得到如图 4所示的照明灯具在公路隧道横断面方向的有效照明区域角度范围为79.70°。以灯具光轴方向为0°,则灯具有效照明区域在隧道横断面的边界条件为-28.13°~51.57°。

图 4 公路隧道横断面照明角度分布(单位:m)

3.2 灯具配光曲线

配光曲线描述了光源或灯具发光的空间分布特性。在以极坐标表示时,以极坐标的原点表示灯具的发光中心,以一定方向的矢量表示光强的大小,以极坐标的角度表示光强矢量与光轴之间的夹角。根据极轴的不同,常用的灯具配光曲线包括CIE推荐的B型配光曲线和C型配光曲线,如图 5所示,其中尤以C型曲线应用较为普遍。


图 5 CIE推荐的灯具配光曲线测试方法

3.3 有效光通量的计算方法

根据图 4所示的公路隧道横断面几何条件,公路隧道照明灯具在有效照明区域内的有效光通量计算式为:

式中,Φzone为区域光通量;I(ε,η)为不同空间角条件下的发光强度;ε,η为空间角。

此时,采用B型配光曲线坐标系统能够更为方便、准确地表征灯具发射光强角度与隧道有效照明区域的关系。对有效照明区域对应角度范围内的光强进行积分,则可以计算得到被试灯具在一定安装条件下在公路隧道环境中的有效光通量,其值与通过式(1)计算得到的灯具总光通量之比即为灯具光通量利用系数。

通过对不同厂家生产的20种公路隧道照明灯具进行配光测试和数据分析,其总光通量、有效光通量和光通量利用系数如表 3所示。

表 3 公路隧道照明灯具光通量指标一览表
Tab. 3 List of luminous flux of highway tunnel lighting lanterns
序号 总光通量/lm 有效光通量/lm 光通量利用系数 序号 总光通量/lm 有效光通量/lm 光通量利用系数
1 21 020 20 609.75 0.98 11 11 432 8 926 0.78
2 34 000 32 567.75 0.96 12 7 500 5 725.75 0.76
3 7 520 6 877.75 0.91 13 9 900 7 550.75 0.76
4 20 600 18 740.75 0.91 14 5 100 3 839 0.76
5 24 300 22 036.25 0.91 15 1 792 1 313 0.73
6 20 490 18 479.25 0.9 16 696 504.25 0.72
7 20 000 17 797 0.89 17 48 000 31 165.5 0.65
8 7 630 6 663.75 0.87 18 32 000 19 680 0.62
9 1 582 1 376.75 0.87 19 7 435 4 428 0.6
10 6 540 5 417.5 0.83 20 55 000 32 439.5 0.59

3.4 公路隧道照明灯具的有效能效

在公路隧道照明灯具有效光通量测试的基础上,将有效光通量除以灯具额定功率即可得到灯具在公路隧道环境中应用的有效能效。由于灯具额定功率是定值,因此,灯具光通量利用系数与传统的灯具能效之积就是灯具在一定条件下应用于公路隧道照明领域的有效能效指标。

以测试的20种隧道照明灯具样本为例,其光通量利用系数的平均值为0.80,表示样本整体有20%的发光照射在标准规定的有效照明区域之外。利用系数最低的灯具样本,其有效能效相比于传统能效测试结果下降达41%,各灯具有效能效与总能效的相对差值如图 6所示。


图 6 测试灯具样本的总能效与有效能效比较

4、公路隧道照明灯具的有效能效修正系数

在实际的公路隧道照明工程应用中,照射在隧道功能性照明有效区域之外的光强会有部分反射到有效照明区域,对于提高隧道路面的亮度平均值和均匀度有一定效果,如考虑该部分反射光的照明效果,则可对公路隧道照明灯具的有效能效指标进行修正。

隧道洞壁平均反射率取值主要受到所用材料的影响,如《公路隧道通风照明设计规范》中规定,隧道两侧墙面2 m高范围内宜铺设反射率不低于0.7的材料,普通水泥砂浆面层反射系数约为0.3,白瓷砖反射系数约为0.9等。考虑到公路隧道照明有效区域面积约占隧道内总表面积的40%,且隧道壁反射以漫反射为主,则有效照明区域之外的反射光有40%会反射进入有效照明区域,从而提高有效照明区域的亮度,通过式(2)计算得到灯具在有效照明区域之外的区域光通量,乘以隧道洞壁的平均反射率和利用率即可得到样本灯具的修正有效能效值,则可以得到相应的能效结果,如表 4所示。

表4 样本灯具在不同修正条件下的有效能效值
Tab. 4 Active energy efficiency of lantern samples under different correcting conditions
隧道洞壁平均反射率 有效能效/(lm·W-1)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 98.05 97.22 73.17 92.64 92.71 90.19 88.99 72.2 40.02 82.84
0.12 98.29 97.71 74.04 93.74 93.81 91.39 90.31 73.49 40.74 84.88
0.36 98.77 98.68 75.78 95.94 96.01 93.8 92.95 76.08 42.17 88.95
隧道洞壁平均反射率 有效能效/(lm·W-1)
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
0 74.38 45.81 45.76 45.16 42.35 37.91 71.98 71.82 64.17 75.27
0.12 76.9 47.55 47.49 46.87 44.23 39.68 76.63 77.1 69.3 81.55
0.36 81.93 51.02 50.96 50.29 47.99 43.22 85.93 87.67 79.57 94.1


5、结论

根据对被测试公路隧道照明灯具总能效和有效能效指标的测试及分析,得到以下结论:

(1)公路隧道是一个半封闭的空间,根据车辆运行安全性和舒适性的需要,公路隧道照明相关标准规范对有效照明区域做出了明确规定,由此限制了灯具照明有效区域的边界条件,传统的以灯具总光通量为分析对象的灯具能效测试、评价方法并不完全适用于公路隧道照明的应用工况。

(2)通过对一定条件下公路隧道照明有效区域边界角度条件的计算,结合灯具配光曲线极坐标系的特点,选择了CIE推荐的B型配光曲线作为分析对象,将被测样本灯具的配光曲线结果代入边界条件,得到了灯具的有效光通量指标,进而得到了灯具在工程应用中的有效能效指标。分析结果显示,被测样本的有效能效值相比于传统灯具,总能效平均下降了20%,下降幅度最大达到了41%。

(3)考虑到公路隧道洞壁对光线的反射效果,将反射到隧道有效照明区域的光强计入有效光通量,进而对灯具有效能效进行了修正。随着隧道洞壁平均反射率的提高,灯具有效能效呈上升趋势,在公路隧道照明设计时,提高隧道内壁的反射率指标是提高灯具光通量利用率的有效途径之一。为提高灯具光输利用率并避免隧道内壁反射光强过高导致炫光,照明灯具的配光设计应尽量将照明范围控制在有效照明区域内,不宜单纯依靠洞壁反光补充路面亮度。

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