高速公路机电系统节能设计

1、高速公路隧道照明系统节能设计探讨刘 勇，王 东（重庆市华驰交通科技有限公司，重庆 400067）摘 要：针对高速公路隧道照明系统的节能需求和系统设计现状，提出高速公路隧道照明系统节能设计在设计参数选用、硬件系统构成、控制方案选用以及营运管理、维护等方面的建议及对策，以期在满足规范的要求下，既满足节能要求，又降低工程造价和营运维护成本。关键词：高速公路隧道；照明系统；节能；动态智能控制Probe on Energy-saving Design of Lighting System in Highway TunnelsLiu Yong Wang Dong随着高速公路由沿海向内陆，由平原向山区延伸，

2、隧道的比例越来越高，隧道照明能耗也明显增加，其节能需求愈渐迫切，而照明系统是否节能在很大程度上取决于设计。笔者认为隧道照明节能设计重点应考虑设计参数的合理选用，硬件结构的平衡合理，软件控制方案的先进、高效，以及营运维护和管理的完善。1 设计参数的合理选用高速公路隧道照明系统设计首先要确定设计参数。目前设计中，设计人员趋于保守，系统取值往往偏大，对此可着手考虑通过合理选用参数，来达到节能的目的。下面就几个比较重要的参数的选用进行探讨。1.1 隧道洞口亮度L20的选用加强照明是隧道照明最重要的部分。一般情况下，加强照明的功率约占整个隧道照明功率的60%80%，其值因隧道长短而有所差异。根据JTJ

3、02611999公路隧道通风照明设计规范，加强照明平均亮度需求值主要取决于洞外亮度L20，其计算式如下。入口段平均亮度：Lth=K×L20 （K表示入口折减系数）； 过渡段1平均亮度：Ltr1=0.3× K×L20；过渡段2平均亮度：Ltr2=0.1× K×L20； 过渡段3平均亮度：Ltr3=0.035× K×L20。设计阶段，隧道洞外亮度L20往往无法实测，目前普遍做法是查表取得，取值范围为40005000cd/m2。对重庆、安徽、浙江、云南、福建等省市多条高速公路隧道照明设计参数进行了研究，其结果表明，一般情况下该取值

4、可有所降低，其中端墙式洞口可取值为35004000cd/m2，削竹式洞口亮度可取值为30003500cd/m2，优化后的照明设施和运营费用比原设计节约15%20%。1.2 隧道基本段亮度Lin的选取隧道基本段照明亮度需求值Lin关键决定因数是交通流量。早期设计中，一般采用车流量大于2400辆/h来设计，但根据实际统计，大部分高速公路初期车流量均小于2400辆/h，特别是山区高速公路，在建成后很长一段时间内甚至在超过改造周期后车流量都不到700辆/h，造成建设、运营费用和能源的较大浪费。因此，笔者建议，基本亮度应根据实际情况进行节能取值，特别在重丘地区，近期交通量指标可控制为700辆/h。此外，

5、设计中应采用一次设计分期实施的对策，具体是配电线路一次设计，照明设备分期实施，以降低能源消耗。1.3 其他设计参数的节能选用照明系统设计参数的节能选用还有很多，如短隧道照明参数、低压供电半径、照明灯具维护系数、照明变压器负荷率等都需综合考虑。2 硬件系统的节能设计2.1 整体结构合理、平衡隧道照明系统作为一个有机整体，要节能首先应保证硬件结构的合理、平衡。进行系统设计特别是照明配电网络设计时，应在规范许可的条件下，合理确定高压电源引入点，合理布置变电所，避免电源引入点和变电所遍地开花的耗能状态。其次，设计过程中不应出现虎头蛇尾、大马拉小车的情况，应具体核实每个设备的具体容量，合理确定需要系数，

6、在确定总负荷后，应平衡变压器的经济负荷率和远期容量备用率，避免出现某些机电系统中开通初期变压器负荷率仅50%60%，甚至更低的情况，造成能源浪费。2.2 节能设备选取 新型能源设备选取风能、太阳能电源作为一种新兴的绿色环保能源，具有取之不尽、用之不竭的特点，是节能发展趋势。但基于目前太阳能和风能转化效率较低的实际情况，该种能源设备的选择主要是针对通视条件较好、长100300m的隧道。对于这种类型的隧道，建议可取消原有大功率洞顶照明方式，而采用小功率LED进行隧道两侧诱导交通，以达到安全、节能目的。2.2.2 节能灯具选用1）高压钠灯及电子镇流器。高压钠灯因其具有很高的发光效率而得到广泛应用。为

7、节能，使用高压钠灯时，应选用节能电感式镇流器或电子式整流器，特别是电子镇流器不但具有很高的功率因数（0.97以上），而且自身损耗也小，具有显著的节能效果。2）LED照明灯具。LED照明是目前节能照明的趋势。LED作为一种新型光源, 具有寿命长、发光效率高、功耗低、启动时间短、显色指数高、方向性好等众多优点。新型LED隧道灯具在隧道中能较好地将照明重点控制在路面及隧道壁2m以下，具有很大的节能空间。目前云南小磨高速公路、重庆渝遂高速公路、福建泉三高速公路等工程已有部分隧道采用了LED照明，而安徽黄塔桃高速公路则是全线使用LED照明，其照明节能效果非常明显，且统计结果显示可节能30%以上。当然，目

8、前LED照明灯具还存在透烟雾能力不强、光衰大、隧道环境中的寿命不确定等问题，故远期节能效果还有待进一步验证。关于高压钠灯和LED灯的比选，笔者建议，目前设计中可采用LED灯具和高压钠灯相结合的形式，这种方式在重庆渝宜高速公路云阳奉节段项目中已成功实施。该项目中，加强照明仍采用高压钠灯，而基本照明则采用48W LED照明灯，经实测，项目系统各项指标满足设计和规范要求，整体节能42%。相信在不久的将来，随着白光LED照明技术的进一步发展，LED照明灯具定会在公路隧道照明中得到更广泛应用。2.2.3 有载调压节能新型变压器选用隧道照明系统中，照明变压器的损耗约占整个系统能量损耗的7%10%。特别是一

9、些低负载率变压器，这一数值更高。目前高速公路照明变压器使用较多的是S11型硅钢干式变压器，较之以前的S7、S9型变压器，其节能效果上已有很大提高。但随着新技术的发展，一些更节能的变压器应运而生，如非晶合金变压器就得到逐步应用。其最大优点是铁心损耗非常低，与硅钢片变压器相比较，其空载损耗下降70%75%左右，空载电流下降80%左右。笔者建议设计中应尽可能选用这种更节能的新型变压器，同时为适应山区供电质量较差的特点，尽量采用有载调压变压器。2.3 照明灯具、电缆合理布设 照明灯具布设灯具布设应根据照明亮度需求，综合考虑光源效率、灯具结构、灯具配光曲线、隧道断面形式、断面尺寸、隧道壁反射系数等进行计

10、算布设。设计过程中，应针对每个隧道进行具体计算和仿真，克服千篇一律的套搬模式，降低系统耗能。 线缆布设为降低照明线路上的电能损耗，设计者在进行电缆截面选择时，应进行科学计算。电缆截面的选用应首先按照载电流进行核算，其次应核算电压降，如这项均能满足要求，笔者建议还应按照经济电流密度进行优选，以便节能和降低造价。3 照明控制方案的节能设计合理的硬件结构是节能前提，但如何充分发挥设备的功能，达到最大的节能效果，控制方案设计是关键。笔者就隧道照明节能提出基于前馈式模糊控制技术的动态智能控制方案。先进的照明节能控制方案不仅要解决公路隧道照明系统在初期交通流量小的情况下照明亮度过大的问题，更重要的是还要能

11、突破现有控制方式和控制回路的限制，根据隧道的实时状况进行精细、无级动态调节。我们知道，照明系统所需要达到的标准亮度L与隧道的计算行车速度V、隧道内的交通量N、隧道外的自然亮度L20是相关的，即存在相应函数：L= f1（V，N，L20）。 对于这个动态变化的标准亮度L，可以通过调节灯具的发光亮度l实现，而l与加载在灯具上的电压U或电流I是相关的。在此基础上，建立一个在满足隧道营运照明亮度要求下加载在隧道照明灯具上的最佳电压或电流函数:U(或I)= F（V，N，L20）。利用上述函数和前馈式模糊控制技术，可构建隧道节能照明智能调控系统，其构成如图1所示。目前该种控制方式在安徽黄塔桃高速公路上已经实

12、施，节能效果明显。反馈电压或电流预测交通量电压或电流控制量交通状态 （拥挤、火灾、正常状况）输入电压或电流洞外亮度量数据历史交通交通监控计算机交通量预测亮度仪模 糊 控制器控制模型调压或调流控制设备照明灯具亮度检测仪器亮度检测值电压或电流输出图1 隧道节能照明智能调控系统构成4 营运维护及管理的节能设计目前，照明系统设计中往往缺少一部分内容，即机电系统的后期维护、管理要求及方案，而这却是隧道机电系统节能相当重要的内容。设计中建议提出如下后期管理措施和要求：1）营运及管理人员应彻底了解和领会隧道机电系统的设计意图和相关的规范要求；2）按照设计要求执行相应的控制方案和策略，必要时应根据现场情况进行

13、调整和优化；3）隧道机电设备的维护应加强，例如照明灯具的清洁维护、定期更换光源等应作为隧道照明管理的重点。5 结语高速公路隧道照明系统节能设计涵盖的内容较多，要实现系统节能，需在各个环节实施节能措施，同时还需要设计者紧随科学技术的发展，不断加以创新，以优化系统结构和控制技术，并逐步提高节能效果。参考文献1 交通部重庆公路科学研究所.JTJ 02611999 公路隧道通风照明设计规范S.北京：人民交通出版社 2000.2 重庆交通科研设计院.JTG/T D712004 公路隧道交通工程设计规范S.北京：人民交通出版社 2004.3 交通部公路研究所.JTJ 07198 公路工程质量检验评定标准（第二册）机电工程S.北京：人民交通出版社 2004.4 韩 直.LED隧道照明试验研究J.公路交通技术，2009（4）：144-147.5 涂 耘，陈建忠.公路隧道短隧道照明参数研讨J.公路交通技术，2009（6）：125-128.6 王小军，邹小春.LED隧道灯具应用现状与检测方法探讨J.公路交通技术，2009（增）：103-105.7 韩 直，夏 隽.公路隧道照明模糊控制研究J.公路交通技术，2009（2）：140-1