高速公路機(jī)電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

1、高速公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)探討劉 勇，王 東（重慶市華馳交通科技有限公司，重慶 400067）摘 要：針對(duì)高速公路隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能需求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，提出高速公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)參數(shù)選用、硬件系統(tǒng)構(gòu)成、控制方案選用以及營(yíng)運(yùn)管理、維護(hù)等方面的建議及對(duì)策，以期在滿(mǎn)足規(guī)范的要求下，既滿(mǎn)足節(jié)能要求，又降低工程造價(jià)和營(yíng)運(yùn)維護(hù)成本。關(guān)鍵詞：高速公路隧道；照明系統(tǒng)；節(jié)能；動(dòng)態(tài)智能控制Probe on Energy-saving Design of Lighting System in Highway TunnelsLiu Yong Wang Dong隨著高速公路由沿海向內(nèi)陸，由平原向山區(qū)延伸，

2、隧道的比例越來(lái)越高，隧道照明能耗也明顯增加，其節(jié)能需求愈漸迫切，而照明系統(tǒng)是否節(jié)能在很大程度上取決于設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為隧道照明節(jié)能設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)考慮設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選用，硬件結(jié)構(gòu)的平衡合理，軟件控制方案的先進(jìn)、高效，以及營(yíng)運(yùn)維護(hù)和管理的完善。1 設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選用高速公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要確定設(shè)計(jì)參數(shù)。目前設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員趨于保守，系統(tǒng)取值往往偏大，對(duì)此可著手考慮通過(guò)合理選用參數(shù)，來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。下面就幾個(gè)比較重要的參數(shù)的選用進(jìn)行探討。1.1 隧道洞口亮度L20的選用加強(qiáng)照明是隧道照明最重要的部分。一般情況下，加強(qiáng)照明的功率約占整個(gè)隧道照明功率的60%80%，其值因隧道長(zhǎng)短而有所差異。根據(jù)JTJ

3、02611999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范，加強(qiáng)照明平均亮度需求值主要取決于洞外亮度L20，其計(jì)算式如下。入口段平均亮度：Lth=K×L20 （K表示入口折減系數(shù)）； 過(guò)渡段1平均亮度：Ltr1=0.3× K×L20；過(guò)渡段2平均亮度：Ltr2=0.1× K×L20； 過(guò)渡段3平均亮度：Ltr3=0.035× K×L20。設(shè)計(jì)階段，隧道洞外亮度L20往往無(wú)法實(shí)測(cè)，目前普遍做法是查表取得，取值范圍為40005000cd/m2。對(duì)重慶、安徽、浙江、云南、福建等省市多條高速公路隧道照明設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明，一般情況下該取值

4、可有所降低，其中端墻式洞口可取值為35004000cd/m2，削竹式洞口亮度可取值為30003500cd/m2，優(yōu)化后的照明設(shè)施和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比原設(shè)計(jì)節(jié)約15%20%。1.2 隧道基本段亮度Lin的選取隧道基本段照明亮度需求值Lin關(guān)鍵決定因數(shù)是交通流量。早期設(shè)計(jì)中，一般采用車(chē)流量大于2400輛/h來(lái)設(shè)計(jì)，但根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，大部分高速公路初期車(chē)流量均小于2400輛/h，特別是山區(qū)高速公路，在建成后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)甚至在超過(guò)改造周期后車(chē)流量都不到700輛/h，造成建設(shè)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和能源的較大浪費(fèi)。因此，筆者建議，基本亮度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行節(jié)能取值，特別在重丘地區(qū)，近期交通量指標(biāo)可控制為700輛/h。此外，

5、設(shè)計(jì)中應(yīng)采用一次設(shè)計(jì)分期實(shí)施的對(duì)策，具體是配電線(xiàn)路一次設(shè)計(jì)，照明設(shè)備分期實(shí)施，以降低能源消耗。1.3 其他設(shè)計(jì)參數(shù)的節(jié)能選用照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的節(jié)能選用還有很多，如短隧道照明參數(shù)、低壓供電半徑、照明燈具維護(hù)系數(shù)、照明變壓器負(fù)荷率等都需綜合考慮。2 硬件系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)2.1 整體結(jié)構(gòu)合理、平衡隧道照明系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)整體，要節(jié)能首先應(yīng)保證硬件結(jié)構(gòu)的合理、平衡。進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)特別是照明配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在規(guī)范許可的條件下，合理確定高壓電源引入點(diǎn)，合理布置變電所，避免電源引入點(diǎn)和變電所遍地開(kāi)花的耗能狀態(tài)。其次，設(shè)計(jì)過(guò)程中不應(yīng)出現(xiàn)虎頭蛇尾、大馬拉小車(chē)的情況，應(yīng)具體核實(shí)每個(gè)設(shè)備的具體容量，合理確定需要系數(shù)，

6、在確定總負(fù)荷后，應(yīng)平衡變壓器的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷率和遠(yuǎn)期容量備用率，避免出現(xiàn)某些機(jī)電系統(tǒng)中開(kāi)通初期變壓器負(fù)荷率僅50%60%，甚至更低的情況，造成能源浪費(fèi)。2.2 節(jié)能設(shè)備選取 新型能源設(shè)備選取風(fēng)能、太陽(yáng)能電源作為一種新興的綠色環(huán)保能源，具有取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，是節(jié)能發(fā)展趨勢(shì)。但基于目前太陽(yáng)能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率較低的實(shí)際情況，該種能源設(shè)備的選擇主要是針對(duì)通視條件較好、長(zhǎng)100300m的隧道。對(duì)于這種類(lèi)型的隧道，建議可取消原有大功率洞頂照明方式，而采用小功率LED進(jìn)行隧道兩側(cè)誘導(dǎo)交通，以達(dá)到安全、節(jié)能目的。2.2.2 節(jié)能燈具選用1）高壓鈉燈及電子鎮(zhèn)流器。高壓鈉燈因其具有很高的發(fā)光效率而得到廣泛應(yīng)用。為

7、節(jié)能，使用高壓鈉燈時(shí)，應(yīng)選用節(jié)能電感式鎮(zhèn)流器或電子式整流器，特別是電子鎮(zhèn)流器不但具有很高的功率因數(shù)（0.97以上），而且自身?yè)p耗也小，具有顯著的節(jié)能效果。2）LED照明燈具。LED照明是目前節(jié)能照明的趨勢(shì)。LED作為一種新型光源, 具有壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、功耗低、啟動(dòng)時(shí)間短、顯色指數(shù)高、方向性好等眾多優(yōu)點(diǎn)。新型LED隧道燈具在隧道中能較好地將照明重點(diǎn)控制在路面及隧道壁2m以下，具有很大的節(jié)能空間。目前云南小磨高速公路、重慶渝遂高速公路、福建泉三高速公路等工程已有部分隧道采用了LED照明，而安徽黃塔桃高速公路則是全線(xiàn)使用LED照明，其照明節(jié)能效果非常明顯，且統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示可節(jié)能30%以上。當(dāng)然，目

8、前LED照明燈具還存在透煙霧能力不強(qiáng)、光衰大、隧道環(huán)境中的壽命不確定等問(wèn)題，故遠(yuǎn)期節(jié)能效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。關(guān)于高壓鈉燈和LED燈的比選，筆者建議，目前設(shè)計(jì)中可采用LED燈具和高壓鈉燈相結(jié)合的形式，這種方式在重慶渝宜高速公路云陽(yáng)奉節(jié)段項(xiàng)目中已成功實(shí)施。該項(xiàng)目中，加強(qiáng)照明仍采用高壓鈉燈，而基本照明則采用48W LED照明燈，經(jīng)實(shí)測(cè)，項(xiàng)目系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，整體節(jié)能42%。相信在不久的將來(lái)，隨著白光LED照明技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，LED照明燈具定會(huì)在公路隧道照明中得到更廣泛應(yīng)用。2.2.3 有載調(diào)壓節(jié)能新型變壓器選用隧道照明系統(tǒng)中，照明變壓器的損耗約占整個(gè)系統(tǒng)能量損耗的7%10%。特別是一

9、些低負(fù)載率變壓器，這一數(shù)值更高。目前高速公路照明變壓器使用較多的是S11型硅鋼干式變壓器，較之以前的S7、S9型變壓器，其節(jié)能效果上已有很大提高。但隨著新技術(shù)的發(fā)展，一些更節(jié)能的變壓器應(yīng)運(yùn)而生，如非晶合金變壓器就得到逐步應(yīng)用。其最大優(yōu)點(diǎn)是鐵心損耗非常低，與硅鋼片變壓器相比較，其空載損耗下降70%75%左右，空載電流下降80%左右。筆者建議設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能選用這種更節(jié)能的新型變壓器，同時(shí)為適應(yīng)山區(qū)供電質(zhì)量較差的特點(diǎn)，盡量采用有載調(diào)壓變壓器。2.3 照明燈具、電纜合理布設(shè) 照明燈具布設(shè)燈具布設(shè)應(yīng)根據(jù)照明亮度需求，綜合考慮光源效率、燈具結(jié)構(gòu)、燈具配光曲線(xiàn)、隧道斷面形式、斷面尺寸、隧道壁反射系數(shù)等進(jìn)行計(jì)

10、算布設(shè)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)針對(duì)每個(gè)隧道進(jìn)行具體計(jì)算和仿真，克服千篇一律的套搬模式，降低系統(tǒng)耗能。 線(xiàn)纜布設(shè)為降低照明線(xiàn)路上的電能損耗，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行電纜截面選擇時(shí)，應(yīng)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。電纜截面的選用應(yīng)首先按照載電流進(jìn)行核算，其次應(yīng)核算電壓降，如這項(xiàng)均能滿(mǎn)足要求，筆者建議還應(yīng)按照經(jīng)濟(jì)電流密度進(jìn)行優(yōu)選，以便節(jié)能和降低造價(jià)。3 照明控制方案的節(jié)能設(shè)計(jì)合理的硬件結(jié)構(gòu)是節(jié)能前提，但如何充分發(fā)揮設(shè)備的功能，達(dá)到最大的節(jié)能效果，控制方案設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。筆者就隧道照明節(jié)能提出基于前饋式模糊控制技術(shù)的動(dòng)態(tài)智能控制方案。先進(jìn)的照明節(jié)能控制方案不僅要解決公路隧道照明系統(tǒng)在初期交通流量小的情況下照明亮度過(guò)大的問(wèn)題，更重要的是還要能

11、突破現(xiàn)有控制方式和控制回路的限制，根據(jù)隧道的實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行精細(xì)、無(wú)級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。我們知道，照明系統(tǒng)所需要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)亮度L與隧道的計(jì)算行車(chē)速度V、隧道內(nèi)的交通量N、隧道外的自然亮度L20是相關(guān)的，即存在相應(yīng)函數(shù)：L= f1（V，N，L20）。 對(duì)于這個(gè)動(dòng)態(tài)變化的標(biāo)準(zhǔn)亮度L，可以通過(guò)調(diào)節(jié)燈具的發(fā)光亮度l實(shí)現(xiàn)，而l與加載在燈具上的電壓U或電流I是相關(guān)的。在此基礎(chǔ)上，建立一個(gè)在滿(mǎn)足隧道營(yíng)運(yùn)照明亮度要求下加載在隧道照明燈具上的最佳電壓或電流函數(shù):U(或I)= F（V，N，L20）。利用上述函數(shù)和前饋式模糊控制技術(shù)，可構(gòu)建隧道節(jié)能照明智能調(diào)控系統(tǒng)，其構(gòu)成如圖1所示。目前該種控制方式在安徽黃塔桃高速公路上已經(jīng)實(shí)

12、施，節(jié)能效果明顯。反饋電壓或電流預(yù)測(cè)交通量電壓或電流控制量交通狀態(tài) （擁擠、火災(zāi)、正常狀況）輸入電壓或電流洞外亮度量數(shù)據(jù)歷史交通交通監(jiān)控計(jì)算機(jī)交通量預(yù)測(cè)亮度儀模 糊 控制器控制模型調(diào)壓或調(diào)流控制設(shè)備照明燈具亮度檢測(cè)儀器亮度檢測(cè)值電壓或電流輸出圖1 隧道節(jié)能照明智能調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)成4 營(yíng)運(yùn)維護(hù)及管理的節(jié)能設(shè)計(jì)目前，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中往往缺少一部分內(nèi)容，即機(jī)電系統(tǒng)的后期維護(hù)、管理要求及方案，而這卻是隧道機(jī)電系統(tǒng)節(jié)能相當(dāng)重要的內(nèi)容。設(shè)計(jì)中建議提出如下后期管理措施和要求：1）營(yíng)運(yùn)及管理人員應(yīng)徹底了解和領(lǐng)會(huì)隧道機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意圖和相關(guān)的規(guī)范要求；2）按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行相應(yīng)的控制方案和策略，必要時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行

13、調(diào)整和優(yōu)化；3）隧道機(jī)電設(shè)備的維護(hù)應(yīng)加強(qiáng)，例如照明燈具的清潔維護(hù)、定期更換光源等應(yīng)作為隧道照明管理的重點(diǎn)。5 結(jié)語(yǔ)高速公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)涵蓋的內(nèi)容較多，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能，需在各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施節(jié)能措施，同時(shí)還需要設(shè)計(jì)者緊隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷加以創(chuàng)新，以?xún)?yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)，并逐步提高節(jié)能效果。參考文獻(xiàn)1 交通部重慶公路科學(xué)研究所.JTJ 02611999 公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范S.北京：人民交通出版社 2000.2 重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTG/T D712004 公路隧道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范S.北京：人民交通出版社 2004.3 交通部公路研究所.JTJ 07198 公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（第二冊(cè)）機(jī)電工程S.北京：人民交通出版社 2004.4 韓 直.LED隧道照明試驗(yàn)研究J.公路交通技術(shù)，2009（4）：144-147.5 涂 耘，陳建忠.公路隧道短隧道照明參數(shù)研討J.公路交通技術(shù)，2009（6）：125-128.6 王小軍，鄒小春.LED隧道燈具應(yīng)用現(xiàn)狀與檢測(cè)方法探討J.公路交通技術(shù)，2009（增）：103-105.7 韓 直，夏 雋.公路隧道照明模糊控制研究J.公路交通技術(shù)，2009（2）：140-1