山区公路隧道照明能耗特征及影响因素实例统计分析.pdf

第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月 公 路 交 通 技 术Technology of Highway and Transport Vol.39 No.3 Jun.2023李明,王亚琴,唐明旭,等.山区公路隧道照明能耗特征及影响因素实例统计分析J.公路交通技术,2023,39(3):137-144.LI Ming,WANG Yaqin,TANG Mingxu,et al.Statistical analysis of lighting energy consumption characteristics and influencing factors of highway tunnels in mountainous areasJ.Technology of Highway and Transport,2023,39(3):137-144.DOI:10.13607/ki.gljt.2023.03.020基金项目:交通运输行业重点科技项目(2021-ZD1-014);广西重点研发计划项目(2021AB22117);广西北投交通养护科技集团有限公司科技项目(BTYHKY-2022-08)收稿日期:2022-11-16作者简介:李 明(1981),男,吉林省长春市人,博士,副教授,主要从事地质工程和地下空间开发利用的科研工作。E-mail:20542053 。山区公路隧道照明能耗特征及影响因素实例统计分析李 明1,王亚琴1,唐明旭2,朱光祖2,蒋雅君3,刘 莎4(1.吉林建筑大学,长春 130119;2.广西交通投资集团河池高速公路运营有限公司,广西 河池 547000;3.西南交通大学,成都 610031;4.大连理工大学,辽宁 大连 116024)摘 要:为解决隧道运营中照明能耗较大的问题,详细调研了广西地区 20 条公路隧道的能耗状况,研究了公路隧道照明能耗特征及其影响因素,并将影响因素分为不可调控因素及可调控因素,采用统计分析的方法量化研究各因素的影响程度。结果表明:1)3 年间全年单位长度耗电量分布区间 118.30 kWh/m1 229.10 kWh/m,能耗消耗情况差异较大;2)短隧道在近 3 年单位长度耗电量降幅最大,说明短隧道的节能潜力较高;3)通过影响因素强弱对比分析,照明控制方式和洞外亮度对能耗影响程度较大。该结果可供后续开展公路隧道照明的节能降耗工作参考。关键词:公路隧道;照明能耗特征;影响因素;统计分析文章编号:1009-6477(2023)03-0137-08 中图分类号:U453.7 文献标识码:BStatistical Analysis of Lighting Energy Consumption Characteristics and Influencing Factors of Highway Tunnels in Mountainous AreasLI Ming1,WANG Yaqin1,TANG Mingxu2,ZHU Guangzu2,JIANG Yajun3,LIU Sha4(1.Jilin Jianzhu University,Changchu 130119;2.Hechi Expressway Operation Co.,Ltd.,Guangxi Communications Investment Group,Hechi 547000;3.Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031;4.Dalian University of Technology,Dalian 116024)Abstract:To address the issue of high lighting energy consumption during tunnel operation,a detailed investigation was conducted on the energy consumption status of 20 highway tunnels in Guangxi region.The characteristics and influencing factors of lighting energy consumption in highway tunnels were studied,and the influencing factors were divided into non-adjustable and adjustable factors.Statistical analysis was used to quantify the degree of influence of each factor.The results show that:1)The annual energy consumption per unit tunnel length in three years is 118.301 229.10 kWh/m,with a large difference in energy consumption;2)The power consumption per unit length of short tunnels has decreased the most in recent three years,indicating that the energy saving potential of short tunnels is high;3)Through comparative analysis of influence factors,lighting control mode and brightness outside the tunnel have a greater impact on energy consumption.This achievement can serve as a reference for future energy-saving and consumption reduction work in highway tunnel lighting.Keywords:highway tunnel;lighting energy consumption characteristics;influencing factors;statistical analysis 随着我国公路隧道建设规模快速发展,隧道照明的高耗能问题越来越突出,在我国提出的“碳达峰、碳中和”基本国策的背景下,如何降低隧道照明能耗受到业内的广泛关注。据交通运输标准化“十四五”发展规划的指导原则,在十四五期间要建设绿色交通,落实“碳达峰、碳中和”的目标和愿景,推进节能减排的工作1。目前,针对隧道照明能耗特征的研究成果报道较少。根据 James Peeling 等2的调查研究,欧洲公路隧道照明系统的能耗巨大,公路山岭隧道照明系统年单位耗电量为 193.2 kWh/m,占隧道总能耗的比例超过 50%。2018 年,郑国平等3调研了浙江省内高速公路隧道的能耗状况,结果显示调查的短隧道以高压钠灯为光源的电耗均值为 1 450 kWh/m,长隧道以高压钠灯和 LED 为光源的电耗均值分别为 466 kWh/m 和 249 kWh/m,特长隧道仅采用 LED光源电耗均值为 188 kWh/m;2020 年,王梦犀4以滇藏新通道怒江六丙公路大峡谷隧道为例,计算了隧道照明的年总耗电量为 241 846 kWh。隧道照明能耗影响因素研究方面,刘易家等5分析了隧道交通量、车速、隧道能见度、隧道内侧壁材料对照明的影响;潘国兵等6总结了目前公路隧道节能照明技术的研究现状,如照明灯具、蓄能反光涂料7、智能化照明控制8-9、洞口减光构筑物10-12等节能技术,并仅研究了单一影响因素。综上分析,隧道照明系统电耗巨大,且不同长度类型的隧道单位能耗差异较大,大部分研究仅提到能耗数据,并无深入分析其能耗特征;有关隧道照明能耗影响因素的分析目前研究仍不全面,只进行定性分析和单一因素的节能技术研究,缺少用实际大数据进行全面分析。为此,本文基于广西运营公路隧道实例的照明能耗数据,定量分析了隧道照明能耗特征,分析隧道照明能耗的诸多影响因素及影响程度,提出有效的改进方向,为后续开展运营公路隧道照明的节能降耗工作提供参考。1 调研隧道照明及能耗状况1.1 隧道基本信息本文数据来源于广西交通投资集团河池高速公路运营有限公司提供的 2019 年2021 年整 3 年所运营隧道的相关能耗数据。本研究中的隧道地处广西西北边陲、云贵高原南麓,是大西南通向沿海港口的重要通道,属于 G78 汕昆高速公路宜州至河池路段(简称宜河路)、河池至百色路段(简称河百路)、G75 兰海高速公路六寨至河池路段(简称六河路)、河池至都安路段(简称河都路)。隧道地处山地、丘陵和各种地表、地下喀斯特发育地区,线路均按高速公路工程技术标准建设,路面为沥青混凝土,全线主线为双向 4 车道高速公路,设计车速均为 80 km/h。线路共设置隧道 87 座,隧道包含左右线,总长度为75 151.58 m。其中按照公路隧道规定,特长隧道1 座(L3 000 m),长隧道 29 座(1 000 mL3 000 m),中隧道 18 座(500 mL0.05,属于相关性边缘显著。隧道长度与隧道照明单位长度耗电量的拟合曲线如图 4 所示。图4 显示,随着隧道长度的增加,单位长度年耗电量呈递减的趋势,但相关程度并不高(R2=0.196 1)。原因是很多隧道建成年代较早,按照旧规范设计而成,2020 年依据新规范重新调整开灯方案,减小了不必要的能耗浪费,故与隧道长度的拟合程度减小。041公 路 交 通 技 术 第 39 卷图 4 隧道长度与单位长度耗电量的拟合曲线Fig.4 Fitting curve of tunnel length and power consumption per unit length3.1.2 洞门类型根据表 1 的实际调研数据,隧道洞门类型主要有端墙式与削竹式 2 种。因实际工程案例受场地、自然环境等制约,难以做到其他因素均一致前提下进行统计分析,为量化洞门类型对能耗的影响,本文只初步统计了端墙式与削竹式 2 种洞门对应的单位长度耗电量,结果如图 5 所示。从图 5 可知,削竹式洞门的单位长度耗电量均值为248.19 kWh/m,端墙式为 295.51 kWh/m,相差 16%。统计数据表明,削竹式洞门节能更显著。这是因为削竹式洞口顶部有利光线进入隧道,能更充分地利用自然光,是一种较为节能的洞口形式。图 5 不同形式洞门的单位长度耗电量情况Fig.5 Power consumption per unit length of different the wall portal3.2 可调控因素3.2.1 交通量交通量虽然为客观因素,但影响隧道内亮度的标准,进而影响照明的调控,可根据实际的交通量进行节能调控,故属于可调控因素。交通量增长会引起隧道照明所需亮度增加,增加照明设备负荷,导致耗电量增加。不同交通量时,单位长度耗电量的统计情况如图 6 所示。由图 6 可知,车流量大的隧道与车流量中的隧道单位耗电量相差不多,均值分别为 305.77 kWh/m 和 307.54 kWh/m,而车流量小的隧道单位耗电量均值为167.87 kWh/m,较车流量大的均值相差 45.1%。该数据的显著性水平 P 值为0.0150.05,属于相关性边缘显著,具有统计意义。(a)单位长度耗电量与照明功率密度统计(b)单位长度耗电量与照明功率密度拟合图 7 照明功率密度与单位长度耗电量的关系Fig.7 Relationship between lighting power density and power consumption per unit length3.2.3 照明控制方式传统的照明控制是根据天气情况对隧道照明系统进行人工控制,这既给现场管理人员带来很大的工作量,又不能按需照明,1 d 中只有少量的时间能达到设计亮度,照明系统没必要一直满负荷运转。而智能控制9是根据时间、天气、洞外亮度、交通量、平均车速等因素综合考虑。根据实际调研,部分隧道利用无极调光技术,部分隧道采用自动为主、人工为辅的分级调控,分别统计 2 种照明控制方法对应的单位耗电量,结果如图8 所示。从图 8 可知,分级调控的单位耗电量均值为306.27 kWh/m,无极调光为167.87 kWh/m,二者能耗相差 45.2%,很明显无极调光的智能控制方式更节能。图 8 不同调控下单位能耗Fig.8 Unit energy consumption under the different controls3.2.4 洞外亮度洞外亮度虽然是客观条件不能人为减少,但可根据客观反映的真实洞外亮度值来进行节能调控,以满足实际运营需求,故也属于可调控因素。洞外亮度并不是一个定值,而是随着季节和时间变化的。对于隧道照明设计而言,洞外亮度是一个关键参数,它决定了隧道的入口段和过渡段照明亮度17。根据实际调研发现,运营单位会按照公路隧道照明设计细则(JTG/T D70/2-012014)13中加强照明调光分级的要求,并依据表 3 中不同季节及天气对应的洞外亮度取值调整开灯方案。为量化分析因洞外亮度 L20取值不同引起的耗电量差异,故采集样本隧道的单位长度月耗电量及月平均洞外亮度数据,其中月平均洞外亮度值是通过收集对应的季节和天气情况,再按照表 3 求得。单位长度月耗电量与平均月洞外亮度的关系如图 9 所示。图 9显示,随着洞外亮度取值的增大,隧道照明耗电量也显著增大,其相关程度 R2=0.539 6,该数据的显著性水平 P 值为 0.0070.05,具有统计意义。3.3 影响因素对能耗的影响程度运用 SPSS 将实测的影响因素数据进行 Pearson相关系数分析,结果如表 4 所示。表 4 结果显示,照明控制方式及洞外亮度对能耗影响较大,其次则是交通量、LPD 等因素。综上分析,按实际情况调整洞外亮度设计值、应用智能照明控制、使用节能光源是节能改造工作首要考虑的。241公 路 交 通 技 术 第 39 卷表 3 不同季节及天气对应的洞外亮度取值Table 3 Values of brightness outside the tunnel corresponding to different seasons and weather季节及天气夏季晴天夏季云天/其他季节晴天夏季阴天/其他季节云天重阴天/其他季节阴天洞外亮度/(cd m-2)L20(S)0.5L20(S)0.25L20(S)0.13L20(S)(a)每月平均洞外亮度与单位长度耗电量统计(b)单位长度耗电量与平均月洞外亮度拟合图 9 单位长度月耗电量与平均月洞外亮度的关系Fig.9 Relationship between monthly power consumption per unit length and average monthly brightness outside the tunnel表 4 单位能耗与影响因素的相关程度对比情况Table 4 Correlation comparision between unit energy consumption and influencing factors影响因素不可调控因素可调控因素隧道长度洞门类型交通量LPD照明控制方式洞外亮度Pearson 相关系数-0.439-0.2630.5370.433-0.7390.7314 结论1)隧道照明全年单位耗电量分布区间为118.30 kWh/m 1 229.10 kWh/m,能耗差异较大,其中短隧道单位耗电量最大,中隧道、长隧道、特长隧道单位耗电量依次减小;新标准的规定,使得短隧道单位耗电量降幅高达 52.1%,表明短隧道的节能潜力较高;夏季能耗较大,冬季能耗较小。2)不可调控因素中,隧道长度与单位耗电量成反比,但相关程度不高;削竹式洞门较端墙式洞门更节能;可调控因素中,隧道内交通量大的其能耗显著高于交通量小的,二者相差45.1%;照明功率密度与单位耗电量成正比;无极调光技术节能45.2%;洞外亮度与单位耗电量有较高正相关性。照明控制方式、洞外亮度取值对能耗影响程度较大。3)本研究仅限广西部分地区,数据资料有限,目前尚存在隧道没有安装独立且分项计量装置的问题,导致多个隧道一起计量无法单独分析,下一步将增加单独计量装置,争取收集更多的能耗数据,开展深层次的影响因素分析。参 考 文 献References1交通运输部.交通运输标准化“十四五”发展规划R.北京:交通运输部,2021.Ministry of Transport.Transportation standardization 14th five year plan development plan R.Beijing:Ministry of transport,2021.2 PEELING J,WAYMAN M,MOCANU I,et al.Energy efficient tunnel solutions J.Transportation Research Procedia,2016,14:1472.3 郑国平,任兆丹,万飞.公路隧道照明系统能耗估算方法研究J.公路,2021,66(6):391-394.ZHENG Guoping,REN Zhaodan,WAN Fei.Study on energy consumption estimation method of highway tunnel lighting systemJ.Highway,2021,66(6):391-394.4 王梦犀.隧道照明工程设计案例与能耗分析J.中国照明电器,2020,418(1):27-30.WANG Mengxi.Design and energy consumption analysis 341 第 3 期 李 明,等:山区公路隧道照明能耗特征及影响因素实例统计分析of a tunnel lighting engineering J.China Light&Lighting,2020,418(1):27-30.5 刘易家,许伦辉,蒋举东.高速公路隧道照明节能影响因素的研究J.自动化与仪表,2018,33(5):93-96.LIU Yijia,XU Lunhui,JIANG Judong.Research on influence factors of highway tunnel lighting energy savingJ.Automation&Instrumentation,2018,33(5):93-96.6 潘国兵,刘圳,李灵爱.公路隧道节能照明研究现状与展望J.照明工程学报,2017,28(1):102-106.PAN Guobing,LIU Zhen,LI Lingai.The present situation and development trends of tunnel lighting equivalent energy saving J.China Illuminating Engineering Journal,2017,28(1):102-106.7 尹力,史玲娜,刘贞毅,等.基于发光反光高性能涂料的隧道照明安全与节能技术应用研究J.隧道建设(中英文),2019,39(S1):327-333.YIN Li,SHI Lingna,LIU Zhenyi,et al.Application of tunnel lighting safety and energy saving technology based on luminescent reflective high performance coatingsJ.Tunnel Construction,2019,39(S1):327-333.8 QIN L,DONG L,XU W,et al.A“vehicle in,light brightens;vehicle out,light darkens”energy-saving control system of highway tunnel lightingJ.Tunnelling and Underground Space Technology,2017,66:147-156.9尹力,史玲娜,刘贞毅,等.低交通量下“与车随行”隧道照明节能控制技术应用研究J.隧道建设(中英文),2019,39(8):1270-1276.YIN Li,SHI Lingna,LIU Zhenyi,et al.Application of energy-saving control technology for tunnel lighting based on Traveling with Vehicle under low traffic volumeJ.Tunnel Construction,2019,39(8):1270-1276.10 李弘博,李广华,李卓,等.山岭隧道洞口遮阳棚及其照明设置方法研究J.公路,2022,67(5):302-306.LI Hongbo,LI Guanghua,LI Zhuo,et al.Research on sunshade and lighting design for mountain tunnel portalJ.Highway,2022,67(5):302-306.11 王伟力,徐承标,刘琦,等.基于自然光的公路隧道生态照明技术研究J.地下空间与工程学报,2017,13(S1):476-480.WANG Weili,XU Chengbiao,LIU Qi,et al.Study on ecological lighting technology of highway tunnel based on natural lightJ.Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2017,13(S1):476-480.12 PEA-GARCA A,LPEZ J C,GRINDLAY A L.Decrease of energy demands of lighting installations in road tunnels based in the forestation of portal surroundings with climbing plants J.Tunnelling and Underground Space Technology,2015,46:111-115.13 招商局重庆交通科研设计院有限公司.公路隧道照明设计细则:JTG/T D70/2-012014S.北京:人民交通出版社股份有限公司,2014.China Merchants Chongqing Communications Technology Research&Design Institute Co.,Ltd.Guidelines for design of lighting of highway tunnel:JTG/T D70/2-012014 S.Beijing:China Communications Press Co.,Ltd.,2014.14 交通部重庆公路科学研究院.公路隧道通风照明设计规范:JTJ 026.11999S.北京:人民交通出版社,2000.Chongqing Highway Science Research Institute of the Ministry of Transport.Specifications for design of ventilation and lighting of highway tunnel:JTJ 026.11999S.Beijing:China Communications Press,2000.15 朱传征.高速公路运营管理节能技术研究D.西安:长安大学,2015.ZHU Chuanzheng.Research on energy saving technologies of highway operations managementD.Xian:Changan University,2015.16 中国建筑科学研究院.城市道路照明设计标准:CJJ 452015S.北京:中国建筑工业出版社,2015.Ministry of Housing and Urban Rural Development of the Peoples Republic of China.Standard for lighting design of urban road:CJJ 452015 S.Beijing:China Construction Industry Press,2015.17 钱登朝,康诚,童孟胜,等.浙东地区公路隧道调光参数影响因素实测分析与调光控制探讨J.隧道建设(中英文),2018,38(4):558-563.QIAN Dengchao,KANG Cheng,TONG Mengsheng,et al.Analysis of various influencing factors on highway tunnel dimming and discussion on dimming control in eastern Zhejiang areaJ.Tunnel Construction,2018,38(4):558-563.441公 路 交 通 技 术 第 39 卷