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關鍵詞:高壓鈉燈;LED燈;隧道照明;節能環保;高速公路 文獻標識碼:A
中圖分類號:U457 文章編號:1009-2374(2017)10-0129-02 DOI:10.13535/ki.11-4406/n.2017.10.064
1 概述
蘭州至郎木寺高速公路(S2)臨夏至合作段(簡稱“臨合高速”)是地方高速省會放射線蘭州至郎木寺(甘川界)高速公路的組成路段,全長98.975公里。全線共設置19座隧道,隧道總長度超過11公里。隧道照明設計內容包括隧道主線照明、隧道引道照明、人行橫洞照明、車行橫洞照明、緊急停車帶照明等。本項目2013年10月份設計圖紙評審完成,2014年12月底竣工通車。
2 隧道照明方案
2.1 高壓鈉燈與LED燈混合方案
按照《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ026.1-1999)的要求設計,隧道照明分入口段、過渡1段、過渡2段,中間段和出口段。
隧道入口段和過渡段加強照明采用400W、250W和150W高壓鈉燈,兩側對稱布設;出口段加強照明采用100W高壓鈉燈,兩側對稱布設;基本照明采用50WLED等,兩側交錯布設,增加隧道的照明均勻度。
2.2 LED燈方案
按照《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ026.1-1999)的要求,考慮當時《公路隧道照明設計細則》很快就要頒布,因此,本項目參考《公路隧道照明設計細則》(總校稿)進行隧道照明設計,隧道照明分入口1段、入口2段、過渡1段、過渡2段、中間段、出口1段和出口2段。有效降低入口段和加強照明段亮度,更加節能。
入口段和過渡段加強照明燈具采用150W、130W、110W及100W的LED燈,并采用黃色光源,出口段加強照明采用50W的LED燈,均兩側對稱布設,并采用黃色光源,黃色光源LED燈,可保證隧道洞口的指示性,同時較白色光源穿透性強,在霧天及雨雪天氣能同高壓鈉燈有同樣效果;基本照明采用50WLED燈,兩側交錯布設,可有效增加隧道的照明均勻度。
從圖1可以看出,采用LED燈照明比高壓鈉燈+LED燈混合照明安裝功率減少42.3%。
3 隧道照明方案比較
3.1 技術比選
高壓鈉燈主要由燈絲、熱繼電器、放電管、玻璃外殼等組成。
高壓鈉燈優點:(1)發光效率高(100~130lm/w);(2)穿透性強、不誘蟲;(3)單燈功率大,可達到kW等級;(4)光源及燈具技術成熟,生產成本低。
高壓鈉燈不足之處:(1)色溫低,發光顏色為金黃色,顯像指數低(20~25);(2)壽命較低,光源壽命為20000h,在電壓不穩波動較大時光源壽命將會極大縮短,燈具折舊費用和維護費用較高;(3)功耗大、電源效率低,采用傳統高壓鈉燈作為隧道照明時,照明系統的運營費用往往不堪重負,同時高功耗導致線路敷設成本高;(4)燈具利用系數低(0.35~0.5);(5)不能頻繁啟動,啟動時需要一定啟動時間;(6)配光性差;(7)燈具含汞等有毒元素。
LED燈主要由燈具外殼、控制電路、源適配器及光源組成。
LED燈屬于半導體器件,是一種固態光源,通過半導體材料中不同載流子之間的交換發光。
LED燈具有如下優點:(1)顯像指數高(75~90);(2)可頻繁啟動,瞬時啟動,無延時;(3)LED光源理論壽命50000h,壽命是高壓鈉燈2.5倍;(4)比高壓鈉燈節電40%以上,線路敷設成本低;(5)無頻閃、寬啟動(在85~260V范圍內均可啟動);(6)不含汞、鉛等有毒物質,比較環保;(7)采用模塊化設計或者整體設計,維護比較方便;(8)防止燈具的橢圓疊加,無光斑產生;(9)燈具利用系數高(0.7~0.85);(10)調光范圍寬(1%~100%無極調節);(11)配光性高,光源指向性好;(12)作為一種新型的綠色照明光源,切合節能環保要求,受到國家大力推薦提倡,前景不可估量。
LED燈目前具有如下不足之處:(1)光電效率(90~120lm/w)較高壓鈉燈低;(2)燈具成本較高壓鈉燈高;(3)LED光源屬于半導體器件,溫度的升高對LED光源壽命產生很大影響,散熱問題制約著LED燈功率不能制作很大,故不建議采用大功率LED燈作為隧道照明;(4)穿透性較差,高速公路入口段和出口段需要考慮隧道照明的穿透性能,良好的照明穿透性能將能在一定程度上保證行車安全及防災疏散效率(本項目加強段采用黃光源LED燈,可有效避免入口段穿透性差的問題);(5)使用在高速公路隧道中仍然需要國家標準規范等層面上的支持。
3.2 經濟性比選
3.2.1 燈具投資估算對比。
由圖2可知,“全LED燈方案”比“高壓鈉燈+LED燈”混合方案在燈具方面投資增加投資1506萬元。
3.2.2 預算對比。預算對比內容包括隧道供電系統、隧道照明系統和隧道電力監控系統等。
由圖3可知“全LED燈方案”比“高壓鈉燈+LED燈”混合方案增加投資1095萬元。
3.2.3 運營費用對比。
由圖4可知,“全LED燈”方案比“高壓鈉燈+LED燈”方案年節省電費為233.3萬元。
3.2.4 周期成本對比。
由上表可知,LED燈壽命為6年,而高壓鈉燈壽命為2年,在6年時間高壓鈉燈需更換2批,高壓鈉燈總造價為1112萬(不含人工及安裝費用)。
3.3 結論
“全LED燈方案”比“高壓鈉燈+LED燈”混合方案在燈具方面增加投資1506萬元,總預算增加投資1095萬元,年減少運營費支出233.3萬元,6年運營費用減少共計1400萬元,周期成本可減少燈具總造價為1112萬,總計6年總共可節約費用1417萬元。
從以上可看出,雖然從工程造價方面LED燈較高壓鈉燈一期投資較大,但從長遠考慮,LED燈較高壓鈉燈無論在運營費用及周期維護成本,還是在長遠總的費用方面都能節約投資。綜合考慮以上因素,臨合高速最終采用全LED燈的方案。
4 結語
高壓鈉燈在隧道照明中有著成熟的應用,LED燈出現后,高速公路領域出現了“高壓鈉燈+LED燈”的過渡方案,這種方案結合了高壓鈉燈和LED的優點。隨著LED燈技術的成熟和建設成本的降低,尤其是低色溫LED燈的成熟,LED燈作為一種新興的綠色節能光源全面取代傳統高壓鈉燈只是時間問題。
參考文獻
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[3] 公路隧道設計規范(DB35/T 1307-2012)[S].
關鍵詞:高速公路隧道;LED;照明節能;隧道照明系統
中圖分類號:U491 文獻標識碼:A 文章編號:1009-2374(2011)15-0035-02
近些年,隨著我國高速公路的迅速發展,大量以橋隧為主的高速公路里程也逐年增加,公路隧道照明系統作為保證車輛安全通行的同時也使得隧道照明運營開支居高不下。近年來,LED以其低能耗高效率的特點,在照明行業正得到廣泛的應用,從顯示器背光照明到景觀照明再到日常照明,覆蓋范圍越來越大。作為光源,LED的優勢體現在三個方面:節能、環保和長壽命。LED不依靠燈絲發熱來發光,能量轉換效率非常高,理論上可以達到白熾燈10%的能耗,相比熒光燈,LED也可以達到50%節能效果。研究如何在基于交通流量、行車速度、可視度、駕駛員視覺特性基礎上,實現對LED燈具合理的智能照明無級控制,這對提高隧道照明質量,降低能耗與隧道運營成本,營造安全舒適的隧道行車環境,具有重要的意義。
一、工程概況
金麗溫高速公路金華段隧道群共有6個隧道,分別是:水坑隧道(長度為405m)、黃埔坑隧道(長度為157m)、黃塢壟隧道(長度為565m)、黃家壟隧道(長度為360m)、焦巖隧道(長度為470m)、白陽山隧道(長度為477m)。隧道單洞:凈寬10.75m,限界凈高5m;設計車速:80km/h(即按100m停車視距標準設計)。
根據《公路隧道設計規范》和招標文件要求,本次改造工程按隧道內行車速度80公里/小時對水坑隧道、黃塢壟隧道、黃家壟隧道、焦巖隧道、白陽山隧道等5個隧道的基本段中排照明燈設施進行設計、購置、安裝、測試、開通、保修、培訓、提供資料等服務。
二、隧道照明系統技術指標
本次照明改造系統為三級負荷,采用《公路隧道設計規范》(JTJ026-90)設計,照明標準應符合隧道通行能力B級――80公里/小時車速,主要設備采用最新頒布的國際通用標準、中國國家標準或能代表最新先進水平的標準進行設計生產。
(一)分級照明
隧道照明分段為:入口段、適應段、過渡段、基本段、出口段,使入口區亮度逐級降低到基本段的亮度要求,同樣,為使司機的眼睛盡快適應光線由弱變強,出口段也設有加強照明。本次照明改造工程為中間段(也稱基本段)照明改造,因此,沒有基本段的隧道就不需要改造,如黃埔坑隧道(長度為157米)。
(二)照明控制
新加裝的LED燈組成一個回路,由加裝在夜間照明箱內的控制回路進行控制亮燈,并且與箱內的PLC控制器進行連接,達到遠程控制的目的。原有中排高壓鈉燈(僅限基本段)組成一個回路,通過加裝開關箱進行手動開關的第二級控制,達到是否接通回路的目的,而是否亮燈,則由原來的白天/夜間照明控制回路進行控制。
(三)照明配光
原設計洞內燈具采用250W、150W二種,根據隧道長度不同采用三排、單排布燈方式。隧道照明系統的配光以隧道參數和光學數據為依據,已滿足下列指標:入口段白天照明平均亮度:80cd/O;適應段白天照明平均亮度:50cd/O;過渡段白天照明平均亮度:10cd/O;基本段白天照明平均亮度:4.5cd/O;夜間照明平均亮度:4.5cd/O;我們本次改造的LED中排燈的平均亮度應大于4.5cd/O。
(四)主要設備、材料選型
1.LED燈。LED燈具是本次改造項目的重要設施,根據圖紙及招標文件規定的技術指標、性能要求,我們選用上海三思研發的一款以高亮度LED為光源的照明燈。該產品具有亮度高、照度分布好、節能環保、防水防塵、外觀時尚等特點,可廣泛應用于各種隧道、收費站、加油站、廠房、賣場、倉庫、停車場、廣場的照明。
2.配電箱改造:斷路器采用梅蘭日蘭的小型斷路器,接觸器和繼電器采用施耐德產品,配電箱內電線由杭州中策公司生產,這樣就可以保證照明控制系統運行的安全、可靠。將照明控制系統接入原配電箱PLC控制系統,通過技術升級,可以實現隧道照明的自動化管理。隧道照明控制的自動化管理的前提是:利用成熟可靠的計算機、通訊網絡和自動控制技術,才能實現全線照明回路的控制,達到提高高速公路的生產管理自動化水平,減輕高速公路管理人員的勞動強度,降低維護成本,實現系統的先進性目的。開關箱:采用(下轉87頁上接34頁)金華市一開電氣成套設備廠,該箱由于只起第二級的回路關斷作用,因此,箱內只設梅蘭日蘭的小型斷路器。
三、高速公路隧道照明的節能優化設計
(一)改進分時間隔照明控制模式
一般的隧道照明供電控制模式是按照白天和夜間兩級模式予以供電控制,而這種控制模式存在嚴重的電能浪費現象。我們可以根據工程的實際情況予以討論,建立更為科學合理的多級照明控制方式,比如說可以采用白天、傍晚、夜間的三級控制模式,分別采用1、1/2、1/3的照明方式,既滿足不同時段交通量的使用要求又達到節電的效果,從而降低公路隧道的運營成本。
(二)在隧道照明的設計規劃中應該考慮節能問題
在隧道照明系統的設計中,通常入口段和出口段燈具的密度和照度最大,中間段最小,而中間段燈具布設長度一般最大,其他各段燈具的布設長度根據隧道實際長度和實際要求的不同而有所不同,根據《公路隧道通風照明設計規范》的設計要求,隧道照明的設計應考慮車流量、車速和內外亮度三個因素。比如入口段照明通常由基本照明和加強照明兩部分組成,前者的燈具布置同中間段照明相似,后者的加強照明采用功率較大的燈具。由于洞外日光的投射進去,可利用作為入口段加強照明的部分,參照設計規范,可將離洞口1Om以內的加強照明燈具予以省略。按照規范要求,隧道長度超過1O0m就要設置照明設施,當隧道里安裝照明燈具時,如按照全年最大照度設計,單從洞外亮度這一指標分析,只要天氣不是晴天,洞內亮度就是多余的,長時間勢必造成電能的極大浪費。所以要把隧道內各段照明的長度和照度設計成能夠根據實際要求(如洞外亮度)不斷調整變化,動態地實現對各段燈具照明的自動控制,才能從根本上杜絕隧道照明能源的浪費,并提高行車安全系數。
(三)檢查隧道配電設施,保障電路暢通,提高電能的利用率
一個完整的隧道機電系統對確保隧道良好的通行環境,及早發現隧道內事故及災害,提高隧道的運營管理水平,確保交通舒適與行車安全具有重要的作用。隨著新建的高速公路隧道配置的設備系統功能更加完善,運行更加穩定,高速公路隧道機電系統的構成應滿足操作簡單、經濟實用、先進可靠、可擴展、易維護的原則,要提高隧道運營自動化、信息化、網絡化水平,使隧道管理人員能夠及時、準確、全面地了解隧道及機電設備的運行情況,以便更加科學、合理、有效地進行隧道運營管理服務。
四、結語
總之,通過金麗溫高速公路金華段隧道群各照明區段的照明亮度要求對照明光源的選擇和控制系統開展研究,使用LED燈為國家高速公路隧道照明節能提供了切實可行的技術與控制手段,使用LED進行高速公路隧道照明時顯著的節能效益,達到節約了電力能源,降低了運營成本的目的,希望能夠為類似工程提供借鑒。
參考文獻
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【關鍵詞】隧道;照明;節能;優化
重慶三環高速公路永川至江津段黃瓜山特長公路隧道目前已施工完成。按照交通運輸部(2012)交政法發419號文件[1]通知要求,在隧道工程中推廣采用智能通風照明控制技術,開展隧道綠色照明工程和根據相關任務組織實施節能減排科技專項行動,促進交通運輸節能減排科技研發、成果轉化和標準化工作,加快推進交通運輸節能減排能力建設項目研究的精神。本文以黃瓜山隧道照明系統節能作為探討對象,參照國內先進經驗及已投入運營的陜西秦嶺小黃川隧道、貴州黃果樹隧道照明系統施工經驗,作出一些探討。
本文主要從洞外亮度優化、先進節能燈具選擇和隧道照明系統的智能控制等3個方面闡述隧道照明系統的節能優化。
1 洞外亮度設計優化
1.1 隧道洞口亮度值L20的優化
現行《公路隧道通風照明設計規范》[2]照明設計計算中的一個重要參數是L20(S),即洞外亮度。洞口段加強照明是隧道照明最重要的部分。在1000m以下的中短隧道,加強照明的功率約占整個隧道照明功率的60%~80%,在3000m以上的特長隧道中也要占到30%以上。其取值范圍在規范上相差很大,一般設計時取值都偏于保守,導致入口段、過渡段亮度指標偏高,要達到預期亮度指標則需要加密燈具,增大燈具功率,人為地增加L20(S)值,造成能源的浪費。因此,可采用各種技術手段將洞外亮度盡可能降低,以此來降低亮度指標達到節能的目的。比較可行的做法有以下幾種:
根據JTJ 0261―1999《公路隧道通風照明設計規范》,加強照明平均亮度需求值主要取決于洞外亮度L20,其計算式如下。
入口段平均亮度:Lth=K×L20 (S)(K表示入口折減系數);
過渡段1平均亮度:Ltr1=0.3× K×L20(S);
過渡段2平均亮度:Ltr2=0.1× K×L20(S);
過渡段3平均亮度:Ltr3=0.035× K×L20(S)。
設計階段,隧道洞外亮度L20往往無法實測,目前普遍做法是查表取得,取值范圍為4000~5000cd/m2。對重慶、貴州、陜西、云南、福建等省市多條高速公路隧道照明設計參數進行了了解,其結果表明,一般情況下該取值可有所降低,其中端墻式洞口可取值為3500~4000cd/m2,削竹式洞口亮度可取值為3000~3500cd/m2。黃瓜山隧道采用削竹式洞門設計方式,洞口亮度實際取值約3100 cd/m2,優化后的照明設施和運營費用比原設計節約15%~20%。
1.2 洞外過度段減光優化
根據黃瓜山隧道口的地形條件,設計采用遮光棚作為減光結構物,遮光棚的立柱尺寸盡量小,以減小光反射,在立柱間可搭配個體較大的綠化樹木,在減光的同時增加行車舒適度,并可在一定程度上降低噪音和吸附灰塵。遮光棚上部結構可根據情況選擇不同型式,如選用混凝土預制橫梁或造型,減光作用好,養護簡單、方便;但其體積較大,自重大,會給正常行駛帶來壓抑感,同時影響下部尺寸,其次,橫梁或造型間有空隙,雨雪天會造成路面濕滑,有行車隱患,行車速度低的時候,頻閃效應明顯。更好的選擇方案是采用特種玻璃鋼等透光材質進行上部覆蓋,優點是,第一、其透光性在減光的同時不會給路面留下陰影,基本消除頻閃效應;第二、雨雪天可保持路面不受影響,保證行車安全性,但缺點是造價較高,養護較為復雜,如圖1、圖2所示。
圖1城市隧道遮光棚示意 圖2未進行上部覆蓋施工的遮光棚示意
洞口挖方邊坡根據坡率盡量選擇個體較大的植被品種,可顯著提高減光效率,碎落臺選用低矮灌木可有效降低噪音并有吸附灰塵的作用,如圖3所示。路基填方段可采取增加遮陰綠化樹木達到減光的效果。
圖3 挖方邊坡低矮灌木綠化示意
1.3 洞門結構形式選擇
洞門盡量采用削竹式或環框式洞門形式,貼近自然,且自身反射率低。當洞口朝向光線異常強烈時,可采用棚洞式洞門型式進行減光處理,如圖4所示。
圖4 棚洞式洞門型式進行減光處理效果
若確實需采用端墻式洞門,則需對墻面做吸光處理或種植藤本植物,附著在洞門墻表面,如圖5所示。
圖5 端墻式洞門藤本植物吸光效果
黃瓜山隧道洞門為削竹式設計,在結構上即保證了洞門附近的邊坡和仰坡的穩定,同時在景觀上又起到了修飾周圍景觀的作用,還有效地降低了強光反射對人眼的刺激,真正做到了洞門與周圍生態環境有機結合。黃瓜山隧道洞門如圖6所示。
2 燈具選擇和布設
隧道洞內的照明設計需重點考慮以下幾個方面:路面亮度、路面亮度均勻度、頻閃效應等,現有常規燈具及布設型式(兩側對稱布置或非對稱布置)均能滿足路面亮度要求,但亮度均勻度較差,頻閃效應很強。
路面亮度均勻度差會導致路面連續、反復的出現亮帶和暗帶,使駕駛員產生視覺疲勞,如果再出現個別位置的亮度差異過大則會造成視覺錯誤進而引發危險。選擇燈具時,黃瓜山隧道在設計上采用了擴散角度較大的高壓鈉燈,同等燈具布設條件下,擴散角度大的燈具會使路面具有更強的均勻性;同時為了提高照明燈具的照明效率,布置燈具時從設計上提高了燈具的安裝高度。比如加強照明段和基本照明段,設計采用拱頂側偏布置方式,將燈具位置向隧道中線靠近,盡量使燈具表面與路面平行,此做法可有效增加路面亮度均勻度并提高亮度利用率,從而加大布燈間距,減少燈具布設數量而節約能源,如圖7、圖8所示。
圖7 現有燈具布置方式 圖8 優化后燈具布置方式
頻閃效應主要指隧道燈具排列的不連續性使駕駛員受到不斷的明暗反復刺激產生的視覺不適,會帶來同路面均勻度差一樣的嚴重后果。人眼的頻閃不適影響為2.5~15Hz,以重慶地區隧道限速60km/h為例,若要消除頻閃的不良影響,布燈間距應小于5m或大于46m。由此可見,隧道進、出口段及過渡段均容易滿足此要求,但目前隧道基本照明段的布燈方式難以滿足此要求,布燈間距小則其經濟性差,而布燈間距大則亮度無法滿足亮度要求。因此,黃瓜山隧道在設計上為了減低頻閃效應采用了與提高路面亮度均勻度相同的布燈方式(拱頂側偏布置),同時將燈具設計為高效能的LED燈具,以此來最大限度地解決亮度要求與頻閃效應的矛盾。
考慮節能要求在燈具具體選擇時,應盡量選擇高效、節能的燈具,如LED燈、無極燈等。目前,這2種燈具的技術都已成熟,成本也較早期便宜很多,經濟效益明顯,尤其LED燈的節能和高效更為明顯,加之近期廠方供貨價格降低明顯,應盡可能考慮采用。
3 隧道照明控制優化
隧道照明系統除了以上措施外,為了提高整個系統的智能控制程度,黃瓜山隧道擬采用隧道照明節能控制系統。
3.1 隧道照明分級
隧道照明按白天晴天、云天、陰天、重陰天、夜間及深夜6級控制進行分類定義,由不同的照明配線回路和照明監控實現。隧道出入口加強照明段用于加強照明的400W、250W和100W高壓鈉燈白天全部開啟,云天間隔減半,陰天再間隔減半,重陰天只開啟入口段少量燈具(含應急照明,采用LED調光控制),火災時開啟所有照明燈具;緊急停車帶照明和應急照明燈具常開;橫通道燈具常閉;洞外路燈在夜間及深夜全開,其余時間全閉。
3.2 隧道照明節能裝置
在照明系統設計上增加節能控制裝置,這種方案較為經濟和實用。目前國內銷售的照明節能設備很多,其中智能照明調控節能裝置所占比例較高。
智能照明調控節能裝置采用RISC指令集的高速微處理器對各種信號進行自適應運算,動態調整電壓、電流,進而形成對電能質量的有效控制和補償。根據照明調控系統的反饋電壓和電流動態調整輸出,達到啟動、軟過渡、穩壓、節能的目的。其優點有優化電力質量、有效保護電光源、延長使用壽命、智能照明調控、適應性好、可靠性高、配置靈活等。
隧道照明節能控制系統通過預設的控制級別,采集洞口內外安裝的光強度檢測器檢測到的洞內外的光強數據、交通量的變化以及白天、黑夜等情況,控制隧道的照明系統,調節隧道洞內各段的照明亮度,保證行車安全,并且在滿足照明要求的情況下盡可能地達到節能運行,同時對洞內照明以及照明控制設備的狀況進行監視。
4 結語
本文通過從洞外亮度優化、先進節能燈具選擇和隧道照明系統的智能控制等3個方面闡述隧道照明系統的節能優化,在助推交通系統節能減排系統的同時,產生節電效益,在一定程度上減少了后期隧道運營成本,應用前景和經濟、社會價值明顯。由于科學地節能設計、優化了燈具使用的方案、應用新的節能燈具,如LED燈和智能照明節電裝置等一系列措施,將使得黃瓜山隧道的照明系統產生了明顯的節電效益,預計高速公路開通運行時實際的節能率在20%以上,將給隧道運營方帶來很大的經濟效益。
參考文獻:
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隧道機電工程里面的照明工程就是為了提供足夠的光照度供人民在隧道中通行,這里里面的入口光線設計、過渡段光線設計、基本段和出口段光線設計都要考慮安全因素。入口段光線設計:對光線明顯變化,人的眼睛需要一定的調整時間。如果隧道入口光線設計不合理,駕駛員在入隧道后會因為人眼需要對光線變化適應期而產生短暫的“失明”而造成交通事故。過渡段光線設計的目的為了讓駕駛員適應隧道這個駕駛環境,所以這一段路程的照明應該是漸變的,就是將入口段的較強照明逐漸下降到基本段的強度。因為人眼對光照變化的適應有一定極限范圍,如光亮變化大于1:3,人眼就很難沒察覺的適應。過渡段應該以基本段照明強度三倍為上限?;径喂饩€設計:一般基本段是整個公路隧道中最長的部分,這里面的光線好壞直接影響駕駛員在隧道駕駛安全問題。其光線的設計基本按照隧道的長短和人類對光線的舒適程度來確定。出口光線設計的目的和入口段一樣,防止出現因亮度差異,減少駕駛員對光照的適應時間。我們本著安全考慮,規范這四個方面的設計,專門起草了《公路隧道照明設計規范》。整體上來說取得的效果是良好的。但是也有不少情況存在。主要情況如下:應該設置光照的隧道沒有設計光照,《公路隧道照明設計規范》規定在100m以上的隧道都設計照明,為了降低成本有些500米左右的隧道都沒有照明設施。有些隧道有了光照設計,為了運行成本考慮,不開啟或者不全部開啟。我們隧道照明設計中明確規定照明控制應根據季節和光照等六種情況進行控制,但是,從設計開始時,就沒有嚴格的數據庫支持這個控制方案,設計過程也基本沒有很成熟的辦法來實現這個要求,在驗收光照設計時,也基本不能全部驗證這方面的設計。根據上面情況,我們應該更加監督《公路隧道照明設計規范》的落地情況。季節和光照的問題,我們更應該從建立數據庫、設計更加科學、實用的控制系統來實現這個有關安全的設計要求。技術上,應該提倡充分利用減光措施和設置合理的交通誘導標志來完善隧道照明設計,應該鼓勵使用節能燈具。
2通風設計的總結
公路隧道是一個相對封閉的空間,自然空氣流通不暢,尤其是一些比較長的隧道。公路隧道的里面的空氣質量很差,有害氣體主要來源于汽車排出一氧化碳、氮氧化合物、碳氫化合物、醛類、有機化合物等汽車尾氣,其中威脅最大就是一氧化碳氣體。再者汽車行駛過程中產生的灰塵也是造成空氣質量差原因之一。揚塵還能降低隧道內可見度影響隧道交通環境。隧道通風設計就是引進大量新鮮空氣,排出一定量汽車產生的廢氣,這樣的做法可以稀釋空氣有害物質的含量,提高可見度,從而保證人體健康和車輛行駛安全。同時,通風還是預防和撲救火災的一項有效設計。我國現有通風設計主要縱向通風、橫向通風、和半橫向流出通風這三種形式。比較三種通風方式,各有利弊。選擇隧道通風方式主要考慮隧道長度和最大設計交通流量這兩個因素。確定通風方式后,配齊相應數量的風機。機電工程設計中,還需要確定不同交通條件下的通風控制模型。我國《公路隧道設計規范》中規定了一氧化碳、可見度、風速等數據,機電工程設計安裝氧化碳(CO)、能見度(VI)和風速儀(TW)等檢測儀器自動采集數據,通過通風控制計算機運算來調控通風大小。近幾年,我國隧道設計中通風設計技術得到國內外專家的認可,例如絡云山隧在通風設計上就大膽創新,取得良好的經濟和功能效益。不過,為了降低工程成本,選用的模式沒有問題,可是依據的基礎數據往往比較小,也就是沒考慮極端情況。這是通風設計中的安全隱患。這樣就要求通風設計參照更加真實的數據,設計量要加上一定量的安全系數。
3消防設計的總結
公路隧道中的特殊空間和運行條件決定消防設計的重要性。公路隧道這個相對封閉的空間和大量機動車輛的運動都容易造成火災和火災發生后損失比較大現在消防設計中主要有化水消防和化學消防以及報警、監控和控制系統。消防系統中機電工程主要從監控隧道環境和報警設計為主,比如,測定隧道中空氣的可燃氣體的濃度來起到預警的作用;通過設計手動和自動火災報警按鈕來達到出現火災時能第一時間確定發生火災的位置或者區域的作用,并在火災剛開始時,啟動水消防。對火災情況實時監控的設計可以讓監督人員隨時根據火災情況做出科學、合理的疏散方案。機電工程中這些設計對處理火災起到很好的作用,是隧道消防系統中重要的一部分。近幾年,我過越來越重視這方面的設計,取得很好的效果。不過也存在一些問題:機電設計工程中預防設計還不是太科學和實用,這方面需要采用更加先進的技術來實現;機電工程中有這方面的設計,可是設計時考慮的情況比較單一,不能完全滿足復雜的情況變化。這需要我們設計時要基于比較嚴重的來設計。
4總結
關鍵詞:照度 亮度 隧道基本段 入口段 過渡段
中圖分類號:U45文獻標識碼: A
1 前言及背景
越來越多的城市交通隧道開始出現,特別是城市中將現有車流量大的路口改建為下穿式的短交通隧道開始大量出現。這些跨線式交通隧道長度普遍較短,大部分的隧道下穿部分長度多在200米以內,加上兩側引道全長也不過4、5百米。
雖然城市內的這種交通隧道長度很短,但大多數隧道下穿段的長度還是超過100米,根據《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ026.1-1999),超過100米的公路隧道應設置隧道照明;另外,城市交通隧道因為位于城市內及周邊,一般車流、人流量都比較大,也很有必要設置隧道照明。
本文所介紹的成都雙流環港路東段下穿隧道就屬于這種情況。隧道總長430m,南北走向,共分衡重式路基擋墻段、U 型擋墻段及明挖框架隧道段三種結構形式。其中下穿段長121m,北側引道總長151m,南側引道總長158m。隧道下穿段機動車道內凈高5.5m,凈寬13.45m,非機動車道最小內凈高3.0m,人行道最小內凈高2.85m,非機動車道+人行道凈寬5.45m。本文主要介紹該隧道下穿段的照明設計。
2 照度確定
由于現在還沒有專門針對城市交通隧道照明的相關規范,因此現在有關公路隧道照明的設計規范仍然采用《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ026.1-1999)。
隧道照明和道路照明的不同之處在于,道路照明主要在夜晚及環境光線不足時提供對路面的照明;而隧道照明除了在夜晚提供照明外,其主要的功能是在白天提供隧道內的加強照明,用以抵消機動車駛入黑暗的隧道內時,人的眼睛因為無法適應環境亮度快速變化產生的類似短時間喪失視覺的“黑洞”效應而發生危險。因此洞外亮度越高,洞內就需要越高的加強照明以消除這種現象帶來的危險。
根據相關設計資料,本工程隧道設計時速為60km/h,機動車道單向3車道,雙向共6車道,另外兩側各有一條非機動車、人行混行道。
2 .1中間段亮度
本工程設計時速60km/h,每側三車道單向通行。但根據JTJ026.1-1999表4.2.1,表中沒有三車道相關隧道的數據,因此本工程按該表中設計時速60km/h的最高亮度值確定中間段亮度標準為2.5 cd/m²,但由于本工程為城市交通隧道,車流量較普通公路隧道大,且可能出現車輛因為交通擁堵而阻塞在隧道內的情況。經過分析、考慮,本次設計適當提高基本照度標準至4 cd/m²。隧道內路面亮度總均勻度不小于0.4,路面中線亮度縱向均勻度不小于0.6。以下設計時當規范中相關表格內沒有相對應的三車道隧道數據時均按60km/h設計時速時設計標準的最高值選取。
2 .2入口段亮度
由于缺乏洞外亮度實測資料,根據JTJ026.1-1999表4.3.2-1,由于本工程隧道長度較短,為方便計算,南北洞口洞外亮度均按高值取L20=4000cd/m²;根據表4.3.1,入口段亮度折減系數k=0.022,入口段亮度Lth=k•L20=4000 cd/m²•0.022=88 cd/m²。
本工程路面為瀝青路面,根據JTJ026.1-1999 4.1.5,本工程平均亮度與平均照度的折算關系取18lx/ cd•mˉ²
因此,入口段亮度Lth= 88 cd/m²=1584lx。
2 .3過渡段亮度
根據JTJ026.1-1999 4.4,過渡段分為TR1,TR2,TR3三個照明段,各段所需亮度如下:
TR1=Ltr1=0.3Lth=26.4 cd/m²=475lx;
TR2=Ltr2=0.1Lth=8.8 cd/m²=158lx;
TR3=Ltr3=0.035Lth=3.1 cd/m²=565lx;
2 .4出口段亮度
在隧道出口,為了避免因為車輛從較暗的隧道突然進入到亮度很高的外界環境中而致使人的視覺難以在短時間內適應而產生“白洞”現象發生危險;因此需要對隧道出口段的照明進行加強,以幫助司機眼鏡提前適應洞外環境。
規范中規定,在單向交通隧道中,出口段亮度應取中間段亮度的5倍,本工程中,出口段亮度值取5Lin=12.5cd/m²=225lx。
3 各段照明長度計算
3.1入口段長度
本工程機動車道北側入口段引道縱坡坡度較大,達到4.286%;機動車道南側引道縱坡為3.205%,為方便計算,南北側隧道入口段長度計算均按4%縱坡來進行。
根據JTJ026.1-1999表4.3.2-2照明停車視距Ds表,在設計時速60km/h的車速下,照明停車視距Ds=62m,入口段長度根據式4.3.3:
Dth=1.154Ds-(h-1.5)/tan10°
式中Dth――入口段長度(m);
Ds――照明停車視距(m);
h――洞內凈空高度(m);
將本工程數據代入得:
Dth=1.154•62-(5-1.5)/tan10°=51.7m
3.2過渡段、出口長度
根據JTJ026.1-1999表4.4.2,過渡段各段長度取值為:
Dtr1=44m,Dtr2=67m,Dtr3=100m;
出口段長度為60m。
4各照明段長度確定
根據相關規范計算出各段長度后發現,僅入口段和過渡段1的總長就超過100米了,而本工程隧道下穿部分總長近121米,沒有足夠的長度完整的布置規范要求的各段照明。因此,根據本工程實際情況,同時結合計算數據,計劃將本工程隧道下穿部分照明分為入口段及出口段兩部分。
入口段的照明按照規范要求進行設置,亮度及照度取值Lth= 88 cd/m²=1584lx。入口段長度定為50m左右;入口段加強照明從距離下穿隧道洞口10米左右開始布置。
出口段的照明兼顧過渡段1和出口段照明,因此本工程出口段照度取值按過渡段1的照度值TR1=Ltr1=0.3Lth=26.4 cd/m²=475lx,出口段從入口段加強照明結束處開始布置,一直延伸至隧道出口。
5燈具布置
根據JTJ026.1-1999中給出的利用系數法照度計算公式
Eav=η•Φ•M•N/(W•S) (4.11.2-4)
式中,N―燈具布置系數;
Φ―燈具額定光通量;
η―燈具利用系數;
M―燈具維護系數;
W―隧道路面寬度(m)
S―燈具間距(m)
機動車道隧道照明燈具計劃采用隧道專用高壓鈉燈,人行、非機動車道的燈具采用防水防塵熒光燈。高壓鈉燈隧道燈和防水防塵節能型熒光燈均吸頂安裝于隧道頂部裝飾板下。經查閱相關資料、樣本各種功率高壓鈉燈隧道燈及熒光燈通量的額定光通量為:
Φ(400W)=48000lm 高壓鈉燈
Φ(250W)=28000lm 高壓鈉燈
Φ(150W)=15000lm 高壓鈉燈
Φ(100W)=9000lm高壓鈉燈
Φ(36W)=3000lm T8熒光燈
由于本工程機動車道較寬,單側隧道就有三條車道,為了使隧道內的照度盡量均勻,隧道燈具計劃縱向布置三列,燈具布置系數N=3;維護系數M=0.7;燈具利用系數經查相關資料取η=0.6。
隧道基本照明除入口段外采用100W高壓鈉燈隧道燈,間隔10m布置。
Eav(基本)=η•Φ•M•N/(W•S) =0.6×9000×0.7×3/(13.45×10) =84.3lx=4.68 cd/m²≥4 cd/m²,滿足基本段照明照度要求。
隧道入口段加強照明計劃采用400W高壓鈉燈,間隔2.5米布置;
Eav(入口)= Eav =0.6×48000×0.7×3/(13.45×2.5) =1799lx=100 cd/m²≥88 cd/m²,滿足入口段加強照明照度要求。
隧道出口段加強照明計劃采用400W高壓鈉燈,在每組10米間隔的基本照明100W高壓鈉燈中布置1組,各組燈具間隔為5米。
Eav(出口)= Eav(基本)+ Eav(出口加強)=η•Φ•M•N/(W•S) =0.6×48000×0.7×3/(13.45×10) +0.6×9000×0.7×3/(13.45×10) =449.7lx+84.3lx=534lx=29 cd/m²≥26.4cd/m²,滿足出口段加強照明照度要求。
隧道內基本照明燈具間隔10米通長布置,其中入口段基本照明燈具使用每10米間隔的一組400W燈具,其余區段的基本照明燈具全部為100W。
人行、非機動車混行道燈具采用36W T8節能型防水防塵熒光燈每間隔10米布置一組燈具,每組燈具2盞。
Eav(人行)=η•Φ•M•N/(W•S) =0.6×3000×0.7×2/(5.45×10) =46.2lx=2.6 cd/m²≥2.5 cd/m²,滿足人行、非機動車道照明照度要求。
高壓鈉燈隧道燈及防水防塵熒光燈的防護等級均要求達到IP65;照明配電系統采用TN-S接地系統,燈具外殼均要求與PE線可靠連接。
6應急照明及疏散指示
根據《建筑設計防火規范》(GB50016-2006)12.5.3:隧道應設置消防應急照明燈具和疏散指示標志,其高度不宜大于1.5m。
根據計算,在隧道機動車道兩側和人行、非機動車道靠近人行道一側的墻壁上每隔10米間隔設置一盞23W應急照明壁燈和一盞8W疏散指示燈。應急照明壁燈和疏散指示燈均采用自帶蓄電池型,要應急工作時間不小于90分鐘。應急照明壁燈能在斷電后自動點亮;疏散指示保持常亮。應急照明燈具和疏散指示燈具的設置高度均為距離隧道地面1.5米。
7照明控制
隧道照明主要分為基本照明和加強照明兩部分,其中基本照明為24小時工作,為隧道夜間及白天提供最基本的照明;而加強照明僅在白天工作,為防止機動車駕駛員進出隧道時視覺出現“黑洞”和“白洞”現象而發生危險。
基于以上用途,隧道基本照明不設控制回路,保持常亮,僅在檢修及故障時斷開電源。
8結語
盡管此類城市交通隧道長度較短,但由于隧道照明涉及行車安全及人身安全,其設計一樣不能馬虎。由于較短的隧道長度,在根據規范設計各段照明時就需要靈活處理,需要根據具體工程情況具體分析,按規范合理確定和布置各段照明的照度及長度等。
參考文獻:
關鍵詞:水電站庫區 公路隧道 合同能源管理
中圖分類號:TQ153.16 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2015)06(c)-0152-02
1 合同能源管理的概念及特點
1.1 合同能源管理的概念
合同能源管理就是由專業的節能服務公司和用能單位簽訂合同進行節能服務的約定,以此來幫助用能單位進行節能改造。合同的制定基于用能診斷、工程設計、資金籌措、設備采購、施工安裝、調試和驗收、員工培訓和維護保養等方面。節能服務應該按照合同的約定進行設計,采用合同能源管理模式為用能單位進行節能改造設計。節能服務公司在項目實施之前用合同的形式將目標和服務的內容進行約定,項目實施后用取得的節能效益回收投資,以取得合理的利潤。
合同能源管理是一種通過非行政手段的方式來解決高能耗問題的機制。雖然政府確定了一些節能減排的項目,但是很難推動用能單位自主進行節能改造。利用合同能源管理方式,用能單位可以零投入進行節能改造,還可以減少投入的風險,在實現盈利的同時達到節能減排的目的。同時節能服務公司也能夠通過對能源的有效節約而獲得一定的經濟效益。因此,合同能源管理模式是一種雙贏的機制。
1.2 合同能源管理模式的特點
(1)在進行合同能源管理中,節能項目審計、方案設計、融資和設備采購、施工測量以及運營維護和認證等都由節能服務公司統一負責,用能單位只需參與配合。
(2)采用合同能源管理模式,節能服務公司需對用能單位培訓,以確保在合同期結束后,公路隧道用能單位也能夠自己管理節能設備,確保節能效果。如果節能服務公司達不到合同中規定的要求,則在項目過程中造成的損失由節能公司承擔。節能服務公司在和用能單位簽訂節能服務合同時,在合同中約定好節能改造效果,將節能改造前后對比,其所消耗的能源的總量有預期的下降。
(3)用能單位不用提供節能改造資金,節能改造的前期資金投入由節能服務公司來負責,有效降低了節能改造投入及風險。資金的來源一般有以下三個方面:通過租賃節能改造過程中需投入的設備;節能服務公司對該項目進行融資;節能服務公司自己對該項目投入。
2 合同能源管理的模式及特點
2.1 節能效益分享型
節能效益分享型的模式就是節能服務公司通過提供資金的方式對項目進行節能改造,用能單位和節能服務公司共同享受節能的效益。
節能效益分享型的特點有以下幾個方面。
用能單位以及節能服務公司的節能收益通過合同約定進行分配。合同期限以及分配方案經雙方協商一致后確定,節能收益的分享比例分為固定式和不固定式兩種。為了能夠盡快的收回成本,節能服務公司一般都會在節能改造完成的最早的幾年內,收取收益的比例較高,然后隨著成本的不斷收回逐漸的下調收回比例。如項目的節能改造完成投入運營后,收益分享的期限為十年,則前五年內,公路隧道用能單位和節能服務公司的收益比例分別為30%和70%,第六年到第八年內,分享比例分別為50%,最后兩年內用能單位和節能公司的分享比例為70%和30%。合同期滿之后,所有的節能設施和設備都將無條件的交付給公路隧道用能單位。
這種模式受能源價格影響比較大。只有能源價格保持不變或者價格上漲,才能保證項目的收益,才能確保總體的節能目標實現。
2.2 節能量保證型
在進行合同能源管理的過程中應向用能單位承諾節能指標,以此保證項目在后期運營中的收益,如果節能公司無法達到節能效益就進行一定的賠償。同時用能單位也應在公路隧道驗收合格后將所有的工程款立刻支付給節能公司。如果后期的節能效益沒有達到節能公司在合同中的約定,節能公司應退回公路隧道用能單位的收益差額。
這個模式的特點是由用能單位負責全部的融資工作,節能公司只是做技術上的改造。該模式能否開展,除節能技術本身外,還受用能單位的資金、開展節能改造的積極性等因素的影響。其次,由于這種模式缺少節能監督機構以及保險機構,難以有效測定節能效果以及減少或轉移合同能源管理項目風險的能力。
2.3 能源費用托管型
這個模式是指用能單位的能源費用都交給節能服務公司來進行管理,如果滿足相應的規范以及使用功能,節能服務公司的改造和節約效益就都歸節能公司所有。
如該水電站庫區公路隧道每年用電賬單為1 000萬元,該水電站庫區公路隧道以5年4 000萬元費用支付給節能公司,由節能公司代為繳納電費。節能公司通過節能改造和管理,花去成本600萬元,節電率達到40%,因此只用花用3 000萬元即夠繳電費,利潤為400萬元,利潤率為10%。而用能單位在五年中可節約1 000萬元。
這種模式能夠有效的避免用能單位在節能效率上的分歧,但是此模式對節能公司的要求較高。節能公司要對用能單位提供節能改造的設計、設備以及材料的采購、融資和能效審計甚至是后期的測評以及運行的管理方案等一系列的服務,由于節能公司承擔的風險變大,所以對該公司的經濟實力和技術要求也較高。
3 合同能源管理項目的技術方案
3.1 照明能效管理方案
(1)隧道照明設計說明。
隧道能效管理系統照明方案設計嚴格遵照照明設計規范。該實施合同能源管理模式的水電站淹沒復建公路隧道屬于三級公路,共9個隧道,隧道總長度約16 km,隧道設計車速30 km/h,隧道建筑限界為9m×5.3m,雙向雙車道,混凝土路面,隧道車流量較小。白天洞外環境亮度取3000 cd/m2。原設計采用高壓鈉燈照明,能效管理系統照明設計選用高品質的飛利浦專用隧道照明燈具,燈具的光通保持性好,光衰小,使用壽命周期內可維持光衰量在20%以內。在整個燈具使用周期內,亮度值都高于標準值。
(2)照明節能措施和節能原理。
該系統主要從設備、工藝技術和管理三個方面進行節能。
①設備節能。
采用品質較優的LED照明燈替換傳統的高壓鈉燈,可有效節能。
②工藝節能。
采用亮度傳感器及時序控制,實現隧道的自動化控制,減少不必要的照明能耗,節約電能。
③管理節能。
建立照明能效管理系統,均衡照明燈具的使用壽命,優化控制方案。
(3)系統功能。
①系統組成:隧道能效管理系統由現地控制單元和通訊網絡、LED照明燈具、檢測傳感器、照明能效管理系統等組成?,F地控制單元以PLC為核心,負責對現地照明設備的信號采集和處理,通過通訊網絡將照明設備的實時狀態傳輸至相鄰的現地控制單元,實現隧道內的數據共享和時序同步,達到節能的目的。
②控制對象:控制對象為隧道內除應急照明外所有的LED照明燈具。
③控制信號:控制信號主要有:亮度傳感器、電參數傳感器等。
④系統功能:隧道照明分為自動控制和手動控制兩類。
自動控制:正常情況下,系統根據控制流程自動實現照明燈組的開啟和關閉。
手動控制:當自動控制失效或者需要手動操作時,可以在各個照明段的現地控制柜上通過“開啟”和“關閉”按鈕實現各燈組的手動開關。
3.2 通風能效管理方案
(1)隧道通風設計說明。
隧道能效管理系統的通風方案設計嚴格遵照通風規范,每座隧道均采用22kw的射流風機。
(2)通風節能措施和節能原理
該方案主要從設備、工藝技術和管理三個方面進行節能。
①設備節能原理。
采用變頻器替代接觸器控制,實現風機無極調速和高效運行,節約電能。
電機系統在設計過程中,需要考慮建設前、后長期工藝要求的差異和過載、重載啟動、系統安全等因素,因此都留有一定的余量。這些電動機大多在滿負荷下運行,電能利用率低、耗電量過大,浪費嚴重。變頻調速技術已成為節約能源及提高產品質量的有效措施。很多用戶實踐的結果證明,節電率一般在10%~30%,有的高達40%,變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和節能技術,已經滲透到各行各業中。
采用變頻器進行變頻調速,可使電動機回到高效運行狀態,變頻器通過降低電機轉速減少輸出功耗,實現按需供能。設備的轉速降低后,可減少磨損,延長使用壽命,節約電能,獲得可觀的間接經濟效益。使用變頻器進行交流變頻調速,并與PLC、CO/VI傳感器等進行配合,可以實現高精度控制,提高通風效率,有效節能,使隧道空氣質量明顯改善。
②工藝節能原理。
采用CO/VI、風速儀等傳感器,實現隧道通風的自動化控制,節約電能。
該系統采用PLC控制,根據傳感器對隧道內CO/VI濃度實際檢測情況進行風機轉速調節,確保通風條件、空氣質量良好的狀態下,最大化的提高節能效果。
③能效管理節能原理。
建立隧道能效管理系統,實現智能控制、無人或少人值守,節約管理成本。
采用最新的設計理念對通風設備的狀態進行綜合監測,如對風機運行狀態監視,運行時間監視、運行次數監視。在這些監控數據的基礎上,自動調整各各組風機的運行時間和次數,需要啟動風機時,優先啟動運行時間短的風機,延長風機的使用壽命。
(3)系統功能。
①系統組成:公路隧道能效管理系統由現地控制單元、通訊網絡、風機、檢測傳感器、通風能效管理系統等組成。現地控制單元以PLC為核心,負責對現地風機設備的信號采集和處理,通過通訊網絡將通風設備的實時狀態傳輸至相鄰的現地控制單元,實現隧道內的風機數據共享和時序同步,達到節約電能的目的。
②控制對象:控制對象為隧道內的所有的風機。
③控制信號:控制信號主要有:CO傳感器、VI傳感器、風速傳感器、電參數傳感器等。
④系統功能:隧道通風分為自動控制和手動控制兩類。
自動控制:正常情況下,系統根據控制流程自動實現風機的開啟和關閉。
手動控制:當自動控制失效或者需要手動操作時,可以在各個現地控制柜上通過“開啟”和“關閉”按鈕實現各風機的手動啟停。
4 水電站庫區公路隧道合同能源管理項目的體會
(1)從技術方案的角度,考慮到目前新了《公路隧道照明設計細則》和《公路隧道通風設計細則》,后續能效管理系統的通風、照明節能改造要滿足新的規范要求。在照明調光控制上,還可以采用無級調光的方式控制LED照明燈具,比該項目更節能,更加滿足運營安全的需要,在以后的照明改造中可以選用無級調光控制LED照明燈具。該項目節能效益良好:節能改造初步估算投入600萬元,年節約電費193.46萬度,年節約標準煤696.44噸,年減排CO21 855.23噸,年節省電費125.75萬元。
(2)傳統照明均采用高壓鈉燈,其初期投入相對較低,但耗電量高、燈泡易壞,維修工作量大。LED燈具供電安全等級高,其為冷光源,無熱輻射,無危害人體健康的紫外線輻射,無有害金屬汞,可減少環境污染,降低溫室效應和能源消耗,符合國家節能減排的要求,維修工作量小。在進行合同能源管理中,節能服務公司負責節能改造的投入、能源審計、方案設計、融資和設備采購以及運營維護和認證等工作,公路隧道用能單位只需參與配合。節能服務公司需滿足安全運營相關規范要求,承擔合同期內安全運營風險,這就促使節能服務公司選用品質較好的LED燈具和先進的控制方式,以達到運營安全、節能的目的。
5 結語
隨著我國的不斷發展,公路隧道的建設越來越多,交通量越來越大,隧道運營能耗的問題越來越突出,合同能源管理能夠有效地應對公路隧道的節能減排問題。因此,應該注意在運營過程中實施能源節約措施,推廣合同能源管理機制的應用,在保證經濟效益的同時,努力做到節能環保。
參考文獻
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關鍵詞:隧道路段;燈光照明;照明控制;
中圖分類號:U45 文獻標識碼:A 文章編號:
1 引言
白天,當汽車接近隧道時,由于環境亮度突然由高變低,從隧道外部看照明很不充分的隧道入口時,是一個黑洞(長隧道)或一個黑框(短隧道),導致駕駛員減緩行車速度,這種現象被稱為“黑洞效應”,也稱為暗適應;出洞時剛好相反,白天在隧道出口因外部亮度很高,駛出隧道時亮度迅速由弱變強,視覺上會出現眩光而倍感不適,也會影響駕駛員的行駛,被稱為“白洞效應”,也稱為明適應。由于人眼視網膜錐體細胞和桿體細胞的感光能力存在著差異,使得暗適應與明適應的時間差異較大,駕駛員駕駛車輛從一個亮度很大的視場突然進入一個暗視場中,視覺的暗適應時間一般需要5~10分鐘,完全適應則需要30分鐘,特別是在剛開始的數十秒內,駕駛員幾乎不能視認視場中的有關障礙物,這對隧道入口區的行車安全影響很大。出隧道時,是從一個暗環境進入一個高亮度的視場,這種光適應時間較短,一般只需要數秒,最長不過一分鐘,給駕駛造成的視覺障礙相對較輕。因此,影響最大的為進入隧道的視覺暗適應。以上幾種現象無疑會增加駕駛員的心理負擔,產生緊張、恐懼心理,影響行車安全。因此急須針對隧道路段駕駛員行駛時視覺變化進行研究,并分析隧道路段的照明變化情況,設置有效的照明控制設施。
2.隧道路段燈光照明的改善與隧道照明控制
1)隧道路段燈光照明的改善
當駕駛員白天駛入與駛出隧道時,眼睛需經受“明適應”與“暗適應”,影響駕駛員的駕駛行為,這也是隧道進出口經常發生交通事故的主要原因。為此,采用隧道入口—隧道中—隧道出口照明亮度漸變的方法更能讓駕駛員在隧道路段行車舒適。即在接近隧道段、隧道進洞口段、過渡段、隧道內部正常段、隧道出洞口段通過設置不同的亮度,給駕駛員逐漸適應的過程,減少適應滯后的不利影響。
(1)接近隧道路段
這一路段不在隧道內,是隧道洞口向外的延伸路段,從這部分區域開始,駕駛員必須能夠清楚的看到隧道的位置和隧道前的障礙物,從而在不減速的情況下順利駛入隧道。其設計長度由車速而定,是為了給駕駛員從正常路段駛入隧道適應的長度和時間,一般取100米。駕駛員在接近隧道的這個區域的適應能力決定著隧道洞口所需的燈光強度,所以這里提出駕駛員視覺適應的長度為L20的計算方法,其長度等于從汽車前懸至洞口的距離,通常也叫做停車距離,如圖4-3所示。這種方法是通過綜合考慮外界環境亮度和天空亮度及道路條件所建立的20°視覺椎體所確定的長度。這段亮度也是由外界環境的亮度決定的,白天通??稍?000cd/m2~6000cd/m2。其亮度將會影響隧道進洞口段、過渡段和中間段的亮度。為降低隧道內部各段的亮度以節省能源可在接近段采用遮光。遮光的方法可采用百葉天棚的方法降低洞口的亮度,或在洞外兩側植樹也是比較經濟的措施,越靠近洞口處植樹越密,樹冠也要大些,最好使之遮住自然光。
圖1 隧道入口20°視覺椎體
(2)隧道進洞口段
這個區域也稱為加強段,其長度和停車距離相等。這個區域的第一部分,所需的亮度必須保持連續,并與外部交通條件相關聯,必須能夠順勢過渡到外部亮度。在這個區域末端,所提供的照明亮度應能逐漸減少到開始的40%。這個區域駕駛員視覺所需亮度適應長度用Lth表示,如圖2所示。隧道進洞口段亮度可按式1-1計算:
Dth=k×D20 (1-1)
式中Dth——入口段亮度(cd/m2);
k——隧道進洞口段亮度折減系數;
D20——接近隧道路段亮度(cd/m2)。
這一段是進入隧道洞口后的第一段,其長度至少等于駕駛員的安全剎車距離,對車速為80km/h的車輛其值取140米。開始亮度相對較高,以后逐漸線性下降,其末端亮度約為最初亮度的40%。加強段的照明可以是隧道內的燈光,也可以在隧道口通過建造遮陽棚來達到目的。遮陽棚的結構經過合理設計,可以控制自然光到達路面的多少從而得到合適的亮度,但需注意不要在路面上產生干擾性陰影或光閃爍。
圖2隧道洞口內外亮度變化
(3)過渡區
在過渡區,亮度能逐漸降低到隧道內部所要求的亮度。這個區域駕駛員視覺所需亮度適應長度用Ltr表示,如圖3所示。其亮度應按梯度不超過1:3的比例下降,基本末端亮度為隧道內部正常路段的三倍。國內一些照明設計項目還將過渡區按設計車速分成三段,且這三段的亮度按照隧道進洞口段亮度的0.3,0.1和0.035倍下降,有的設計項目對200米以上的隧道過渡段長度采用40米,其亮度為2.5 cd/m2。
(4)隧道內部正常路段
這個路段位于過渡區和隧道出洞口之間,經常是隧道路段最長的區域,所需照明亮度與車速和交通密度有關。內部段的照明無需任何變化,只要提供均一的稍高于普通開放式道路照明水平的亮度即可.除了高亮度使駕駛員感到更安全外,還要考慮路面的反射條件,需要相對較高的亮度主要是因為在隧道內由于污染的影響降低了能見度,這個區域駕駛員視覺所需亮度適應長度用Lin表示,如圖4-5所示。在這一段,駕駛員已適應隧道明暗變化的過程開始進入穩定行車階段。一般車速80km/h時的亮度為4.5 cd/m2,當車流量大時可適當提高,當隧道內部的距離較長時可適當降低一些亮度以節省能源消耗。
(5)隧道出洞口
在這個區域,駕駛員的視覺主要受白天隧道外部光照強度影響。駕駛員視覺所需亮度適應長度用Lex表示,如圖3所示,其長度約50~60米左右,亮度可提高到隧道內部的5倍或為外界亮度的1/10,由于人眼從暗向明視覺的調節速度極快,隧道出口并不需為視覺適應增設照明,但是,為使駕駛員在明亮出口的視覺背景下可清晰看見前面大車陰影中的小車,以及離開出口時有良好的后向視覺,或為應急時和維護時可雙向運行,可以使出口的照明和入口照明保持對稱布置。
圖3隧道內部亮度變化
由此可見,隧道路段各個區域所需的燈光強度不僅需要隨著駕駛員視覺的逐漸適應能力而改變,而且受車速和交通密度的影響。隧道路段的燈光照明必須給駕駛員舒適安全的感覺,并能夠使駕駛員的視認性最大化。
2)隧道照明控制
設置隧道照明的目的是要讓交通流正常、安全的通過隧道,使駕駛員能很快的適應隧道內的亮度并以和正常路段相同的速度駛出隧道,并要求以最經濟與節省能耗的方法布置。然而,國內很多公路隧道在設計時是按照規范設計,隧道進口處布置很多照明設備,而運營時燈具很少全部開啟,在需要光照強度高的的地方沒有充足的照度(例如隧道洞口處),而一些不需要很強照度的地方光線照度往往過于強烈(例如長隧道內部)。因此,應通過運用由應用計算機、燈路負載控制器和光度計組成的智能化隧道照明控制系統控制隧道路段的照明。國內已經有一些高速公路隧道路段采用這種智能化隧道照明設備,很好的解決了安全與節能的矛盾。
3.結論
通過結合國內外先進研究成果,分析了長大隧道路段駕駛員生理變化行為,提出了長大隧道路段照明技術的改善方法和隧道照明控制技術,以解決駕駛員在長大隧道路段需要頻繁適應光線變化而存在的交通安全隱患問題。
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關鍵詞:公路隧道;節能減排;低碳經濟
Abstract: objective: highway tunnel as large energy consumption, the energy conservation and emission reduction in traffic transportation departments get great attention. Research indicates that our country road tunnel for energy conservation and emissions reduction obtains certain result at the same time, there are still many deep problem. On the analysis of the influence factors of energy saving and emission reduction highway tunnel, on the basis of system engineering perspective from highway tunnel in energy conservation and emission reduction, countermeasures for our country road tunnel for energy conservation and emissions reduction further development to provide the reference.
Keywords: highway tunnel; Energy conservation and emission reduction; Low carbon economy
中圖分類號:X734 文獻標識碼:A 文章編號
交通運輸行業是國務院確定的節能減排重點行業之一,國務院明確要求加快建設以低碳排放為特征的交通運輸體系。高速公路隧道是高速公路運營管理過程中的重要紺成部分,其電費支出在高速公路運營成本中占有相當大的比重。所以了解高速公路隧道電費的構成,掌握高速公路隧道用電設備的基本技術 能,精心安排供電系統的運行方式,合理調整負荷分配,提高功率因數自動補償裝置的靈敏度,改善功率因數狀況,可以有效地提高供用電系統的經濟運行水平,最終有效地降低電費支出。某高速公路監控廈門分中心在對高速公路某隧道供配電系統、照明系統和通風系統進行了節能技術改造,并取得了良好的經濟效果。
1 公路隧道節能減排的基本定義
公路隧道節能減排有廣義和狹義之分。廣義而言,是指節約物質資源(土地、水源、鋼筋、水泥、石料、瀝青等)和能量資源(電能、油料等),減少廢棄物(建筑垃圾)和環境有害物(廢氣、廢水、噪聲等)排放,其貫穿于公路隧道規劃、設計、施工、運營全過程;狹義而言,是指節約能源和減少環境有害物排放,主要是指運營階段在確保公路隧道行車安全的基礎上,最大限度地減少電能消耗、廢氣排放,實現公路隧道綜合效益最好。
2 公路隧道節能減排存在的問題
公路隧道節能減排得到我國交通運輸主管部門的高度重視。如交通運輸部組織開展的第二批節能減排示范項目中有“隧道LED節能燈照明在江西景鷹高速公路傍下隧道的應用”;重慶、廣東、安徽、河北、陜西、湖北、貴州、福建、吉林、浙江、云南等地開展了公路隧
道運營節能課題研究及示范工程建設。調查研究表明,我國公路隧道節能減排工作取得一定成效的同時,還存在不少深層問題和制約因素。
2.1 經濟和社會效益的平衡
節能減排是一項持久長遠的社會責任和戰略任務。但在一定程度上,對于公路隧道運營管理企業而言,可能是一種不經濟的行為。公路隧道節能方案的實施或許使得企業投入成本比產出效益高,如目前推廣應用的隧道LED燈就存在“節能不節錢”的突出問題。因此,從總體上看,部分節能減排項目雖具有社會效益高于經濟效益的特點,但如果單純由企業出資實
施,則會加重其經濟負擔,這也成為當前部分公路隧道節能減排項目無法實施和推動的主要制約因素。
2.2 節能技術產品推廣應用
目前市場上充斥太多打著節能旗號的偽劣產品,節能技術和產品的鑒定及推廣也缺乏權威機構的強力支持。此外,部分公路隧道運營管理企業認為,節能技術和產品應用需要較大投入,而企業無法確定能否盡快收回投資成本。
2.3 規范節能統計指標體系
節能減排工作的一項重要內容是建立科學、規范的能耗統計指標,并根據指標對節能減排工作進行動態監測。目前,國內尚未建立適用于公路隧道的能耗指標體系,這就使得企業對節能指標應該統計什么、指標的具體內涵等問題無法把握,造成企業對公路隧道運營能耗情況和節能效果不能準確掌握,從而制約節能減排工作的深人開展。此外,公路隧道節能減排還應考慮地區差異,如北方公路隧道消防系統須設置電伴熱保溫設施以確保冬季供水安全可靠,而南方地區則不存在此問題。
2.4 節能減排專項資金投入
節能設備應用和技術推廣及節能宣傳、教育、獎勵需要投入大量資金,但隨著勞動力、原材料成本的上升,企業利潤將會大大減少,這就使得企業能夠投入的資金十分有限,往往不能達到全面節能的效果。目前,我國各級交通運輸主管部門安排的節能減排專項資金還比較欠缺。
2.5 相關政策和法規的支持
相關政策和法規對公路隧道節能減排的支持還遠遠不夠。雖然絕大多數公路隧道運營管理企業都十分重視節能減排工作,調研、宣傳的力度很大,但落實、貫徹的力度較小。節能減排工作仍滯留在政府一般號召和企業自發行動層面。
3 影響公路隧道節能減排的因素
影響公路隧道節能減排的因素很多,主要有以下5個方面:
3.1 土建結構
包括平縱線形、斷面尺寸、洞門特征、洞內裝飾、路面材料等,其不僅直接決定了土建工程總量,而且在一定程度上影響著機電設施配置。上述因素對公路隧道節能減排的影響分析,如表1所示。
3.2 機電設施
公路隧道根據其功能地位、安全等級,應配備通風、照明、消防、供配電、監控等機電設施,這是公路隧道最主要的運營能耗單元,其中通風、照明設施能源消耗最多,如表2所示。
3.3 交通特點
包括交通量、行車速度、交通組成、運輸管理等,其對公路隧道機電設施近、遠期配置有著重要影響,而且與運營安全密切相關。上述因素對公路隧道節能減排的影響分析,如表3所示。
3.4 經濟能力
我國不同區域的經濟發展水平差異較大,因而對交通運輸節能減排的認識程度也不盡相同、統一。其對公路隧道節能減排的影響分析,如表4所示。
3.5 自然條件
自然條件也在一定程度上影響著公路隧道節能減排,包括El照強度、海拔高度、自然風等。其對公路隧道節能減排的影響分析,如表5所示。
4 公路隧道節能減排措施與技術
公路隧道節能減排的關鍵在科技創新。研究分析顯示,技術進步對節能貢獻率達40% ~60% 。本文在分析影響公路隧道節能減排因素的基礎上,從系統工程角度提出如下節能減排(狹義)對策。
4.1 結構節能
結構節能主要是提高公路隧道“綠色能源”的應用比例,研究太陽能、風能、光纖照明、壓力發電等在公路隧道中的應用。山東煙臺市利用太陽能照明(如圖2所示),采用節能燈具修建的國內首座太陽能隧道―通世路隧道每年可節約標準煤120多噸;安徽六潛高速公路獅子尖隧道,首次采用太陽能和風能發電互補離網供電系統(如圖3所示),既節省了電能,又降低了發電設備配置和成本。
4.2 技術節能
技術節能主要包括運營照明節能、通風節能、供配電節能、給排水節能、強化交通安全等。
(1)公路隧道照明及供配電節能成套關鍵技術已取得重大突破,具體包括:洞外亮度L (S)精確測試方法及洞口減光措施、基于中問視覺理論的照明設計方法、智能照明控制技術、高效照明方式、節能光源應用、照明及供配電系統分期實施等,并在示范工程建設中得到應用,具有較好的經濟效益和社會效益。
(2)通風節能減排手段主要有前饋式通風控制技術、雙洞互補式通風技術、污染空氣靜電除塵技術、污染空氣土壤凈化技術等。
(3)給排水節能減排措施主要有消防水泵智能控制技術、使用高效節能水泵、選用強度高和摩阻小的熱鍍鋅鋼管等。
(4)加強交通安全管理有助于降低公路隧道交通事故率、提高公路隧道服務水平、減少公路隧道事故造成的資源浪費及財產損失。
4.3 管理節能
管理節能對指導公路隧道節能減排具有極其重要的引導作用,其主要包括以下幾個方面:
(1)建立健全節能減排統計、監測和考核體系、完善相關規章制度和技術政策,使公路隧道節能減排工作有章可循、有據可依。
(2)加大節能減排專項資金投入,提高公路隧道節能減排政策扶持力度,對節能技術與產品推廣、現有公路隧道節能技術改造、報廢機電產品回收利用、節能減排表彰獎勵和監督管理體系建設等方面給予政策和資金支持。
(3)以集約化經營的基本理論為指導,通過理順內部管理體制,強化內部管理,優化公路隧道管理、養護資源的合理配置。大力推廣應用現代化信息技術,提高公路隧道運營管理效率,降低運營管理成本,延長公路隧道機電設施使用壽命。
(4)鼓勵引入公路隧道能源合同管理(EMC),以解決公路隧道運營管理企業開展節能減排項目缺乏資金、技術、人員、管理經驗等實際困難,實現節能零投資、零風險、持久受益,從而提高企業節能減排的積極性,并使企業有更多精力發展主營業務。
5 結論
關鍵詞:節能減排老山隧道;自然光;光纖照明;導光管;高壓鈉燈
1 老山隧道現有照明系統概述
老山隧道位于江蘇省南京市老山,寧連高速公路重要節點,隧道內共有高壓鈉燈4098盞,沿隧道兩側展布。存在著巨大的電能浪費。那么采取怎樣的措施才能有效降低隧道內能耗呢?
目前老山隧道主要以照明控制回路優化、加裝節電器為主要降低能耗手段。但是以上途徑都未涉及到光源,僅僅是通過控制軟件及優化供電電壓來實現節能。本文主要闡述的是以光纖照明替代高壓鈉燈進一步降低隧道能耗。
2 光纖照明技術特點
隧道照明不同于一般場所的功能照明,必須考慮駕駛員在隧道內不同區段的視覺適應性,因此,對各區段路面亮度有不同要求 。當燈具安裝存在間距時,很難保證路面亮度的均勻性。而入口和出口段,也只有安裝更多的光源來滿足亮度,卻無法有效地利用自然光資源。利用光纖照明技術不僅能將采集到的自然光經光纖傳播至洞口內還可均勻分配所傳播的光通量。
老山隧道洞口加強段亮度要求高、燈具多、能耗大,且需要隨洞外環境亮度的變化而不斷變化,這一特點十分有利于直接將日光通過光纖引入隧道進行照明。
光纖照明的特點:1)由于光纖的自身特性和光的直線傳播原理,光纖在理論上可以把光線傳播到任何地方,滿足了實際應用的多元性;2) 光纖照明實現了光電分離,安全性能提高,應用領域拓寬了;3)光纖照明系統沒有光污染;4)可以用在高濕度、高溫度場所,甚至可應用具有火險、爆炸性氣體的場所,是一種安全的光源;5)使用壽命長、易于維護、無漏電危險。
但是光纖照明較多的受到自然條件的限制,因此現階段我們將其作為照明的一種有益的補充手段,光纖照明與隧道原有燈具照明形成很好的互補 即達到節能減排目的又能夠保證隧道行車安全。
3 光纖照明系統應用淺析
光纖照明系統是由光源、反光鏡、濾色片及光纖組成,如圖所示
其原理是當光源通過反光鏡后,形成一束近似平行光。由于濾色片的作用,又將該光束變成彩色光。當光束進入光纖后,彩色光就隨著光纖的路徑送到預定的地方。光纖是光纖照明系統中的最為核心的部分。
光纖照明系統主要包括了日光的收集、傳輸、終端裝置以及相應的控制技術。日光的收集采用了類似向日葵的凸鏡陣列或者衛星天線的裝置。無論哪種方式,日光的傳輸一般采用石英光纖技術, 塑料光纖技術,石英光纖傳輸太陽光的優點是損耗低,并且由于玻璃材料的本質屬性,它可以充分過濾掉陽光中有害的紫外線部分;強度好,重量輕,易成纜,便于施工安裝;抗高低溫性能,對潮濕,甚至輻射環境的適應性很好,壽命達三十年以上;塑料光纖的優點是柔韌性較好,造價低廉,數值孔徑容易做的較高,缺點則是損耗很高,并且容易老化,壽命很短,這是由塑料材料的自身特性決定的。光纖還可以布置成任意形狀,非常適合老山隧道這類特長隧道特別是洞內曲線段的安裝布設。
綜上所述太陽光光纖照明應用于隧道照明至少具有以下基本優點:
1)節能: 照明能源全部來自天然的太陽光。無需電力。尤其是在遭遇電力線路中斷時,利用自然光照明的該系統就更加顯示了其天然優勢。 且隧道內加強照明隨洞外亮度變化的特性更與日光不斷變化的規律相適應,最大程度的體現了節能效果。
2)環保: 直接利用太陽光,避免光能-電能-光能兩次轉化帶來的大量能量損失;進而減少白天對傳統不可再生能源的依賴;系統使用壽命長,免維護。
3)安全:日光光纖照明技術在隧道照明上的應用,不但能節約大量的電力資源,由于它和外界的光源一致,還使得隧道進、出口的光線變化均勻自然,從而使得交通更加安全。
但是也存在成本高、受自然條件限制較大的缺點。所以一般應用于長大隧道入口、出口段較為合適。洞內則輔以其他方式,以老山隧道為例,隧道全長3600米,過渡段、中間段離洞口比較遠,距離也比較長,日光傳輸衰減較大,并且隧道過渡段和中間段對亮度要求遠不及入洞出洞處,所以可以采取人工光源的形式,用金屬鹵素燈作為光源,輔以成本低很多的導光管,這種方式較常規照明不僅節能、降低維護費用,還能克服光源間距影響,形成連續光帶使亮度更加均勻,提高行車安全及舒適性。
4 結論
能源作為社會經濟發展的動力,在可持續發展模式中,不僅僅要考慮其資源量是否充足,更重要的是要考慮能源利用對生態環境的影響。同樣,公路隧道的照明技術的發展也應該從如何利用太陽能等可再生能源方面考慮真正的節能照明方式。
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