公路隧道出口段光纖采光照明設(shè)計(jì)方法探討

陳秀雯，胡英奎，翁 季，陳仲林

(1.重慶市江北嘴中央商務(wù)區(qū)開發(fā)投資有限公司，重慶 400024;2.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

公路隧道是一種狹長的管狀構(gòu)筑物，其頂部和兩側(cè)是封閉的，所以對(duì)于公路長隧道而言，不但晚上需要照明，而且白晝時(shí)也需要人工照明，尤其在晴天，更是需要。在晴天白晝時(shí)，隧道洞口內(nèi)外的亮度差別很大，這會(huì)使快速通行的駕駛員產(chǎn)生黑洞現(xiàn)象、亮洞現(xiàn)象和視覺適應(yīng)的滯后現(xiàn)象等，這樣不易發(fā)現(xiàn)障礙物，容易發(fā)生交通事故，影響駕駛員行駛的安全和舒適。因此，在進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，需要在公路隧道入口段、過渡段和單向公路隧道的出口段進(jìn)行加強(qiáng)照明，即在一般照明的基礎(chǔ)上，增加照明燈具，增加照明功率，加強(qiáng)入口段、過渡段和單向隧道出口段60 m長區(qū)域的照明水平，但是這會(huì)消耗大量電能。

1 隧道出口段照明設(shè)計(jì)

在《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ026.1—1999）和《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(報(bào)批稿）中，均明確規(guī)定在單向交通隧道中，應(yīng)設(shè)置出口段加強(qiáng)照明，其亮度為中間段亮度的3倍和5倍(分成2段各30 m時(shí)）。亮度值的大小取決于行車設(shè)計(jì)速度大小和車流量等，具體值由相應(yīng)的規(guī)范或細(xì)則確定，但一般處在3 cd/m2和50 cd/m2范圍內(nèi)，也就是說，需要在單向長隧道出口段額外增加的加強(qiáng)照明水平為2 cd/m2～40 cd/m2，而且實(shí)際上，越是天氣晴朗，日光明亮，出口段的加強(qiáng)照明水平越要求高;反之，天氣陰暗，則可以減少加強(qiáng)人工照明水平，在保證安全行車的前提條件下，節(jié)約電能。從以上分析中可以看出，出口段需要的加強(qiáng)照明水平的變化規(guī)律與洞口外天然光的變化規(guī)律是同步的，即洞外天然光強(qiáng)度大，則要求出口段的加強(qiáng)照明輻射出更多的光通量;反之亦對(duì)。因此，如果將天然光引入到出口段作為補(bǔ)充加強(qiáng)照明之用，應(yīng)是合理的。

2 隧道出口段光纖采光照明設(shè)計(jì)方法探討

單向隧道出口段天然光狀況與當(dāng)?shù)靥鞖鉅顟B(tài)關(guān)系很大，而天氣狀態(tài)的數(shù)量特征可由日照百分率和云量表示，它們之間有著密切關(guān)系，但是由自動(dòng)記錄的日照資料表述當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顟B(tài)更為確切。據(jù)研究表明，日照情況是衡量當(dāng)?shù)夭捎萌展饩酃夥绞娇尚行缘囊粋€(gè)數(shù)量指標(biāo)，它影響采光系統(tǒng)的性價(jià)比和節(jié)能性。對(duì)于一般隧道出口段不宜采用側(cè)窗等在建筑物中常用的采光方法，而應(yīng)采用光電轉(zhuǎn)換方法、太陽光聚光直接采光方法和混合日光采光方法。

2.1 隧道出口段采光方法

2.1.1 光電轉(zhuǎn)換方法

光電轉(zhuǎn)換方法中的關(guān)鍵技術(shù)是進(jìn)一步提高太陽能電池的效率。太陽能電池有3種:非晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和單晶硅太陽能電池，其中單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較高，國產(chǎn)的最高可達(dá)20%左右。

雖然當(dāng)隧道洞口外天然光不足或在晚上時(shí)，由光電轉(zhuǎn)換方法獲得的電能可供照明用，這與日光采光相比是一個(gè)非常突出的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)把貯存在蓄電池中的電轉(zhuǎn)換成光時(shí)，光源光效率最高約為30%。因此，當(dāng)利用光電轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行隧道出口段照明時(shí)，總效率是不高的，據(jù)估算僅為6%左右。

2.1.2 直接采光方法

日光聚光系統(tǒng)是由日光聚光器、光纖和出射光裝置(燈具）三大部分組成的。日光聚光器分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，主動(dòng)式日光跟蹤聚光器通過跟蹤傳感器、控制電路、傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，提高了日光聚光器的跟蹤精度。當(dāng)光纖的輸入端置于聚光器的焦點(diǎn)處時(shí)，可提高太陽光的入射能量密度。例如，日本生產(chǎn)的型號(hào)為“向日葵”自動(dòng)跟蹤日光的系統(tǒng)，日光聚光器的聚光度可達(dá)1.5×104倍。跟蹤式日光采光系統(tǒng)已在上海虹橋高鐵樞紐站等照明工程中實(shí)際使用。

光纖在傳輸光時(shí)，單位長光纖的光能衰減量β用公式表示:

式中:Φ——光纖輸出光通量;

Φ0——光纖輸入光通量;

τ——單位長光纖透光率。

當(dāng)光通過光能衰減量β為－20 dB/km的a米長光纖后，光衰減到輸入光通量的百分之幾可由公式確定:

當(dāng)光通過β為－20 dB/km、長為a米后，由(2）式算得的光透過率見表1。

表1 當(dāng)光通過β=－20 dB/km長為a米后光透過率

從表1中看出，如采用光能衰減量 β為－20 dB/km的石英芯光纖在隧道出口段長為60 m的光能損耗僅為24%，相當(dāng)于光通過厚度為6 mm的普通玻璃的光損耗。因此，從光損耗的角度上看，在隧道60 m長的出口段，采用日光跟蹤聚光系統(tǒng)作為補(bǔ)充加強(qiáng)照明應(yīng)是可行的，目前國產(chǎn)的相應(yīng)產(chǎn)品也已成功運(yùn)用于實(shí)際工程，采光效果良好。

2.1.3 混合采光方法

美國3M公司等聯(lián)合開發(fā)了混合日光照明(HSL）系統(tǒng)，它主要由主動(dòng)式日光采集器、光纖、太陽能電池和市電補(bǔ)充系統(tǒng)組成的。

日光的輻射光譜是一連續(xù)光譜，它包含波長小于380 nm的紫外線，可見光和波長大于780 nm的紅外線。在一般情況下，紫外線占太陽輻射光譜能量的7%左右，可見光占47%左右，紅外線占46%。HSL混合日光照明系統(tǒng)不但利用了可見光，而且通過該系統(tǒng)中特制的冷光鏡把紅外線引入光電池，就可把日光變成電，提高日光的利用效率。同時(shí)，又把人工光源與光纖輸出端共同置于出射裝置內(nèi)。當(dāng)天氣條件較差時(shí)和晚上，可啟動(dòng)人工光源，進(jìn)行人工照明。

2.2 隧道出口段光纖采光可行性探討

在隧道出口段采用日光跟蹤聚光光纖采光系統(tǒng)的可行性，主要由年平均日光光量、性價(jià)比和隧道照明技術(shù)等確定的。

2.2.1 年平均日光光量

太陽直射光在通過大氣層時(shí)，由于散射、反射和吸收而衰減，所以通常將在大氣層外垂直于太陽光的平面上、且在太陽與地球?yàn)槠骄嚯x時(shí)的照度，稱為太陽照度常數(shù)E0，最近認(rèn)為是133700 lx。當(dāng)太陽光透過大氣層射到地面時(shí)，由于受到大氣層中空氣分子、氣溶膠、水汽、灰塵等的衰減，不同地區(qū)、不同天氣時(shí)，大氣的透明程度隨時(shí)間、地點(diǎn)變化很大。在照明工程中，常用大氣透過率P表示，在晴朗天空時(shí)，大氣透過率為 0.75～0.85，一般的晴天空為0.65～0.75。在地表面上，垂直于太陽光的法向照度En可由下式表示，

式中:m——大氣光學(xué)質(zhì)量。

大氣光學(xué)質(zhì)量在太陽高度角hs較大時(shí)，可近似用下式估算，

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笥^測資料和北京時(shí)間等，就可以計(jì)算出大氣透過率P和大氣光學(xué)質(zhì)量m，再由(3）式算得在該地區(qū)垂直于太陽光的法向照度En。實(shí)際上，在一年之中，甚至在一天之中，該地區(qū)的氣象參數(shù)是隨時(shí)間不斷變化的，所以由(3）式算得的法向照度En是隨時(shí)間t而變化的因變量，應(yīng)寫成En(t）。因此，在單位被照面A上的光通量Φn(t），

日光光量Qn就是垂直于太陽光的單位被照面上光通量Φn(t）的時(shí)間t的積分量，

當(dāng)被研究的時(shí)間t是1年時(shí)，則Qn稱為年日光光量。由于在氣象觀測資料中容易獲得大氣透過率P的月平均值等，所以，由(6）式算得的年平均日光光量，就可以定量比較在隧道出口段采用日光采光系統(tǒng)的采光可能性。

為了獲得較好的光纖采光系統(tǒng)的采光效果，除了被研究地區(qū)有較大的年平均日光光量和精確的自動(dòng)跟蹤日光裝置及高質(zhì)量光纖傳輸系統(tǒng)外，還要具有合適的光纖出射光裝置，該裝置應(yīng)不但具有效率高、壽命長、外觀好、防塵防水等特點(diǎn)，而且更重要的是使該出射光裝置的配光曲線符合隧道照明要求，同時(shí)還要考慮運(yùn)營車速、車流量、隧道線形等情況，提高交通安全性和駕乘人員的舒適性。

2.2.2 隧道出口段加強(qiáng)照明的人工光源選擇

日光跟蹤聚光光纖采光系統(tǒng)只有當(dāng)太陽照射大地時(shí)才能發(fā)揮作用，當(dāng)太陽被云遮擋時(shí)，該系統(tǒng)的采光效果失效。因此，在白晝時(shí)，當(dāng)發(fā)生太陽被云遮擋的情況，有時(shí)天空還是很明亮，隧道出口對(duì)天空或地物的亮度還是很大，此時(shí)，應(yīng)對(duì)隧道出口段采用人工光源進(jìn)行加強(qiáng)照明，以提高交通安全性和舒適性。尤其當(dāng)太陽被厚云遮擋而時(shí)隱時(shí)現(xiàn)時(shí)，就要求人工光源立即進(jìn)行起動(dòng)、減弱或關(guān)閉，并能進(jìn)行亮度自動(dòng)調(diào)整。在人工光源中LED照明光源突出的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、可靠耐用、通過控制電路很容易調(diào)控亮度等，因此，隧道出口段宜采用LED人工光源進(jìn)行基本加強(qiáng)照明，同時(shí)要求在日光照射大地時(shí)關(guān)閉或調(diào)低LED亮度，節(jié)約電能，保證隧道出口段合理的照明水平。

3 小結(jié)

日光跟蹤聚光光纖采光照明系統(tǒng)適用于隧道出口段補(bǔ)充加強(qiáng)照明，由于可能產(chǎn)生太陽時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的情況，所以隧道出口段基本加強(qiáng)照明宜采用響應(yīng)快的LED人工光源照明，并進(jìn)行自動(dòng)控制其亮度。從理論上分析，日光跟蹤聚光光纖采光照明系統(tǒng)可以用于出口段照明，它與LED光源一起組成隧道出口段加強(qiáng)照明。從實(shí)際上看，不但要看聚光光纖采光系統(tǒng)的聚光度，光纖傳輸時(shí)的光損耗，即不但要看該系統(tǒng)的傳輸效率(這是隧道出口段運(yùn)用日光跟蹤聚光光纖采光補(bǔ)充加強(qiáng)照明系統(tǒng)的技術(shù)保障）;而且還要看當(dāng)?shù)氐墓鈿夂虻葪l件，如果當(dāng)?shù)厝照諘r(shí)數(shù)多，且緯度較低(太陽高度角大），以及隧道朝向等適宜，那么有利于聚光光纖采光系統(tǒng)高效工作;此外，國內(nèi)外質(zhì)量較好的產(chǎn)品價(jià)格比較貴，所以在隧道出口段具體運(yùn)用該系統(tǒng)作為補(bǔ)充加強(qiáng)照明之用時(shí)，應(yīng)仔細(xì)核實(shí)該系統(tǒng)的性價(jià)比和節(jié)電效果等?？傊谒淼莱隹诙窝a(bǔ)充加強(qiáng)照明能否采用日光跟蹤聚光光纖采光照明系統(tǒng)，不但要看該系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性，還要看隧道所在地區(qū)的光氣候條件的可行性。

年平均日光光量是表征隧道所在地區(qū)進(jìn)行聚光采光能力的定量指標(biāo)。如該值相對(duì)較大，則說明該地區(qū)的隧道采用采光設(shè)施的效果會(huì)較好，當(dāng)采用相同品質(zhì)的采光設(shè)施時(shí)，則年平均日光光量大的地區(qū)的隧道采光設(shè)施更為節(jié)能、性價(jià)比更好。

［1］JTJ026.1—1999.公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［2］JTG/T DXX—2010.公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則 (送審稿）

［3］江源，殷志東.光纖照明及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009

［4］(日）照明學(xué)會(huì)編，李農(nóng)，楊燕譯.照明手冊(cè)(原書第二版）［M］.北京:科學(xué)出版社，2005