天然光光纖照明系統(tǒng)在隧道照明中的應(yīng)用

許景峰 宗德新 胡英奎，2

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045;2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，重慶 400045)

1 引言

隨著我國道路交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，隧道數(shù)量日趨增多。隧道照明作為隧道工程一個重要組成部分，其照明運(yùn)營電費(fèi)不斷增高，如何在滿足隧道行車安全及舒適的照明環(huán)境下節(jié)約照明用電已顯得尤為重要。

光學(xué)纖維又稱光導(dǎo)纖維，簡稱光纖，它是在20世紀(jì)50年代以后特別是20世紀(jì)70年代以后獲得迅猛發(fā)展［1］。光纖照明作為光導(dǎo)照明的一種，可以將日光源或人工光源發(fā)出的光從一處傳輸?shù)搅硪惶?，并根?jù)照明需要進(jìn)行光的重新分配。根據(jù)光源的不同分為人工光源和天然光光纖照明系統(tǒng)兩種，后者通常采用日光聚光器或集光裝置將天然光導(dǎo)入光纖中傳輸?shù)叫枰彰鞯膱鏊?，即天然光光纖照明系統(tǒng)。因光源采用的是清潔能源，故具有良好的節(jié)能效果。

目前，光纖照明技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，天然光光纖照明系統(tǒng)作為一種新型的、無能耗的照明系統(tǒng)正處于推廣階段，國內(nèi)外已有不少公司及廠家從事天然光光纖照明系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)，并在博物館、醫(yī)院、住宅、辦公樓和地下通道等場所的功能照明上得到實際應(yīng)用。但在隧道照明中的應(yīng)用卻有待開發(fā)，這主要是因為隧道不同于一般建筑物，且照明要求也不同于一般場所。因此，進(jìn)行天然光光纖照明在隧道照明中的應(yīng)用研究對隧道照明節(jié)能具有重要的理論和實際意義，通過對天然光光纖照明系統(tǒng)和隧道照明特點(diǎn)的系統(tǒng)分析，為天然光光纖照明系統(tǒng)在隧道照明中的應(yīng)用和推廣提供思路和依據(jù)。

2 天然光光纖照明系統(tǒng)概述

2.1 天然光光纖照明系統(tǒng)的組成

天然光光纖照明系統(tǒng)主要由光導(dǎo)入裝置 (聚光器)、光傳輸裝置 (光纖)和光輸出裝置 (光纖燈)三個主要部分組成［2］，如圖1所示。有時光纖同時具有光傳輸和光輸出的作用，如側(cè)光發(fā)光光纖。

圖1 天然光光纖照明系統(tǒng)組成示意圖

2.2 天然光光纖照明系統(tǒng)的類型

隨著新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展，天然光光纖照明系統(tǒng)的傳輸效率不斷提高。出現(xiàn)了很多不同類型的照明系統(tǒng)。

(1)根據(jù)光導(dǎo)入裝置的聚光方式分為:

①透鏡折射聚光方式，即采用凸透鏡或菲涅耳透鏡將照射在透鏡上的太陽光聚焦在焦點(diǎn)上，并通過光纖入射端的精確定位提高光纖傳輸太陽光的效率，如圖2所示的日本“向日葵”的透鏡聚光器。

圖2 日本“向日葵”12鏡聚光器

②曲面鏡或凹面鏡反射聚光方式，即通過凹面鏡將太陽反射光聚焦在傳光束入射端。如圖3所示的極軸式定日鏡［3］。

圖3 極軸式定日鏡示意圖

(2)根據(jù)光導(dǎo)入裝置的運(yùn)行方式分為:

①被動式光導(dǎo)入裝置，即聚光器是固定不動的，構(gòu)造簡單，但天然光效率低。

②主動式光導(dǎo)入裝置，即光導(dǎo)入裝置中增加了太陽光跟蹤傳感器、控制器和相關(guān)機(jī)械傳動裝置，讓聚光器時刻對準(zhǔn)太陽，天然光效率高。目前大部分天然光光纖照明系統(tǒng)都采用這種方式，如圖2、圖3所示。

(3)根據(jù)光纖的材料分為:

①石英光纖

②聚合物光纖，也稱塑料光纖

③多組分玻璃光纖

除了上述三種目前常用的光纖外，還有液芯光纖和空芯光纖等。三種光纖各具特點(diǎn)，其中石英光纖的光傳輸效率最高，其光損耗可以達(dá)到0.01dB/m以內(nèi)，在長距離傳輸上具有很大的優(yōu)勢，但成本較高。塑料光纖和玻璃光纖的光損耗相比較大，有0.15dB/m，在光傳輸?shù)木嚯x上有一定限制。但塑料光纖便于制作成大直徑的傳光束便于獲得更大的光通量和高斂集率［4］，故在目前市場上應(yīng)用廣泛。

(4)根據(jù)光輸出裝置的發(fā)光方式分為:

①端部發(fā)光光纖，即與傳統(tǒng)的照明裝置類似，把光傳輸?shù)揭欢ㄎ恢煤笸ㄟ^連接光纖端部的光纖燈具散射出來。這是目前大部分天然光光纖照明系統(tǒng)所采用的方式，如圖4、圖5所示。

圖4 應(yīng)用于各種場所的日本“向日葵”天然光光纖照明系統(tǒng)

圖5 上海虹橋火車站的國產(chǎn)天然光光纖照明系統(tǒng)

圖6 側(cè)面發(fā)光塑料光纖及其應(yīng)用

②側(cè)面發(fā)光光纖，即光在傳輸?shù)倪^程中不斷從光纖的側(cè)面散射出來。目前側(cè)光光纖照明系統(tǒng)在裝飾和景觀照明上得到較多的應(yīng)用。如圖6所示。

2.3 天然光光纖照明系統(tǒng)的特點(diǎn)

天然光光纖照明系統(tǒng)作為一種新型的照明系統(tǒng)，具有以下幾個方面的優(yōu)勢:

(1)節(jié)能環(huán)保。天然光光纖照明系統(tǒng)的光源是無能耗的清潔能源，減少了白天的人工照明用電量;同時，不存在電光源的熱作用和發(fā)熱量，也可降低空調(diào)系統(tǒng)的耗電量，故具有良好的節(jié)能效益。

(2)便于維護(hù)。由于天然光光纖照明系統(tǒng)的光都來自于光導(dǎo)入裝置采集的太陽光，因此，對集中布置的光導(dǎo)入裝置進(jìn)行良好的維護(hù)就可滿足要求。

(3)布置靈活。天然光光纖照明系統(tǒng)的光輸出裝置可以實現(xiàn)點(diǎn)、線、面等多種形式的發(fā)光方式。可以使照明設(shè)計更具自由度、多樣性和藝術(shù)性。

(4)安全健康。天然光光纖照明系統(tǒng)可以控制輸出光中紫外線和紅外線的含量，為室內(nèi)提供一個健康、舒適的高品質(zhì)照明環(huán)境。因此，在醫(yī)院、健身房、博物館等場所得到廣泛應(yīng)用。同時，該系統(tǒng)不會受到電力隱患和電磁干擾等影響，安全性好。因此，也廣泛用于寒冷潮濕、易燃易爆的特殊場所照明，如火藥廠車間、室內(nèi)游泳池、冷庫等。

雖然天然光光纖照明系統(tǒng)具有以上傳統(tǒng)照明系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，但目前在照明實際工程中仍存在一些應(yīng)用瓶頸:

(1)造價高。價格是影響產(chǎn)品市場推廣的一個重要因素，光導(dǎo)照明系統(tǒng)目前較高的價格仍是阻礙其推廣普及的一個重要因素，特別是帶有太陽跟蹤系統(tǒng)的日光集光器及傳光效率高的石英光纖目前的價格十分昂貴。一套國產(chǎn)的帶太陽跟蹤裝置的石英光纖照明系統(tǒng)，其價格約5萬元左右。雖然該系統(tǒng)在白天可以節(jié)約照明用電，但高昂的一次性投入及產(chǎn)品性價比問題是影響當(dāng)前光導(dǎo)照明系統(tǒng)普及的重要原因。

(2)遠(yuǎn)距離衰減大。天然光光纖照明系統(tǒng)中光的傳輸是通過光纖進(jìn)行的，雖然石英光纖具有很高的光傳輸效率，但在1000m后其傳輸效率也會降低到10%以下。因此，光導(dǎo)照明系統(tǒng)在光的遠(yuǎn)距離傳輸上技術(shù)尚未成熟。

正是由于上述的兩方面缺陷，因此目前天然光光纖照明系統(tǒng)僅在傳輸距離不長、照明面積不大的場所得到較好應(yīng)用推廣，而在長距離、大面積的場所照明中尚未有成熟的應(yīng)用。

3 隧道照明的特點(diǎn)

隧道照明是為了保證隧道內(nèi)交通順暢而設(shè)置的功能性照明，其照明的目的是為了給駕駛員在隧道行駛過程中提供一個安全、舒適的視覺環(huán)境，保障交通運(yùn)行，提高運(yùn)輸效率。隧道照明與通常的室內(nèi)功能性照明存在很大的差異，這是因為隧道是一個半封閉空間，在行車視覺特性上要比其他照明復(fù)雜得多，它不僅需要24小時不間斷照明，而且白天照明要比夜間照明更復(fù)雜。隧道照明的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)分段式照明

分段式照明是隧道照明最顯著的特點(diǎn)之一。這是由于白天隧道內(nèi)部與外部道路的光環(huán)境發(fā)生了很大的變化，視覺需要有一定的適應(yīng)時間才能看清道路的情況。因此，為了讓駕駛員在隧道兩端出入口處能有一個良好的視覺過渡，避免在隧道出入口處產(chǎn)生“黑洞”、“亮 (白)洞”等現(xiàn)象，隧道照明被分為幾個不同的照明段:入口段、過渡段、中間段和出口段，且每個照明段的路面亮度水平要求不同，如圖7 所示［5］。

圖7 隧道各照明段及相應(yīng)的白天路面亮度水平示意圖

(2)加強(qiáng)照明

由于隧道白天與夜間的照明要求不同，因此入口段、過渡段及出口段的照明是由基本照明和加強(qiáng)照明兩部分組成［6］。前者滿足夜間照明的要求，按中間段照明考慮;后者滿足白天照明的需要，可用功率較大的燈具加強(qiáng)照明。有研究表明，對于長度不大于3000m的中、長隧道，加強(qiáng)照明所需的用電量約占整個隧道照明用電量的50%［3］。而且隨著長度的減少，加強(qiáng)照明所占的比例將更大。

(3)非恒定的照明特點(diǎn)

隧道照明中入口段和過渡段的照明要求并非恒定不變的，這兩個照明段的路面亮度水平應(yīng)當(dāng)隨著隧道洞外亮度或等效光幕亮度的變化而調(diào)整。同時，按照《公路隧道和地下通道照明指南》CIE 88—2004的相關(guān)規(guī)定，對于過渡段的路面亮度最好是能根據(jù)人眼暗適應(yīng)曲線的特點(diǎn)從入口段結(jié)束點(diǎn)的路面亮度逐減過渡到中間段的路面亮度［7］。

4 天然光光纖照明系統(tǒng)在隧道照明中應(yīng)用

通過上述對天然光光纖照明系統(tǒng)和隧道照明特點(diǎn)的分析，天然光光纖在隧道照明中的應(yīng)用具有一定的可行性，且可以根據(jù)不同照明段的特點(diǎn)選擇合理的天然光光纖照明技術(shù)。

(1)高效、大型的光導(dǎo)入裝置在入口段和出口段照明的應(yīng)用

隧道入口段和出口段的位置緊鄰隧道洞口，具有利用天然光的先天優(yōu)勢。天然光光纖照明系統(tǒng)既可以節(jié)約照明能耗，又符合入口段路面亮度隨洞外亮度變化而變化的規(guī)律。但這兩個照明段的照明要求較高，特別是入口段的路面亮度是隧道照明中最高的。根據(jù)我國《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，在晴天條件下，對于交通量大、80km/h車速條件下的入口段亮度高達(dá)100 cd/m2以上，是中間段亮度的20倍以上，故要想滿足入口段路面亮度的要求則需采用高效、大型的光導(dǎo)入裝置，如圖3所示的極軸式定日鏡或帶有太陽跟蹤系統(tǒng)的大型透鏡聚光器，如圖8所示。

圖8 日本“向日葵”系統(tǒng)的大型聚光器

同時，光導(dǎo)入裝置的數(shù)量與集光措施還需要根據(jù)隧道洞口朝向、寬度、高度及洞外環(huán)境等因素確定。

(2)側(cè)面發(fā)光照明技術(shù)在隧道照明中的應(yīng)用

側(cè)面發(fā)光照明是光導(dǎo)照明系統(tǒng)中一項獨(dú)具特色的照明技術(shù)。如果僅僅利用光導(dǎo)照明技術(shù)進(jìn)行光的傳輸，而仍然以傳統(tǒng)點(diǎn)光源的方式進(jìn)行光輸出，則并沒有充分發(fā)揮光導(dǎo)照明技術(shù)的優(yōu)勢。在隧道照明中采用側(cè)面發(fā)光照明技術(shù)具有以下方面的優(yōu)勢:

①避免眩光。側(cè)面發(fā)光照明是將光能均勻的分配到整個光傳輸裝置上，因此其亮度就會降低，從而避免在行車過程中由于光源過亮所產(chǎn)生的眩光干擾。

②提高亮度均勻度。由于側(cè)面發(fā)光照明在隧道縱向上是連續(xù)的，不易出現(xiàn)傳統(tǒng)燈具之間出現(xiàn)“暗區(qū)”，同時配合良好的二次光學(xué)設(shè)計，則可以大大提高隧道路面的亮度均勻度和目標(biāo)可見度。

③避免頻閃效應(yīng)。頻閃效應(yīng)是駕駛時通過明暗周期性變化照明所產(chǎn)生的一種現(xiàn)象［7］。側(cè)面發(fā)光照明所產(chǎn)生的線光源避免了駕駛時出現(xiàn)明暗變化的現(xiàn)象，因此從根本上避免了頻閃效應(yīng)的發(fā)生。

④增強(qiáng)視覺引導(dǎo)性。由于側(cè)面發(fā)光照明所產(chǎn)生的線光源形成一條較明亮的光帶，提醒駕駛者注意路面方向的變化，使隧道具有良好的視覺引導(dǎo)性，如圖9所示。

圖9 隧道側(cè)面發(fā)光照明的視覺引導(dǎo)性

(3)石英光纖與側(cè)光光纖綜合照明技術(shù)在過渡段照明中的應(yīng)用

如上所述，側(cè)光發(fā)光照明具有良好的照明質(zhì)量。但目前市場上主要采用的是側(cè)面發(fā)光塑料光纖，如圖6所示。這種側(cè)面發(fā)光的光纖其光傳輸率較低，其光損耗有0.23dB/m。故在離隧道洞口幾十米的過渡段照明中，宜采用石英光纖與側(cè)光光纖結(jié)合的綜合照明技術(shù)，即采用光傳輸效率高的石英光纖將洞外采集的光傳輸?shù)竭^渡段起始點(diǎn)，過渡段的照明則采用側(cè)光光纖進(jìn)行傳輸及照明。雖然側(cè)光光纖的傳光效率隨著傳輸距離的增大而減弱，但這正與過渡段路面亮度需要逐減降低過渡到中間段的路面亮度的照明特點(diǎn)相吻合。故在過渡段采用石英光纖與側(cè)光光纖綜合照明技術(shù)可以充分發(fā)揮不同光纖的特點(diǎn)和性能。

(4)結(jié)合天然光光纖照明系統(tǒng)的隧道照明設(shè)計新思路

如前所述，隧道入口段照明要求很高，如完全采用天然光光纖照明系統(tǒng)則前期投入很高，故可以采用在隧道洞口前幾十米處建造遮光構(gòu)架的方式，將入口段延伸出隧道洞口之前。這樣處理后入口段的路面亮度可以由天然光來滿足，從隧道洞口開始則直接是隧道的過渡段，過渡段起始的路面亮度只有入口段的40%，故可以大大節(jié)約天然光光纖照明系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)量，同時，入口段上部的構(gòu)架還為光導(dǎo)入裝置的安裝提供了有利條件。因此，隧道洞口前遮光構(gòu)架的處理為隧道照明及天然光光纖照明系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好的條件，是隧道照明設(shè)計的一種新思路。

5 結(jié)論與展望

綜上所述，天然光光纖照明技術(shù)作為一項新的照明技術(shù)，具有一些傳統(tǒng)照明無法比擬的優(yōu)勢，其應(yīng)用范圍正在不斷拓展。雖然目前國內(nèi)外尚無成熟的隧道天然光光纖照明系統(tǒng)應(yīng)用實例，其主要原因是因為其高昂的前期投資和隧道照明的特殊性。但隨著光纖照明材料、技術(shù)的提升，制造工藝的不斷成熟和改進(jìn)，以及產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)，高品質(zhì)光纖的價格會逐漸降低，天然光光纖照明系統(tǒng)會逐步成為今后照明產(chǎn)業(yè)中一個重要的組成部分。

隧道照明因其特殊性，在光導(dǎo)照明技術(shù)的應(yīng)用上與其他功能照明具有一定差異。因此，本文通過對光導(dǎo)照明系統(tǒng)類型和特點(diǎn)的分析，結(jié)合隧道照明的特點(diǎn)，提出了適宜在隧道照明中采用的光導(dǎo)照明技術(shù)，即:

(1)隧道入口段和出口段照明宜采用高效、大型的光導(dǎo)入裝置;

(2)隧道各段照明均宜采用側(cè)面發(fā)光照明技術(shù);

(3)隧道過渡段照明宜采用石英光纖與側(cè)光光纖綜合照明技術(shù);

(4)隧道照明宜結(jié)合天然光光纖照明系統(tǒng)采用新的設(shè)計思路。

這些天然光光纖照明技術(shù)在提高隧道照明質(zhì)量、節(jié)約照明用電等方面具有很大優(yōu)勢，并有很好的應(yīng)用前景。但目前光導(dǎo)照明技術(shù)在隧道照明中的應(yīng)用和研究尚處起步階段，要想將其真正在隧道照明中普及，尚有許多照明技術(shù)方面的問題亟待解決。

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［6］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ 026.1—1999.公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范 ［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［7］CIE Technical Report.88—2004.Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses.2004.