隧道照明墻面反射材料研究綜述

蔡賢云，翁 季，張青文，杜 峰

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

隧道照明墻面反射材料研究綜述

蔡賢云，翁 季，張青文，杜 峰

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

以隧道照明墻面反射材料為研究對(duì)象，綜合考慮隧道照明視覺(jué)功效、照明質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)和節(jié)能3因素，分析論述墻面材料鋪設(shè)范圍、材料選擇和墻面材料反射比3方面相關(guān)研究文獻(xiàn)。綜合文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容，從材料選擇、材料鋪設(shè)范圍和材料反射比的角度進(jìn)一步優(yōu)化隧道照明設(shè)計(jì)。

反射材料；鋪設(shè)范圍；材料選擇；反射比

21世紀(jì)以來(lái)中國(guó)公路隧道增長(zhǎng)迅速，整個(gè)“十二五”期間，公路隧道平均每年增長(zhǎng)里程超過(guò)1 000 km?！笆濉蹦?2015年底)，公路隧道總數(shù)量達(dá)到1.36萬(wàn)處，總里程突破1.2萬(wàn)km。隧道內(nèi)行車需同時(shí)滿足安全、舒適、節(jié)能要求，因此，對(duì)照明設(shè)計(jì)理念及實(shí)踐提出了全新挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有公路隧道照明質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由對(duì)比顯示系數(shù)qc、隧道內(nèi)兩側(cè)2 m高墻面亮度、中間段路面亮度均勻度和路面中線亮度縱向均勻度、燈具布置閃爍頻率等指標(biāo)構(gòu)成，直接決定了隧道照明能否滿足安全、舒適、節(jié)能的要求。

隧道內(nèi)墻面材料對(duì)隧道照明質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各參數(shù)會(huì)產(chǎn)生影響，隧道內(nèi)裝飾材料發(fā)展至今大致可歸為6類：混凝土(即保持混凝土本色,未裝飾)，涂料，面磚(瓷磚)，帶涂層的纖維混凝土板(如維特拉板、卡索板)，復(fù)合材料的鋁板(如氟碳鋁板、烤瓷鋁板)，搪瓷鋼板。研究表明，隧道側(cè)壁涂刷反射率較高的材料有利于改善隧道內(nèi)部照明環(huán)境，對(duì)隧道安全救援也有積極作用。因此，文章以墻面反射材料為研究對(duì)象，從鋪設(shè)范圍、材料選擇和材料反射比3個(gè)方面來(lái)論述墻面反射材料的研究現(xiàn)狀。

1 墻面反射材料鋪設(shè)范圍

CIE 88—1990和CIE 88—2004中均指出，考慮隧道照明質(zhì)量，隧道內(nèi)墻面2 m高范圍內(nèi)應(yīng)保證足夠的照明水平。CIE 88—2004還推薦隧道內(nèi)2 m高范圍內(nèi)墻面的平均亮度至少應(yīng)達(dá)到路面平均亮度水平的60%?！豆匪淼勒彰髟O(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)中同樣指出，路面兩側(cè)2 m高范圍內(nèi)墻面宜鋪設(shè)反射率高的材料。

馮守中指出，發(fā)光涂料有效激發(fā)光譜在200～450 nm之間。試驗(yàn)表明，發(fā)光涂料與照明光源(高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、LED燈等)組合照明可增加亮度，同時(shí)，發(fā)光涂料對(duì)自然光增亮效果更為明顯。筆者結(jié)合工程試驗(yàn)提出長(zhǎng)度小于250 m的高速公路隧道可直接用發(fā)光涂料照明而不再設(shè)置照明燈具(表1)，對(duì)于中、長(zhǎng)隧道采用照明與發(fā)光涂料組合的照明方式，在保證照明效果的前提下還可節(jié)能20%～25%。但是依據(jù)隧道照明相關(guān)規(guī)范，隧道內(nèi)最低亮度不得低于1.0 cd/m2，因此，直接通過(guò)發(fā)光涂料實(shí)現(xiàn)照明的舉措還需作進(jìn)一步的研究。

表1 隧道涂料照明白天實(shí)測(cè)亮度數(shù)據(jù)

郭春等利用DIALux照明軟件研究發(fā)光涂料鋪設(shè)范圍對(duì)公路隧道照明的影響。在模擬時(shí)參數(shù)設(shè)定為：路面材料反射比0.15，墻面材料反射比0.58。如果使用發(fā)光節(jié)能涂料，根據(jù)要求最低反射比為0.85，頂棚材料反射比0.1。隧道內(nèi)墻壁發(fā)光涂料鋪設(shè)范圍分為不鋪設(shè)、鋪設(shè)至兩側(cè)2 m、3 m、4.54 m、5.71 m、6.5 m、7 m高度及全截面8種情況。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，能效值隨鋪設(shè)范圍增大而減小，綜合考慮平均照度、平均亮度和亮度均勻度，發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)至墻壁兩側(cè)3 m高范圍內(nèi)能同時(shí)滿足安全與節(jié)能的要求。

2 墻面反射材料選擇

劉明高等分析歸納了隧道內(nèi)裝飾材料應(yīng)用現(xiàn)狀,并分析了內(nèi)裝飾材料選用標(biāo)準(zhǔn)與要求。要確保隧道內(nèi)行車環(huán)境,除了對(duì)照明光源及路面材料反光性作專門設(shè)計(jì)外,利用隧道內(nèi)裝飾材料來(lái)改善行車環(huán)境也是有效的方法。眾多工程實(shí)踐表明,側(cè)墻部位內(nèi)裝飾材料應(yīng)采用淺色,使隧道有限空間顯得寬敞，表面光滑的淺色材料反射系數(shù)高,不僅能起到反射燈光、提高路面照度的作用,而且能加強(qiáng)車輛與側(cè)墻間在亮度上的反差,使司機(jī)看清車輛或障礙物輪廓,從而確保行車安全。

梁波等分析了反光材料的增光照明原理，錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞同時(shí)起作用，人眼最敏感的光波波長(zhǎng)從明視覺(jué)狀態(tài)下的555 nm，變化為暗視覺(jué)狀態(tài)下的507 nm。此時(shí)，人眼視網(wǎng)膜上的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞對(duì)短波長(zhǎng)的光輻射更為敏感，并且富含短波長(zhǎng)的光有利于瞳孔收縮，更利于提高可見度，具有更高的光譜光視效率。反光材料的反射光光譜正處于短波長(zhǎng)范圍,因而，當(dāng)隧道壁采用反光材料后更加清晰可見，利于分辨路面目標(biāo)。梁波等通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)反光材料在公路交通標(biāo)志、標(biāo)牌、標(biāo)線中使用比較廣泛，而現(xiàn)階段反光材料在隧道交通中主要應(yīng)用于誘導(dǎo)性交通標(biāo)志，如，洞門的反光誘導(dǎo)、洞內(nèi)的交通標(biāo)牌、標(biāo)線以及反光道釘。

梁波等選擇背景亮度為1.0 cd/m2、1.5 cd/m2、2 cd/m2、2.5 cd/m2、3 cd/m2、3.5 cd/m2、4 cd/m2幾種情況，墻面材料分水泥砂漿和反光油漆2種，設(shè)定反光材料輔助照明環(huán)境下和隧道燈具直接照明環(huán)境2種情況,采用視覺(jué)功效法在反應(yīng)時(shí)間測(cè)試儀中測(cè)試10名受試者視看小目標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間。通過(guò)處理分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，人眼在反光材料輔助照明環(huán)境下比隧道燈具直接照明環(huán)境下的反應(yīng)時(shí)間更短(具體結(jié)果如表2所示)，說(shuō)明視覺(jué)功效更高,這說(shuō)明反光材料輔助照明環(huán)境更節(jié)能。

表2 不同內(nèi)壁材料和光源下反應(yīng)時(shí)間測(cè)試值

孫順杰在研究中指出，長(zhǎng)余輝發(fā)光材料是一類吸收光能并貯存，激發(fā)停止后再把貯存的能量以光的形式慢慢釋放，可持續(xù)幾個(gè)甚至十幾個(gè)小時(shí)發(fā)光的材料。長(zhǎng)余輝發(fā)光材料表面處理后應(yīng)用到涂料中，可制備出耐久性優(yōu)異、施工方便的發(fā)光涂料，可廣泛應(yīng)用于公路隧道(圖1)、應(yīng)急通道、地下通道和地下室等部位的指示照明，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 涂刷發(fā)光涂料的隧道

潘國(guó)兵等研究分析了現(xiàn)行照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和照明評(píng)價(jià)方法，調(diào)研現(xiàn)有照明光源、隧道內(nèi)裝材料和西南山區(qū)隧道照明技術(shù)現(xiàn)狀。通過(guò)軟件模擬、1∶10隧道模型模擬試驗(yàn)、1∶1隧道實(shí)體試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探討隧道照明節(jié)能規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隧道側(cè)壁采用反光蓄光材料可提高路面照明質(zhì)量，當(dāng)墻面反射率達(dá)到70%時(shí)路面照度至少可提高10%。反光蓄光涂料下的小目標(biāo)發(fā)現(xiàn)距離比防火涂料下的小目標(biāo)發(fā)現(xiàn)距離平均增大4～6 m，即用反光蓄光涂料鋪設(shè)的隧道墻面更有利于駕駛員的安全行車。在隧道入口段和出口段，自發(fā)光材料下的駕駛員瞳孔直徑變化幅度小，說(shuō)明駕駛員在反光蓄光涂料下的視覺(jué)負(fù)荷要小于水泥砂漿和防火涂料下的，有利于駕駛員在隧道內(nèi)行車的安全性及舒適性。

曾俊翔把自發(fā)光材料與其他傳統(tǒng)內(nèi)飾材料(水泥砂漿、白色防火涂料)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分析路面、墻面照明質(zhì)量指標(biāo)(照度、亮度、總均勻度、縱向均勻度)的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)飾材料的改進(jìn)，利用蓄能型自發(fā)光材料具有的高反射特性來(lái)鋪設(shè)隧道側(cè)壁，達(dá)到優(yōu)化隧道路面、墻面輔助照明的目的。利用眼動(dòng)儀研究駕駛員發(fā)覺(jué)小目標(biāo)物時(shí)的發(fā)現(xiàn)距離、瞳孔直徑變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在新型內(nèi)飾材料下，駕駛員發(fā)覺(jué)小目標(biāo)物時(shí)的發(fā)現(xiàn)距離最大，瞳孔直徑變化較小，說(shuō)明在此材料下人眼視覺(jué)功效最高，行車安全性及舒適性最好。

李文淵等利用自發(fā)光材料蓄能釋光的特性，通過(guò)模型隧道試驗(yàn)對(duì)7種光源條件下自發(fā)光材料的余輝亮度進(jìn)行測(cè)試，光源停止照射10 min后，自發(fā)光材料余輝亮度衰減至初始亮度的10%。此外，依托云南保騰高速公路鹿山隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)LED燈條件下的余輝亮度，發(fā)現(xiàn)斷電30 min后墻面的視覺(jué)誘導(dǎo)作用仍較明顯，突發(fā)事件中對(duì)隧道內(nèi)人員的緊急避險(xiǎn)和安全救援可起到積極作用。

3 墻面反射材料的反射系數(shù)

Boyce指出，隧道內(nèi)墻面反射比不得低于0.5。van Bommel在《Road Lighting—Fundamentals Technology and Application》一書中指出，隧道照明中逆光照明下的對(duì)比顯示系數(shù)值不小于0.6，對(duì)稱照明下對(duì)比顯示系數(shù)值則為0.2。但是這些值并未考慮小目標(biāo)物所在區(qū)域路面反射對(duì)目標(biāo)物垂直面照度的間接影響，而漫反射性能更好的表面會(huì)增加這種間接反射對(duì)垂直面照度的影響。綜合多方面因素墻面反射比在0.6～0.7為宜。

楊韜依據(jù)在重慶、貴州 23 條隧道實(shí)地調(diào)研得到的成果制作了1∶10隧道照明模型來(lái)研究隧道照明反射增量系數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，得到墻面反射比、路面反射比、光通量分配比與反射增量系數(shù)間的關(guān)系，具體結(jié)果為：

路面材質(zhì)為瀝青時(shí)，

Y=0.212x+0.997a=5.0

Y=0.194x+0.998a=5.3

Y=0.164x+0.998a=6.3

路面材質(zhì)為混凝土?xí)r，

Y=0.236x+0.996a=5.0

Y=0.217x+0.997a=5.3

Y=0.203x+0.986a=6.3

式中：Y為反射增量系數(shù)，x為墻面反射系數(shù)，a為光通量分配比。在此基礎(chǔ)上利用隧道照明反射增量系數(shù)優(yōu)化隧道照明計(jì)算方法，即在隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，將隧道內(nèi)表面對(duì)光線的反射作用考慮在內(nèi)。使用優(yōu)化后的照明計(jì)算公式對(duì)實(shí)際隧道照明進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證得出，瀝青路面可節(jié)能11%～ 14%，混凝土路面可節(jié)能12%～16%。

林勇提出在研究隧道內(nèi)表面光線反射提高路面照明質(zhì)量時(shí)，應(yīng)將隧道壁面視為沿隧道軸向連續(xù)的表面。鑒于隧道內(nèi)部多次光反射計(jì)算的紛繁復(fù)雜，通過(guò)編程得到計(jì)算軟件，通過(guò)參數(shù)設(shè)定可得到路面反射比、墻面反射比、光通分配比在不同情況下的反射增量系數(shù)(圖2)。除此之外，還可通過(guò)對(duì)比顯示系數(shù)計(jì)算軟件得到隧道內(nèi)各界面反射比在不同情況下的對(duì)比顯示系數(shù)值，而對(duì)比顯示系數(shù)是評(píng)價(jià)隧道照明質(zhì)量指標(biāo)之一。

圖2 隧道照明反射增量系數(shù)計(jì)算示例

史玲娜等結(jié)合高速公路工程實(shí)例,通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析不同側(cè)壁反光性能對(duì)隧道照明的影響。在隧道內(nèi)表面兩側(cè)3 m高度范圍內(nèi)對(duì)墻面涂不同反射率的反光材料與未涂反光材料時(shí)(即純混凝土表面情況下)的路面照明情況進(jìn)行測(cè)試。發(fā)現(xiàn)在相同光通量條件下，當(dāng)隧道內(nèi)表面兩側(cè)3 m高度范圍內(nèi)涂上具有50%反射率的漫反射反光材料時(shí),路面平均照度和照度均勻度明顯提高，節(jié)約光能約為13%,從而達(dá)到了降低能耗的作用。通過(guò)隧道模型實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隧道側(cè)壁反射率達(dá)到90%時(shí),節(jié)能效果在22%以上。

《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)指出，墻面的反射與襯托作用在隧道照明中非常重要，不容忽視。當(dāng)墻面反射率達(dá)到0.7時(shí)，路面亮度可提高10%。

肖堯等考慮不同隧道頂棚反射系數(shù)對(duì)路面平均照度的影響，利用照明軟件DIALux研究不同反射系數(shù)頂棚材料對(duì)路面平均照度的影響。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，分別得到在瀝青路面和混凝土路面下，隧道頂棚材料反射系數(shù)與隧道反射增量系數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，通過(guò)選擇高反射性能(0.5～0.7)的頂棚材料，可以提高路面平均照度，達(dá)到降低能耗目的。以某1 km長(zhǎng)隧道作為實(shí)測(cè)樣本，實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)在開燈率為70%、80%、90%時(shí)，頂棚反射系數(shù)的合理范圍分別為0.5～0.7、0.5～0.65、0.5～0.55。

4 結(jié) 論

從材料鋪設(shè)范圍、材料選擇和材料反射比3方面分析隧道照明墻面反射材料相關(guān)的研究文獻(xiàn)。根據(jù)隧道照明安全、舒適、節(jié)能的要求，隧道內(nèi)墻面材料應(yīng)結(jié)合光源的選擇、照明安裝方式綜合考慮。蓄光反射材料具有廣闊的應(yīng)用前景。墻面材料鋪設(shè)高度宜為2 m(也有研究指出應(yīng)為3 m)。墻面反射材料反射比不低于0.5，一般在0.7以上，而且墻面材料反射比應(yīng)結(jié)合隧道照明反射增量系數(shù)、墻面反射比、光通量分配比綜合考慮。現(xiàn)有研究經(jīng)過(guò)多次軟件模擬和隧道實(shí)測(cè)，均證實(shí)隧道墻面材料改進(jìn)后照明節(jié)能的效果顯著。

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TheResearchSummaryonWallReflectiveMaterialsinTunnelLighting

CAIXianyun,WENGJi,ZHANGQingwen,DUFeng

(Faculty of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400045，P.R.China)

In this paper, wall reflective materials in tunnel lighting was taken as the research object. Synthetically considering tunnel lighting visual effect, lighting quality evaluation index and energy saving, relevant research literature at home and abroad were analyzed and discussed. And the research literature including laying range of wall reflective materials, material selection and material reflectance ratio. Synthetically considering the literature research content, tunnel lighting design will be optimized from the perspective of laying range, material selection and material reflectance ratio.

wall reflective materials；laying range；material selection；material reflectance ratio

2017-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(51278507)

蔡賢云(1986-)，重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院博士研究生，主要從事建筑光環(huán)境研究。