基于無(wú)影照明原理的公路隧道太陽(yáng)光反射照明應(yīng)用設(shè)計(jì)

李鵬飛 ，黨 風(fēng)，史玲娜，涂 耘，包謀多，王 宸

(1.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司平鎮(zhèn)高速公路建設(shè)管理處，陜西 西安 710075；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；3.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

引言

隨著我國(guó)公路隧道建設(shè)和通車?yán)锍痰脑黾?，隧道照明能耗仍以逐年遞增趨勢(shì)成為公路交通節(jié)能減排關(guān)注焦點(diǎn)[1]。盡管高效節(jié)能燈具和智慧化控制技術(shù)為隧道照明節(jié)能提供了進(jìn)一步的空間，但傳統(tǒng)電光源照明模式下仍需用能始終是隧道節(jié)能瓶頸所在[2-4]?！疤歼_(dá)峰、碳中和”的低碳減排目標(biāo)為太陽(yáng)光直接照明用于隧道實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能成為新的發(fā)展方向。作為一種有別于光伏供電的太陽(yáng)能利用方式，太陽(yáng)光直接照明以光場(chǎng)空間轉(zhuǎn)移為特點(diǎn)，光能利用率取決于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度，可突破傳統(tǒng)光伏利用技術(shù)因存在“光—電—光”二次轉(zhuǎn)換使得太陽(yáng)能利用率局限于20%左右的技術(shù)瓶頸[5，6]。招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司最新研制的太陽(yáng)光反射照明技術(shù)可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光利用率高達(dá)60%以上，并且光傳輸距離超過(guò)100 m，與太陽(yáng)光光纖照明技術(shù)與光導(dǎo)管技術(shù)相比，光能利用率更高，是目前國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)光遠(yuǎn)距離傳輸下光能利用率較高的技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)零能耗的公路隧道太陽(yáng)光直接照明技術(shù)的推廣成為可能[7-13]。

太陽(yáng)光反射照明技術(shù)以順光照明的方式直接將太陽(yáng)光投射至隧道入口，利用其傳輸?shù)奶?yáng)光與洞外亮度實(shí)時(shí)一致的優(yōu)點(diǎn)可解決隧道入口加強(qiáng)照明高能耗問(wèn)題。在系統(tǒng)高光能利用率實(shí)現(xiàn)的前提下，需進(jìn)一步解決系統(tǒng)工程安裝應(yīng)用的眩光和光線遮擋問(wèn)題。本文從無(wú)影照明的光學(xué)原理提出太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)的空間錯(cuò)位布置方法，有效克服了順光照明過(guò)程中行駛車輛對(duì)光線的遮擋，結(jié)合反射鏡的微調(diào)，避免系統(tǒng)間的光線遮擋與車輛反光鏡對(duì)駕乘人員的眩光影響，從而實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在隧道照明節(jié)能領(lǐng)域推廣應(yīng)用，為公路交通低碳減排提供綠色新能源、新技術(shù)應(yīng)用解決方案。

1 原理

本文提出的太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)在隧道入口前方的安裝方式如圖1所示。圖中101為安裝于隧道入口兩側(cè)的太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)陣列，每套系統(tǒng)的采光部件通過(guò)可水平偏轉(zhuǎn)與垂直偏轉(zhuǎn)的二維跟蹤系統(tǒng)始終以正對(duì)準(zhǔn)的方式采集太陽(yáng)光，并通過(guò)方向可調(diào)的反射鏡將太陽(yáng)光以不同的出射角投射至隧道內(nèi)部。由于每套系統(tǒng)的反射鏡以不同角度射至隧道內(nèi)部，通過(guò)太陽(yáng)光反射系統(tǒng)陣列中不同系統(tǒng)之間的縱向和橫向空間錯(cuò)位布置，即可實(shí)現(xiàn)基于無(wú)影照明原理的安全保障前提下太陽(yáng)光直接照明，達(dá)到該技術(shù)應(yīng)用下的隧道零能耗照明節(jié)能效果。

圖1 太陽(yáng)光反射照明安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of sunlight reflection lighting

圖2為單套系統(tǒng)在隧道外的安裝位置、其空間橫向與縱向參數(shù)以及反射鏡的二維偏轉(zhuǎn)角對(duì)太陽(yáng)光的隧道內(nèi)照明區(qū)域的影響關(guān)系。以反射鏡的光學(xué)中心為系統(tǒng)中心參考點(diǎn)進(jìn)行分析，由圖2可知，對(duì)于單套系統(tǒng)而言，影響太陽(yáng)光在隧道內(nèi)照明區(qū)域的參數(shù)為中心距地面高度h、距近端車道邊緣w0、距隧道口距離d0、反射鏡的水平偏轉(zhuǎn)角α和豎直偏轉(zhuǎn)角β。

圖2 單套系統(tǒng)安裝參數(shù)與太陽(yáng)光照明區(qū)域的關(guān)系Fig.2 Relationship between the installation parameters of a single system and the sunlight illumination area

在設(shè)定上述參數(shù)前提下，投射的太陽(yáng)光在隧道內(nèi)照明區(qū)域近端距洞口距離為d1、縱向照明區(qū)域長(zhǎng)度d2、近端離隧道壁的距離w1和橫向區(qū)域照明寬度w2，可得每一套設(shè)備在隧道內(nèi)的照明區(qū)域參數(shù)與系統(tǒng)的安裝參數(shù)滿足下述關(guān)系：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，γ和λ分別為反射光束的縱向和橫向光束擴(kuò)散角，為光學(xué)系統(tǒng)固有參數(shù)，即采用該系統(tǒng)進(jìn)行隧道太陽(yáng)光照明時(shí)，單套設(shè)備可通過(guò)安裝位置并調(diào)節(jié)反射鏡的水平偏轉(zhuǎn)角α和豎直偏轉(zhuǎn)角β進(jìn)行照明區(qū)域位置和范圍的設(shè)定。根據(jù)式(1)和式(2)得到單套系統(tǒng)在隧道內(nèi)照明范圍離洞口的距離及在隧道內(nèi)的照射長(zhǎng)度與反射鏡豎直偏轉(zhuǎn)角β的關(guān)系如圖3(a)所示。由圖3(a)可知，當(dāng)安裝高度(2 m)一定時(shí)，隨著豎直偏轉(zhuǎn)角β的減小，照射區(qū)域離洞口越遠(yuǎn)且長(zhǎng)度越長(zhǎng)；在2 m安裝高度下，當(dāng)豎直偏轉(zhuǎn)角為2°時(shí)，該系統(tǒng)所投射的太陽(yáng)光可從洞口以內(nèi)18 m起照亮96 m長(zhǎng)的范圍。當(dāng)安裝高度不同時(shí)，系統(tǒng)的投射范圍亦不同。圖3(b)為偏轉(zhuǎn)角β同為2°時(shí)，系統(tǒng)所投射的太陽(yáng)光距離洞口位置與安裝高度的關(guān)系。由圖3(b)可知，隨著安裝高度的增加，系統(tǒng)越能將太陽(yáng)光投射至隧道深處且投射長(zhǎng)度也增加，當(dāng)安裝高度為5 m時(shí)，系統(tǒng)可將太陽(yáng)光投射65 m起至近200 m范圍。

圖3 反射鏡豎直偏轉(zhuǎn)角、安裝高度與在隧道內(nèi)照射距離及長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between vertical angle of mirror and system installation height and irradiation distance and length in tunnel

根據(jù)式(3)和式(4)可得單套系統(tǒng)在隧道內(nèi)照明近端離隧道邊緣的距離及照射寬度與反射鏡水平偏轉(zhuǎn)角α和豎直偏轉(zhuǎn)角β之間的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，隨著水平偏轉(zhuǎn)角的增加，系統(tǒng)投射的太陽(yáng)光在隧道內(nèi)照射區(qū)域離隧道壁越遠(yuǎn)，照射寬度增加不大，兩者均隨豎直偏轉(zhuǎn)角的增加而減小。同樣經(jīng)過(guò)計(jì)算表明，系統(tǒng)所投射太陽(yáng)光在隧道內(nèi)的橫向位置和寬度亦隨著安裝高度的增加而增加。

圖4 反射鏡豎直與水平偏轉(zhuǎn)角與照明區(qū)域距隧道壁的關(guān)系Fig.4 Relationship between the vertical and horizontal angles of the mirror and the distance of illumination area to wall

由上述分析可知，當(dāng)太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)以順光照明方式將太陽(yáng)光投射進(jìn)入隧道時(shí)，每套設(shè)備所投射太陽(yáng)光在隧道內(nèi)的照明區(qū)域可通過(guò)設(shè)置合理的安裝參數(shù)，并調(diào)整反射鏡的偏轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)所需照明區(qū)域的太陽(yáng)光照明全覆蓋。以滿足240 m長(zhǎng)的隧道入口加強(qiáng)照明為例，當(dāng)隧道洞外亮度L20(S)為3 000 cd/m2時(shí)，隧道外的太陽(yáng)光直射照度可達(dá)2×105lx，根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)[14]，240 m長(zhǎng)的隧道入口和過(guò)渡段加強(qiáng)照明設(shè)置22套系統(tǒng)即可滿足照明要求，在隧道入口前方兩側(cè)路沿各設(shè)置11套系統(tǒng)，并按上述方法將每套設(shè)備的安裝參數(shù)在空間位置和投射方向上進(jìn)行錯(cuò)開，即可滿足該區(qū)域的光照需求。

2 無(wú)影照明設(shè)計(jì)

2.1 避免車輛遮擋的無(wú)影照明設(shè)計(jì)

根據(jù)無(wú)影照明設(shè)計(jì)原理，當(dāng)投射的太陽(yáng)光從不同方向入射時(shí)，盡管對(duì)于行駛至隧道內(nèi)的車輛擋住了部分光線，但只要行駛過(guò)程中始終有未被遮擋的光線即可減輕車輛的本影，并保證車輛前方始終有太陽(yáng)光照明，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5 避免車輛遮擋的無(wú)影照明設(shè)計(jì)原理Fig.5 Design principle of shadowless lighting to avoid vehicle occlusion

當(dāng)多套太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)以不同參數(shù)進(jìn)行安裝時(shí)，每套系統(tǒng)均由不同角度投射至隧道內(nèi)不同照明區(qū)域，假定車輛在行駛過(guò)程中進(jìn)入隧道內(nèi)的距離為l，要實(shí)現(xiàn)車輛前方有太陽(yáng)光照射，則系統(tǒng)安裝參數(shù)與車輛位置關(guān)系應(yīng)滿足條件：

h≥tanβ×(l+d0)+hv

(5)

(6)

其中，hv表示車身高度，wv表示車身離隧道壁距離。對(duì)于車輛行至隧道內(nèi)距口的距離為l時(shí)，只要多套系統(tǒng)中至少一套系統(tǒng)的安裝參數(shù)滿足上述要求，該車前方就有太陽(yáng)光照明。通常隧道凈高在7.5 m左右，車輛限高為5 m，由式(5)和式(6)可得車輛行至不同距離所需滿足的安裝參數(shù)如圖6和圖7所示。由圖6可知，當(dāng)行駛車輛在隧道內(nèi)的位置越往里，若要有太陽(yáng)光照亮其前方路面，則設(shè)備所需安裝高度越高；當(dāng)系統(tǒng)向下偏轉(zhuǎn)角越小時(shí)，所需安裝高度則越?。贿M(jìn)一步計(jì)算表明，當(dāng)系統(tǒng)越遠(yuǎn)離洞口時(shí)，所需安裝高度越高。因此，在實(shí)際系統(tǒng)安裝中，越靠近洞口的系統(tǒng)應(yīng)以較小的向下偏轉(zhuǎn)角并以較高的安裝高度進(jìn)行安裝，以達(dá)到太陽(yáng)光在隧道內(nèi)部較深處的照明，并避免駛?cè)胨淼纼?nèi)部較遠(yuǎn)的車輛對(duì)太陽(yáng)光的遮擋。

圖6 避免車輛遮擋的車輛距洞口距離與系統(tǒng)安裝高度和豎直偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.6 Relationship between the distance to avoid vehicle occlusion and system installation height and vertical angle

從圖7可知，當(dāng)行駛車輛位于隧道內(nèi)不同深處和不同車道位置時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)設(shè)置不同的水平安裝距離和水平偏轉(zhuǎn)角使光線投射至車輛前方，避免車輛的遮擋。進(jìn)一步分析圖7(a)可知，當(dāng)系統(tǒng)安裝于洞外路側(cè)距洞口距離一定時(shí)，系統(tǒng)的反射鏡水平偏轉(zhuǎn)角越小，太陽(yáng)光投至隧道內(nèi)相同深度離隧道邊緣距離越?。辉谙嗤狡D(zhuǎn)角時(shí)，太陽(yáng)光投至隧道內(nèi)越深，則越遠(yuǎn)離隧道邊緣。當(dāng)系統(tǒng)安裝于洞外離洞口距離不同時(shí)，如圖7(b)所示，在相同水平偏轉(zhuǎn)角下，要將太陽(yáng)光投射至相同位置，系統(tǒng)離洞口越遠(yuǎn)，則系統(tǒng)安裝應(yīng)離路沿越遠(yuǎn)；并且當(dāng)系統(tǒng)安裝離路沿越遠(yuǎn)時(shí)，太陽(yáng)光越難投射至隧道深處距隧道邊沿較近處。因此，系統(tǒng)采用路側(cè)式安裝時(shí)應(yīng)盡量沿著路沿安裝，并以較小水平偏轉(zhuǎn)角投射；越遠(yuǎn)離洞口的系統(tǒng)，應(yīng)離路沿距離越小，以達(dá)到遠(yuǎn)距離投射時(shí)可將太陽(yáng)光向縱深方向投射。

圖7 避免車輛遮擋的車輛在隧道內(nèi)位置與系統(tǒng)橫向安裝參數(shù)的關(guān)系：(a)不同水平偏轉(zhuǎn)角下車輛在洞內(nèi)位置與避免遮檔系統(tǒng)需離路沿距離要求，(b)系統(tǒng)距洞口不同距離下車輛在洞內(nèi)位置與避免遮檔系統(tǒng)需離路沿距離要求Fig.7 Relationship between position of vehicles in the tunnel to avoid vehicle occlusion and the transverse installation parameters of the system:(a)demand for the distance between system and roadside beyond the different horizontal angles and position of vehicle inside the tunnel，(b)demand for the distance between system and roadside beyond the different distance for system to tunnel portal and position of vehicle inside the tunnel

根據(jù)上述分析，當(dāng)有多套系統(tǒng)以陣列式安裝于隧道洞外時(shí)，兩側(cè)系統(tǒng)在避免山體及周邊建筑對(duì)采光影響的前提下應(yīng)盡量從近洞口處安裝，并遵循離洞口處系統(tǒng)安裝高度高、距路沿遠(yuǎn)的原則，由近至遠(yuǎn)高度依次降低，并依次接近路沿的錯(cuò)位安裝，盡量以小角度進(jìn)行豎直和水平偏轉(zhuǎn)，使陣列式安裝的系統(tǒng)均以不同指定方向投射至隧道內(nèi)不同位置；或以相同高度安裝，讓不同位置的系統(tǒng)反射鏡豎直偏轉(zhuǎn)角由近至遠(yuǎn)角度遞減，也可使太陽(yáng)光投射至隧道縱深處的不同位置，當(dāng)車輛行駛至隧道內(nèi)不同位置時(shí)均可滿足前方有太陽(yáng)光照明，從而實(shí)現(xiàn)車輛行駛中的太陽(yáng)光無(wú)影照明效果。

2.2 避免系統(tǒng)間遮擋的無(wú)影照明設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，要達(dá)到車輛行至隧道內(nèi)不同位置均能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的無(wú)影照明效果，可通過(guò)多套系統(tǒng)以錯(cuò)位陣列式的安裝方式進(jìn)行指定方向太陽(yáng)光投射，總可實(shí)現(xiàn)部分太陽(yáng)光以從不同角度射至車輛前方，達(dá)到無(wú)影照明設(shè)計(jì)原理。同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)隧道縱深處的太陽(yáng)光照明，系統(tǒng)在安裝方式以距洞口由近至遠(yuǎn)高度遞減方式為佳，或采用相同高度時(shí)反射鏡豎直偏轉(zhuǎn)角遞減，在距路沿距離上應(yīng)以越遠(yuǎn)離洞口距離越近的原則。在采用上述方式實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的無(wú)影照明設(shè)計(jì)后還需考慮系統(tǒng)間可能引起的遮擋對(duì)太陽(yáng)光投射的影響。

如圖8所示，由于系統(tǒng)以離洞口由近至遠(yuǎn)按高度遞減或高度一致的原則進(jìn)行安裝，系統(tǒng)間要避免光線遮擋，只能通過(guò)水平方向角度偏轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)光線出射。設(shè)以系統(tǒng)中心作為參考點(diǎn)，相鄰兩系統(tǒng)間的縱向間距為y，橫向間距為x，當(dāng)反射鏡的水平偏轉(zhuǎn)角為α、出射光的光束角為γ時(shí)，要滿足出射光不被前套系統(tǒng)遮檔，相鄰兩系統(tǒng)之間的安裝參數(shù)應(yīng)滿足要求：

圖8 避免光線遮擋的系統(tǒng)間錯(cuò)位安裝原理Fig.8 Principle of misplacement between systems to avoid light occlusion

(7)

其中，x0為系統(tǒng)半徑，且x0需滿足式(6)系統(tǒng)安裝中心離路沿的距離要求。

根據(jù)實(shí)際所研發(fā)太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)半徑為0.3 m，當(dāng)反射鏡分別以2°、3°、4°發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)時(shí)，在滿足式(6)條件下相鄰兩系統(tǒng)間不產(chǎn)生光線遮擋的橫向和縱向安裝間距如圖9所示，只要橫向間距大于系統(tǒng)半徑，根據(jù)路側(cè)式安裝的光路傳輸方向，不會(huì)發(fā)生相鄰系統(tǒng)對(duì)光線的遮擋；當(dāng)橫向間距小于系統(tǒng)半徑時(shí)，隨著間距的增加即后方系統(tǒng)越靠近路沿，兩系統(tǒng)間的縱向間距減小。分析表明，當(dāng)反射鏡的水平偏轉(zhuǎn)角為3o、橫向間距為0.05 m時(shí)，縱向間距5 m即可以達(dá)到要求，該間距亦滿足光學(xué)系統(tǒng)的跟蹤太陽(yáng)光過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑要求。

圖9 避免光線遮擋的相鄰系統(tǒng)橫向與縱向安裝間距要求Fig.9 Horizontal and longitudinal installation spacing requirements for adjacent systems to avoid light occlusion

由上述分析可知，當(dāng)太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)以路側(cè)式安裝于隧道洞口，并將太陽(yáng)光以順光照明方式投至隧道入口時(shí)，通過(guò)不同系統(tǒng)在安裝高度和橫向與縱向距離之間的設(shè)置，并微調(diào)反射鏡的出射方向，加之從系統(tǒng)中出射的太陽(yáng)光具有一定的發(fā)散角，該陣列式太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)將在隧道內(nèi)形成一種立體空間光場(chǎng)的太陽(yáng)光無(wú)影照明效果，可保證行駛于隧道內(nèi)的車輛前方路面始終有太陽(yáng)光照明，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的無(wú)遮擋太陽(yáng)光高效投射至隧道內(nèi)部。

進(jìn)一步分析可知，本技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中以總體向下投射的方式將太陽(yáng)光投射至隧道內(nèi)部，對(duì)于行駛車輛而言，順光照明的方式因與行車方向一致，不會(huì)產(chǎn)生直射駕乘人員的眩光，可能存在部分光線射到車頭兩側(cè)的反光鏡，根據(jù)幾何光學(xué)反射原理，光線將通過(guò)反射鏡沿下方反射，不會(huì)將反射光射至高于鏡面的人眼位置。因此，該技術(shù)屬于一種安全有保障的零能耗綠色照明新技術(shù)，以太陽(yáng)光的高利用率促進(jìn)隧道照明低碳節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。

3 模擬仿真

為進(jìn)一步驗(yàn)證太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)在順光照明方式有車輛行駛于雙車道隧道內(nèi)部時(shí)的無(wú)影照明效果，實(shí)驗(yàn)采用Tracepro進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)施效果仿真，在隧道洞口10～35 m處的兩側(cè)路沿以5 m為間距進(jìn)行陣列式布置。根據(jù)上述研究結(jié)果，安裝高度由近至遠(yuǎn)由6 m起以0.5 m進(jìn)行遞減，橫向以0.03 m的微小距離進(jìn)行光學(xué)中心錯(cuò)開。模擬仿真中通過(guò)微調(diào)反射鏡的偏轉(zhuǎn)角，使不同系統(tǒng)出射的光線射至隧道內(nèi)指定位置，實(shí)現(xiàn)隧道指定區(qū)域的照明效果。

當(dāng)隧道洞口無(wú)車輛遮擋時(shí)，由洞口至內(nèi)的照明效果如圖10(a)所示，由于不同系統(tǒng)從不同方位將光線由洞口射到內(nèi)部，最終實(shí)現(xiàn)由外至內(nèi)光照由強(qiáng)變?nèi)醯男Ч?，與隧道行車視覺(jué)需求一致，具備天然的視覺(jué)適應(yīng)性特點(diǎn)。圖10(b)和(c)分別為隧道內(nèi)一個(gè)車道和兩個(gè)車道有大車遮擋的路面照明效果。由圖可知，當(dāng)隧道內(nèi)兩個(gè)車道有大車遮擋時(shí)，路面的照明效果比一個(gè)車道被大車遮擋影響多些，但在車輛前方路面均有光照，并且整個(gè)照明區(qū)域的光照分布規(guī)律基本不變，三種情況的路面亮度分布規(guī)律基本與隧道行車視覺(jué)適應(yīng)性需求一致。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置數(shù)量增加時(shí)，路面亮度可成比例增加，并保持總體分布趨勢(shì)一致，說(shuō)明本系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置合理的參數(shù)可實(shí)現(xiàn)有遮擋情況下的無(wú)影照明效果。

圖10 有無(wú)車輛遮擋的太陽(yáng)光無(wú)影照明模擬仿真效果：(a)洞口無(wú)車輛遮擋，(b)洞口一個(gè)車道有車輛遮擋，(c)洞口兩個(gè)車道有車輛遮擋Fig.10 Simulation effect of sunlight shadowless lighting without vehicle occlusion:(a)no vehicle at the tunnel portal,(b)vehicle at one lane of tunnel portal,(c)vehicles at two lane of tunnel portal

4 工程應(yīng)用

4.1 工程應(yīng)用

根據(jù)上述研究，將本系統(tǒng)應(yīng)用于陜西平鎮(zhèn)高速隧道，作為隧道照明一部分，與現(xiàn)有電光源照明共同作用于該隧道照明，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光直接照明與電光源照明互補(bǔ)的照明安全與節(jié)能效果。作為技術(shù)應(yīng)用的試點(diǎn)工程，該隧道應(yīng)用了4套本系統(tǒng)，從距洞口9 m處以2.4 m為間距，統(tǒng)一以2 m的安裝高度進(jìn)行安裝，通過(guò)調(diào)節(jié)反射鏡的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行投射光方向的調(diào)整，具體設(shè)置參數(shù)如表1所示，并按圖11進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，安裝效果和出光效果如圖12所示。

圖11 太陽(yáng)光反射照明安裝施工設(shè)計(jì)圖Fig.11 Sunlight reflection lighting installation and construction design drawing

圖12 太陽(yáng)光反射照明工程實(shí)施效果Fig.12 Implementation effect of sunlight reflection lighting project

表1 太陽(yáng)光反射照明安裝參數(shù)表Table 1 Sunlight reflection lighting installation parameters table

4.2 應(yīng)用效果測(cè)試

為進(jìn)一步得到這種新型反射式太陽(yáng)光直接照明技術(shù)在實(shí)際工程領(lǐng)域的應(yīng)用效果并指導(dǎo)工程推廣應(yīng)用，分別從有無(wú)太陽(yáng)光照明對(duì)比效果和無(wú)影照明效果角度對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試。由于本技術(shù)的太陽(yáng)光照明以投射形式射入隧道，在隧道內(nèi)的照明范圍包括路面和墻面的整個(gè)空間范圍，因?qū)嶋H工程為通車運(yùn)營(yíng)隧道，為保證測(cè)試安全，測(cè)試人員在檢修道上對(duì)太陽(yáng)光所照射的隧道壁面的照度進(jìn)行測(cè)試分析，以得出太陽(yáng)光在隧道內(nèi)的照明效果以及無(wú)影照明效果的驗(yàn)證。

(1)有無(wú)太陽(yáng)光照明效果對(duì)比。

測(cè)試采用ST-86L型照度計(jì)，對(duì)隧道壁面同一區(qū)域進(jìn)行有太陽(yáng)光照明和無(wú)太陽(yáng)光照明下的照度測(cè)試。取相同條件下該區(qū)域有太陽(yáng)光照射下的測(cè)試點(diǎn)照度，之后直接在系統(tǒng)出光面將太陽(yáng)光擋住，對(duì)相同測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行照度測(cè)試，得到有無(wú)太陽(yáng)光照射情況下的墻面照度如圖13所示。

圖13 有無(wú)太陽(yáng)光照明隧道壁面照度測(cè)試Fig.13 Tunnel wall illumination test with or without sunlight illumination

由圖13可知，對(duì)于相同測(cè)試點(diǎn)，有太陽(yáng)光照明時(shí)其照度值比無(wú)太陽(yáng)光照明時(shí)普遍高20%以上，并且離隧道越遠(yuǎn)，增加比例逐漸提高。其原因在于無(wú)太陽(yáng)光照明時(shí)，路面照度在無(wú)電光源照明下主要來(lái)源于洞口自然光的貢獻(xiàn)，由于洞口自然光無(wú)法對(duì)隧道內(nèi)部進(jìn)行照明，所以離洞口越遠(yuǎn)，自然狀態(tài)下洞內(nèi)照度迅速降低。在通過(guò)本系統(tǒng)照明時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)反射鏡的偏轉(zhuǎn)角將太陽(yáng)光投至隧道內(nèi)部，所以這些區(qū)域的照度增幅很大，進(jìn)一步地，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)量增加時(shí)，內(nèi)部區(qū)域的照度增加幅度將進(jìn)一步增大。由于本技術(shù)是將太陽(yáng)光直接投射進(jìn)入隧道，意味著采用一定數(shù)量太陽(yáng)光直接照明系統(tǒng)用于隧道加強(qiáng)照明可完全解決白天加強(qiáng)照明的高照明需求，可為實(shí)現(xiàn)零能耗或低能耗的隧道加強(qiáng)照明提供一種根本性的技術(shù)方案。

(2)無(wú)影照明效果測(cè)試。

測(cè)試車輛行至隧道口不同車道時(shí)，隧道壁面因車輛對(duì)太陽(yáng)光的遮擋對(duì)照明區(qū)域照度的影響，測(cè)試仍采用照度計(jì)，分別對(duì)遮擋前后以及車輛處于不同車道時(shí)的同一位置的墻面照度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 有無(wú)車輛遮擋時(shí)的隧道內(nèi)照明測(cè)試效果Table 2 Test effect of tunnellighting with or without vehicle occlusion

由表2可知，在采用太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)時(shí)，盡管車輛行駛于隧道內(nèi)部會(huì)對(duì)部分光線有遮擋作用，但是由于在多套系統(tǒng)的空間光場(chǎng)共同作用下，車輛前方總有太陽(yáng)光照射。本試點(diǎn)工程因系統(tǒng)安裝于行車方向左側(cè)路沿往行車道路面投射太陽(yáng)光，因此當(dāng)車輛只在一個(gè)車道時(shí)，車輛位于超車道時(shí)測(cè)試區(qū)域照明效果優(yōu)于車輛在行車道的照明效果，其原因?yàn)楸鞠到y(tǒng)安裝設(shè)計(jì)的太陽(yáng)光在投射方向上沿洞口往行車道方向投射(超車道區(qū)域路面采用太陽(yáng)光光纖照明技術(shù)進(jìn)行照明)，在進(jìn)一步推廣應(yīng)用時(shí)如果采用同種技術(shù)將采用兩側(cè)對(duì)稱安裝方式，從而當(dāng)兩個(gè)車道或單個(gè)車道有車輛時(shí)，無(wú)影照明效果將更加明顯；并且，盡管車輛在不同位置對(duì)照明效果影響不同，但總體照度仍高于未有太陽(yáng)光照明時(shí)的照度。因本試點(diǎn)工程采用太陽(yáng)光直接照明與電光源照明相結(jié)合的技術(shù)方案，當(dāng)太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)臺(tái)套數(shù)增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的路面照度將進(jìn)一步增大，對(duì)應(yīng)所需的電光源照明比例可進(jìn)一步降低，從而可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光利用最大前提下的照明節(jié)能。

5 結(jié)論與討論

本文針對(duì)太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)的技術(shù)原理分析了采用順光照明方式時(shí)車輛行駛于系統(tǒng)前方對(duì)照明效果的影響。研究表明，當(dāng)系統(tǒng)采用陣列式安裝，并通過(guò)合理的高度與橫向間距設(shè)置以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)反射鏡的偏轉(zhuǎn)角，可以實(shí)現(xiàn)有遮擋前提下的無(wú)影照明效果，為這種具有天然自適應(yīng)特點(diǎn)的零能耗新型節(jié)能技術(shù)的推廣提供了系統(tǒng)應(yīng)用方案。

(1)采用陣列式的系統(tǒng)安裝方式，可從距洞口端由近至遠(yuǎn)高度遞減的原則進(jìn)行安裝，也可以相同高度進(jìn)行安裝，通過(guò)向下微調(diào)反射鏡的偏轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)從不同方向投射立體空間角的光束將太陽(yáng)光投至需照明區(qū)域內(nèi)不同位置，可避免前方車輛對(duì)光線的遮擋，實(shí)現(xiàn)有車輛情況下的無(wú)影照明效果；

(2)陣列式安裝的太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)可通過(guò)在橫向方向上，從距洞口端由近至遠(yuǎn)依次接近路沿的方式錯(cuò)位安裝，可避免系統(tǒng)間對(duì)光線的遮擋，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的太陽(yáng)光均可以指定方向投射進(jìn)入隧道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)光直接照明效果；

(3)實(shí)際工程應(yīng)用效果表明，太陽(yáng)光反射照明系統(tǒng)用于隧道入口可明顯提升隧道內(nèi)亮度水平，并且越往隧道內(nèi)部，提升效果越明顯。在行車方向有車輛遮擋時(shí)，車輛前方仍有太陽(yáng)光照明，高于未有太陽(yáng)光照明的照度，說(shuō)明采用陣列式太陽(yáng)光直接照明系統(tǒng)進(jìn)行隧道照明可實(shí)現(xiàn)無(wú)影照明效果。

由于本技術(shù)屬于一種零能耗的新型太陽(yáng)光直接照明技術(shù)，為目前國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)光直接照明技術(shù)中光能利用率較高的技術(shù)，將其用于隧道照明中通過(guò)合理的系統(tǒng)布設(shè)，可與電光源照明進(jìn)行互補(bǔ)照明，是一種行之有效的綠色環(huán)保低碳照明技術(shù)，對(duì)于降低公路交通傳統(tǒng)能源消耗、促進(jìn)節(jié)能減排具有積極的促進(jìn)作用。