浅探光导照明系统在隧道照明中的应用

许景峰，翁 季，胡英奎

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆400045;

2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆400045)

0 引言

光导照明是一种特殊的照明技术，它可以将日光源或人工光源发出的光从一处传输到另一处，并根据照明需要进行光的重新分配。

虽然1880年俄国契卡洛夫已经首次提出并实现了光导管照明原理，但从上世纪60年代开始光导照明技术才有了比较迅猛的发展。目前，光导照明技术在国外日趋成熟，光导照明系统作为一种新型的照明系统逐渐普及，许多公司都在从事光导照明系统产品的设计和生产。国内的光导照明研究和使用起步较晚，理论研究和产品生产设计的能力与国外还存在一定的差距，但近些年，光导照明系统在国内照明市场也受到了广泛的关注和应用。光导照明系统不仅广泛用于室内艺术照明、建筑轮廓照明及景观夜景照明等装饰照明，而且在工业厂房、体育场馆、医院、住宅等场所的功能照明上也有实际应用，如图1、图2所示。

尽管光导照明技术日趋成熟，在许多建筑场所中得到了实际应用，并满足相应的照明要求。但在隧道照明(特别是山体隧道)中的应用却有待进一步研究和推广，这主要是因为隧道不同于一般建筑物，且照明要求也不同于一般场所。虽然国外已有光导照明技术在隧道照明中实际应用的案例，但尚未结合隧道照明的特点进行深入研究。因此，我们应当仔细分析隧道照明和光导照明系统的特点，为光导照明技术在隧道照明中的应用和推广提供思路和依据。

图1 北京科技大学体育馆的光导管照明

图2 上海虹桥火车站的光导纤维照明

1 光导照明系统的组成及类型

1.1 光导照明系统的组成

无论哪种类型的光导照明系统，都是由光导入装置、光传输装置和光输出装置三个主要部分组成，如图3所示。除了这三个主要的装置外，有时根据需要还会在光导入装置上增加太阳跟踪系统和备用人工光源，以及在光传输装置中增加调光系统等。

1.2 光导照明系统的类型

随着新技术、新材料的不断发展，光导照明系统的传输效率不断提高，出现了很多不同类型的照明系统。

(1)根据光源分为

1)人工光光导照明系统，即光源为人工光源。通常采用大功率和发光效率高的人工光源，如高压钠灯和陶瓷金卤灯等。

图3 光导照明系统组成示意图

2)天然光光导照明系统，即光源为天然光。根据集光器的工作原理，可分为主动式和被动式两种，前者可以更充分地利用太阳直射光提高采光效率，但需要增加太阳跟踪系统。

(2)根据导光方式分为

1)透镜光导照明系统，即采用反射镜和透镜把光变成平行光后在导光管或空气中传输。该系统由于增加了透镜和反射镜装置，导致了造价高和光损失大两个方面的缺陷，在实际工程中较少使用。

2)反射光导照明系统，即利用导光管内表面的多次光反射进行光的传输。该系统的总传光效率与内表面反射率、入射光的光束角、导光管尺寸与形状等相关。

根据导光管内表面的材料，可分为金属和非金属两类。其中非金属管壁材料可以通过表面多层覆膜可以得到很高的反射率，但目前由于这种多层覆膜结构造价昂贵，故非金属管壁尚未普及。

根据导光管的构造，又分为无缝导光管和有缝导光管两种。后者是在封闭的导光管上开出一条长的出光缝，使光线照射到所需的区域。这种导光管在一定照度和均匀度条件下，能够节约电能，减少安装和维护费用。

3)棱镜空心导光管照明系统，即采用棱镜导光管全反射原理进行光的传输，其构造如图4所示。从理论上讲，只要入射光线满足一定的条件，光线从导光管的一端射入，经过多次全反射可以无损失地到达另一端;但实际上，由于材料表面不可能绝对光滑，棱镜内存在气泡和杂质等方面的缺陷，使得棱镜空心导光管不但能以较高效率传输光线，其本身也是一个亮度均匀的发光体，能将光线均匀地分布在传播路径上。

图4 棱镜空心导光管构造示意图

4)光导纤维照明系统，即利用光在介质分界面上能发生全反射的原理进行光的传输。光导纤维的传光效率与光纤材料的光学性能有密切关系。

根据光纤的材料成分来分，主要有石英光纤、多组分玻璃光纤、聚合物光纤三大类。三种光纤各有其优点和特性，其中石英光纤的光学性能最好，光损耗小，但造价高;聚合物光纤具有较好的光学性能、低成本，以及不断提升的技术潜力，在实际照明工程中得到广泛的应用。

(3)根据光输出装置的发光方式分为

1)端部发光照明系统，即与传统的照明装置类似，把光传输到一定位置后从光传输装置的端部散射出来。如无缝导光管、端面发光光纤、透镜光导照明系统等。

2)侧面发光照明系统，即光在传输的过程中不断从光传输装置的侧面散射出来。如有缝导光管、棱镜导光管、侧面发光光纤照明系统等。

2 光导照明系统的特点

光导照明系统由于是将光输出装置与光源远距离联系，且光导照明系统的种类丰富，因此在照明上具有以下方面的优势:

(1)便于维护。由于光源的光可以远距离传输，因此可以将光源安装在维护起来更方便、更安全和更经济的场所。

(2)高效节能。光导照明系统可以将多个发光装置的光源集中在一起或共用一个大功率光源，因此可以采用数量更少、功率和发光效率更高的电光源，提高系统的照明效率。特别是天然光光导照明系统，其光源是无能耗的清洁能源，同时光导照明系统具有良好的保温性能，并可以屏蔽带有大量热量的红外光入射，故可以克服增加窗户采光面积而引起室内热负荷增加的传统缺陷，更具节能效益。如图1所示，北京科技大学体育馆的导光管照明系统初步估算每年可以节电42 420 kWh，在导光管的整个生命周期(25年)可以节电100多万kWh。

(3)布置灵活，装饰性强。由于光导照明系统的光传输和光输出装置的种类丰富，在实际应用中更具多样性、灵活性，可以根据设计需要改变光的传播方向和发光的效果。特别是采用光导纤维照明系统，其截面尺寸比较小，可以在保证传输效率的前提下灵活弯曲，形成特殊的装饰照明效果，增加照明设计的艺术性与自由度。

(4)安全健康。因为光源可远距离安装，室内照明场所不会受到电力隐患、光源热作用和电磁干扰等影响，安全性好。因此，广泛用于空气质量要求高、寒冷潮湿、易燃易爆的特殊场所照明，如火药厂车间、室内游泳池、冷库等。与此同时，室内照明场所不会受到光源眩光、交流噪声的干扰，特别是天然光光导照明系统还具有宽频谱、高显色、无闪烁的优点，可以为人们提供一个更加健康、舒适的高品质照明环境。

虽然光导照明系统具有以上传统照明系统无法比拟的优势，但目前在照明实际工程中仍存在一些应用瓶颈:

(1)造价高。价格是影响产品市场推广的一个重要因素，光导照明系统目前较高的价格仍是阻碍其推广普及的一个重要因素，特别是带有太阳跟踪系统的日光集光器、棱镜空心导光管，以及传光效率高的石英光纤目前的价格十分昂贵。一套国产的带太阳跟踪装置的光导石英纤维照明系统，其价格约5万元。虽然该系统在白天可以节约照明用电，但高昂的一次性投入及产品性价比问题是影响当前光导照明系统普及的重要原因。

(2)远距离衰减大。光导照明系统中光的传输是通过不同光传输装置进行的，然而无论哪种传输装置，随着光传输距离的增加，光传输的效率都会显著降低。即使采用造价高昂的、光衰减率小的石英纤维或表面多层覆膜的非金属导光管，在1 000 m后其传输效率也会降低到10%以下。因此，光导照明系统在光的远距离传输上技术尚未成熟。

正是由于上述的两方面缺陷，因此目前光导照明系统在低照度条件下的艺术照明和特殊场所照明上得到较广泛的应用，但在功能照明上的应用尚处于起步阶段，其照明技术尚待进一步的推广。

3 隧道照明的特点

隧道照明是为了保证隧道内交通顺畅而设置的功能性照明，其照明的目的是为了给驾驶员在隧道行驶过程中提供一个安全、舒适的视觉环境，保障交通运行，提高运输效率。隧道照明与通常的室内功能性照明存在很大的差异，这是因为隧道是一个半封闭空间，在行车视觉特性上要比其他照明复杂得多，它不仅需要24 h不间断照明，而且白天照明要比夜间照明更复杂。因此，隧道照明的特点主要体现在以下几个方面:

3.1 分段式照明

分段式照明是隧道照明最显著的特点之一。这是由于白天隧道内部与外部道路的光环境发生了很大的变化，视觉需要有一定的适应时间才能看清道路的情况。因此，为了让驾驶员在隧道两端出入口处能有一个良好的视觉过渡，避免在隧道出入口处产生“黑洞”、“亮(白)洞”等现象，隧道照明被分为几个不同的照明段:入口段、过渡段、中间段和出口段，且每个照明段的路面亮度水平要求不同，如图5所示。

图5 隧道各照明段及相应的白天路面亮度水平示意图

3.2 加强照明

由于隧道白天与夜间的照明要求不同，因此入口段、过渡段及出口段的照明是由基本照明和加强照明两部分组成。前者满足夜间照明的要求，按中间段照明考虑;后者满足白天照明的需要，可用功率较大的灯具加强照明。有研究表明，对于长度不大于3 000 m的中、长隧道，加强照明所需的用电量约占整个隧道照明用电量的50%。而且随着长度的减少，加强照明所占的比例将更大。

3.3 非恒定的照明特点

隧道照明中入口段和过渡段的照明要求并非恒定不变的，这两个照明段的路面亮度水平应当随着隧道洞外亮度或等效光幕亮度的变化而调整。同时，按照《公路隧道和地下通道照明指南》CIE 88-2004的相关规定，对于过渡段的路面亮度最好是能根据人眼暗适应曲线的特点从入口段结束点的路面亮度逐减过渡到中间段的路面亮度。

4 光导照明系统在隧道照明中的应用

对于城市广场下的隧道或上部覆土不深的隧道，可以利用垂直方向的光导管穿过广场下部或隧道上部的地面，将天然光引入隧道内。为了满足隧道不同照明段的亮度水平要求，可以在不同照明段采用不同数量或孔径大小的光导管来处理，如图6所示。同时，为了避免光导入装置与广场之间的相互影响，可以如德国柏林波茨坦广场的空腔镜面导光管那样突出于广场，并成为了广场景观的一部分，如图7所示。

图6 城市广场下隧道的光导照明系统示意图

图7 波茨坦广场的空腔镜面导光管

采用上述垂直安装的天然光光导照明系统用于城市广场下的隧道照明具有良好的效果，但如果用于穿山而过的隧道则很难采用了。因此，对此类隧道则需要仔细分析各照明段的照明要求，结合光导照明系统的特点合理地选择光导照明系统。

(1)天然光光导照明系统在入口段及出口段的应用

隧道入口段和出口段的照明要求较高，特别是入口段的路面亮度是隧道照明中最高的。同时，这两个照明段的位置紧邻隧道洞口，具有利用天然光的先天优势。因此，采用天然光光导照明系统既可以节约照明能耗，又符合入口段路面亮度随洞外亮度变化而变化的规律。

但由于穿山隧道不便采用垂直安装的导光管，故利用横向传输的光导照明方式是较好的选择。为了提高光导入装置的集光效率，宜采用极轴式定日镜集光装置或带有太阳跟踪系统的透镜集光器，如图8所示。光导入装置的数量与集光措施还需要根据隧道洞口朝向、宽度、高度及洞外环境等因素确定。

图8 日本“向日葵”系统的集光装置

(2)光导纤维和非金属导光管照明系统在过渡段的应用

隧道过渡段紧邻入口段和中间段，与隧道洞口有一定的距离(即入口段的长度)，其路面亮度与入口段一样也受洞外亮度的影响。如果采用覆膜金属导光管进行传输，则50 m后其传光效率降低到10%以下。因此，如果要想在过渡段(特别是过渡段前段)利用天然光，则需要采用传光效率高的石英光纤或非金属导光管照明技术，这两种照明系统在300 m处(基本覆盖了整个过渡段长度)仍可达到50%的传光效率。但这两种照明技术的造价相当昂贵，在目前条件下并不适合推广。

(3)侧面发光照明系统在隧道照明中的应用

侧面发光照明是光导照明系统中一项独具特色的照明技术。如果仅仅利用光导照明系统进行光的传输，而仍然以传统点光源的方式进行光输出，则并没有充分发挥光导照明系统在隧道照明中的优势。其优势主要体现在以下几方面:

1)避免眩光。侧面发光照明是将光能均匀地分配到整个光传输装置上，因此其亮度就会降低，从而避免在行车过程中由于光源过亮所产生的眩光干扰。

2)提高亮度均匀度。由于侧面发光照明在隧道纵向上是连续的，不易出现传统灯具之间的“暗区”，同时配合良好的二次光学设计，则可以大大提高隧道路面的亮度均匀度和目标可见度。

3)避免频闪效应。频闪效应是驾驶时通过明暗周期性变化照明所产生的一种现象。侧面发光照明所产生的线光源避免了驾驶时出现明暗变化的现象，因此从根本上避免了频闪效应的发生。

4)增强视觉引导性。由于侧面发光照明所产生的线光源容易形成一条较明亮的光带，提醒驾驶者注意路面方向的变化，使隧道具有良好的视觉引导性。

5)安装维护方便。如前所述导光照明系统可以采用大功率、光效高的光源，既可以减少光源的数量，又将光源安装在方便维护的场所。

值得注意的是，目前采用的侧面发光照明系统尚有待提高，图9所示的加拿callahan隧道所采用的棱镜空心导光管虽然具有侧面发光照明的优点，但是由于经过的棱镜导光管间接照射，其照明的效率并不高，在路面平均照度81 lx的条件下，照明功率密度LPD达到了6.7 W/m2，在照明节能方面并不有利。

图9 callahan隧道的棱镜空心导光管照明

5 小结

综上所述，光导照明系统作为一项新的照明系统，具有一些传统照明无法比拟的优势，其应用范围正在不断拓展。虽然光导照明系统目前尚存在远距离衰减大、造价高等缺陷，但随着光导照明材料、技术和制造工艺的不断成熟和改进，以及产品的批量化生产，光导照明系统会逐步成为今后照明产业中一个重要的组成部分。

隧道照明因其特殊性，在光导照明系统的应用上与其他功能照明具有一定的差异。因此，笔者通过对光导照明系统类型和特点的分析，结合隧道照明的特点，提出了适宜在隧道照明中采用的光导照明技术，即

(1)隧道入口段和出口段照明宜采用天然光光导照明系统;

(2)隧道过渡段照明宜采用光导纤维和非金属导光管照明系统;

(3)隧道各段照明均宜采用侧面发光照明系统。

这些光导照明系统在提高隧道照明质量、节约照明用电和便于安装维护等方面具有很大优势，应当具有很好的应用前景。但目前光导照明系统在隧道照明中的应用和研究也尚处起步阶段，要想将其真正在隧道照明中普及，尚有许多照明技术方面的问题亟待解决。

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