公路隧道出口段光纤采光照明设计方法探讨

陈秀雯，胡英奎，翁 季，陈仲林

(1.重庆市江北嘴中央商务区开发投资有限公司，重庆 400024;2.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045）

0 引言

公路隧道是一种狭长的管状构筑物，其顶部和两侧是封闭的，所以对于公路长隧道而言，不但晚上需要照明，而且白昼时也需要人工照明，尤其在晴天，更是需要。在晴天白昼时，隧道洞口内外的亮度差别很大，这会使快速通行的驾驶员产生黑洞现象、亮洞现象和视觉适应的滞后现象等，这样不易发现障碍物，容易发生交通事故，影响驾驶员行驶的安全和舒适。因此，在进行隧道照明设计时，需要在公路隧道入口段、过渡段和单向公路隧道的出口段进行加强照明，即在一般照明的基础上，增加照明灯具，增加照明功率，加强入口段、过渡段和单向隧道出口段60 m长区域的照明水平，但是这会消耗大量电能。

1 隧道出口段照明设计

在《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1—1999）和《公路隧道照明设计细则》(报批稿）中，均明确规定在单向交通隧道中，应设置出口段加强照明，其亮度为中间段亮度的3倍和5倍(分成2段各30 m时）。亮度值的大小取决于行车设计速度大小和车流量等，具体值由相应的规范或细则确定，但一般处在3 cd/m2和50 cd/m2范围内，也就是说，需要在单向长隧道出口段额外增加的加强照明水平为2 cd/m2～40 cd/m2，而且实际上，越是天气晴朗，日光明亮，出口段的加强照明水平越要求高;反之，天气阴暗，则可以减少加强人工照明水平，在保证安全行车的前提条件下，节约电能。从以上分析中可以看出，出口段需要的加强照明水平的变化规律与洞口外天然光的变化规律是同步的，即洞外天然光强度大，则要求出口段的加强照明辐射出更多的光通量;反之亦对。因此，如果将天然光引入到出口段作为补充加强照明之用，应是合理的。

2 隧道出口段光纤采光照明设计方法探讨

单向隧道出口段天然光状况与当地天气状态关系很大，而天气状态的数量特征可由日照百分率和云量表示，它们之间有着密切关系，但是由自动记录的日照资料表述当地的天气状态更为确切。据研究表明，日照情况是衡量当地采用日光聚光方式可行性的一个数量指标，它影响采光系统的性价比和节能性。对于一般隧道出口段不宜采用侧窗等在建筑物中常用的采光方法，而应采用光电转换方法、太阳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 光电转换方法

光电转换方法中的关键技术是进一步提高太阳能电池的效率。太阳能电池有3种:非晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池，其中单晶硅太阳能电池的光电转换效率比较高，国产的最高可达20%左右。

虽然当隧道洞口外天然光不足或在晚上时，由光电转换方法获得的电能可供照明用，这与日光采光相比是一个非常突出的优点，但是当把贮存在蓄电池中的电转换成光时，光源光效率最高约为30%。因此，当利用光电转换方法进行隧道出口段照明时，总效率是不高的，据估算仅为6%左右。

2.1.2 直接采光方法

日光聚光系统是由日光聚光器、光纤和出射光装置(灯具）三大部分组成的。日光聚光器分为主动式和被动式两种，主动式日光跟踪聚光器通过跟踪传感器、控制电路、传动装置和驱动电机，提高了日光聚光器的跟踪精度。当光纤的输入端置于聚光器的焦点处时，可提高太阳光的入射能量密度。例如，日本生产的型号为“向日葵”自动跟踪日光的系统，日光聚光器的聚光度可达1.5×104倍。跟踪式日光采光系统已在上海虹桥高铁枢纽站等照明工程中实际使用。

光纤在传输光时，单位长光纤的光能衰减量β用公式表示:

式中:Φ——光纤输出光通量;

Φ0——光纤输入光通量;

τ——单位长光纤透光率。

当光通过光能衰减量β为－20 dB/km的a米长光纤后，光衰减到输入光通量的百分之几可由公式确定:

当光通过β为－20 dB/km、长为a米后，由(2）式算得的光透过率见表1。

表1 当光通过β=－20 dB/km长为a米后光透过率

从表1中看出，如采用光能衰减量 β为－20 dB/km的石英芯光纤在隧道出口段长为60 m的光能损耗仅为24%，相当于光通过厚度为6 mm的普通玻璃的光损耗。因此，从光损耗的角度上看，在隧道60 m长的出口段，采用日光跟踪聚光系统作为补充加强照明应是可行的，目前国产的相应产品也已成功运用于实际工程，采光效果良好。

2.1.3 混合采光方法

美国3M公司等联合开发了混合日光照明(HSL）系统，它主要由主动式日光采集器、光纤、太阳能电池和市电补充系统组成的。

日光的辐射光谱是一连续光谱，它包含波长小于380 nm的紫外线，可见光和波长大于780 nm的红外线。在一般情况下，紫外线占太阳辐射光谱能量的7%左右，可见光占47%左右，红外线占46%。HSL混合日光照明系统不但利用了可见光，而且通过该系统中特制的冷光镜把红外线引入光电池，就可把日光变成电，提高日光的利用效率。同时，又把人工光源与光纤输出端共同置于出射装置内。当天气条件较差时和晚上，可启动人工光源，进行人工照明。

2.2 隧道出口段光纤采光可行性探讨

在隧道出口段采用日光跟踪聚光光纤采光系统的可行性，主要由年平均日光光量、性价比和隧道照明技术等确定的。

2.2.1 年平均日光光量

太阳直射光在通过大气层时，由于散射、反射和吸收而衰减，所以通常将在大气层外垂直于太阳光的平面上、且在太阳与地球为平均距离时的照度，称为太阳照度常数E0，最近认为是133700 lx。当太阳光透过大气层射到地面时，由于受到大气层中空气分子、气溶胶、水汽、灰尘等的衰减，不同地区、不同天气时，大气的透明程度随时间、地点变化很大。在照明工程中，常用大气透过率P表示，在晴朗天空时，大气透过率为 0.75～0.85，一般的晴天空为0.65～0.75。在地表面上，垂直于太阳光的法向照度En可由下式表示，

式中:m——大气光学质量。

大气光学质量在太阳高度角hs较大时，可近似用下式估算，

根据当地气象观测资料和北京时间等，就可以计算出大气透过率P和大气光学质量m，再由(3）式算得在该地区垂直于太阳光的法向照度En。实际上，在一年之中，甚至在一天之中，该地区的气象参数是随时间不断变化的，所以由(3）式算得的法向照度En是随时间t而变化的因变量，应写成En(t）。因此，在单位被照面A上的光通量Φn(t），

日光光量Qn就是垂直于太阳光的单位被照面上光通量Φn(t）的时间t的积分量，

当被研究的时间t是1年时，则Qn称为年日光光量。由于在气象观测资料中容易获得大气透过率P的月平均值等，所以，由(6）式算得的年平均日光光量，就可以定量比较在隧道出口段采用日光采光系统的采光可能性。

为了获得较好的光纤采光系统的采光效果，除了被研究地区有较大的年平均日光光量和精确的自动跟踪日光装置及高质量光纤传输系统外，还要具有合适的光纤出射光装置，该装置应不但具有效率高、寿命长、外观好、防尘防水等特点，而且更重要的是使该出射光装置的配光曲线符合隧道照明要求，同时还要考虑运营车速、车流量、隧道线形等情况，提高交通安全性和驾乘人员的舒适性。

2.2.2 隧道出口段加强照明的人工光源选择

日光跟踪聚光光纤采光系统只有当太阳照射大地时才能发挥作用，当太阳被云遮挡时，该系统的采光效果失效。因此，在白昼时，当发生太阳被云遮挡的情况，有时天空还是很明亮，隧道出口对天空或地物的亮度还是很大，此时，应对隧道出口段采用人工光源进行加强照明，以提高交通安全性和舒适性。尤其当太阳被厚云遮挡而时隐时现时，就要求人工光源立即进行起动、减弱或关闭，并能进行亮度自动调整。在人工光源中LED照明光源突出的优点是响应快、可靠耐用、通过控制电路很容易调控亮度等，因此，隧道出口段宜采用LED人工光源进行基本加强照明，同时要求在日光照射大地时关闭或调低LED亮度，节约电能，保证隧道出口段合理的照明水平。

3 小结

日光跟踪聚光光纤采光照明系统适用于隧道出口段补充加强照明，由于可能产生太阳时隐时现的情况，所以隧道出口段基本加强照明宜采用响应快的LED人工光源照明，并进行自动控制其亮度。从理论上分析，日光跟踪聚光光纤采光照明系统可以用于出口段照明，它与LED光源一起组成隧道出口段加强照明。从实际上看，不但要看聚光光纤采光系统的聚光度，光纤传输时的光损耗，即不但要看该系统的传输效率(这是隧道出口段运用日光跟踪聚光光纤采光补充加强照明系统的技术保障）;而且还要看当地的光气候等条件，如果当地日照时数多，且纬度较低(太阳高度角大），以及隧道朝向等适宜，那么有利于聚光光纤采光系统高效工作;此外，国内外质量较好的产品价格比较贵，所以在隧道出口段具体运用该系统作为补充加强照明之用时，应仔细核实该系统的性价比和节电效果等。总之，在隧道出口段补充加强照明能否采用日光跟踪聚光光纤采光照明系统，不但要看该系统的技术先进性，还要看隧道所在地区的光气候条件的可行性。

年平均日光光量是表征隧道所在地区进行聚光采光能力的定量指标。如该值相对较大，则说明该地区的隧道采用采光设施的效果会较好，当采用相同品质的采光设施时，则年平均日光光量大的地区的隧道采光设施更为节能、性价比更好。

［1］JTJ026.1—1999.公路隧道通风照明设计规范［S］

［2］JTG/T DXX—2010.公路隧道照明设计细则 (送审稿）

［3］江源，殷志东.光纤照明及应用［M］.北京:化学工业出版社，2009

［4］(日）照明学会编，李农，杨燕译.照明手册(原书第二版）［M］.北京:科学出版社，2005