天然光光纤照明系统在隧道照明中的应用

许景峰 宗德新 胡英奎，2

(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)

1 引言

随着我国道路交通事业的迅猛发展，隧道数量日趋增多。隧道照明作为隧道工程一个重要组成部分，其照明运营电费不断增高，如何在满足隧道行车安全及舒适的照明环境下节约照明用电已显得尤为重要。

光学纤维又称光导纤维，简称光纤，它是在20世纪50年代以后特别是20世纪70年代以后获得迅猛发展［1］。光纤照明作为光导照明的一种，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。根据光源的不同分为人工光源和天然光光纤照明系统两种，后者通常采用日光聚光器或集光装置将天然光导入光纤中传输到需要照明的场所，即天然光光纤照明系统。因光源采用的是清洁能源，故具有良好的节能效果。

目前，光纤照明技术已经日趋成熟，天然光光纤照明系统作为一种新型的、无能耗的照明系统正处于推广阶段，国内外已有不少公司及厂家从事天然光光纤照明系统产品的设计和生产，并在博物馆、医院、住宅、办公楼和地下通道等场所的功能照明上得到实际应用。但在隧道照明中的应用却有待开发，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。因此，进行天然光光纤照明在隧道照明中的应用研究对隧道照明节能具有重要的理论和实际意义，通过对天然光光纤照明系统和隧道照明特点的系统分析，为天然光光纤照明系统在隧道照明中的应用和推广提供思路和依据。

2 天然光光纤照明系统概述

2.1 天然光光纤照明系统的组成

天然光光纤照明系统主要由光导入装置 (聚光器)、光传输装置 (光纤)和光输出装置 (光纤灯)三个主要部分组成［2］，如图1所示。有时光纤同时具有光传输和光输出的作用，如侧光发光光纤。

图1 天然光光纤照明系统组成示意图

2.2 天然光光纤照明系统的类型

随着新技术、新材料的不断发展，天然光光纤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)根据光导入装置的聚光方式分为:

①透镜折射聚光方式，即采用凸透镜或菲涅耳透镜将照射在透镜上的太阳光聚焦在焦点上，并通过光纤入射端的精确定位提高光纤传输太阳光的效率，如图2所示的日本“向日葵”的透镜聚光器。

图2 日本“向日葵”12镜聚光器

②曲面镜或凹面镜反射聚光方式，即通过凹面镜将太阳反射光聚焦在传光束入射端。如图3所示的极轴式定日镜［3］。

图3 极轴式定日镜示意图

(2)根据光导入装置的运行方式分为:

①被动式光导入装置，即聚光器是固定不动的，构造简单，但天然光效率低。

②主动式光导入装置，即光导入装置中增加了太阳光跟踪传感器、控制器和相关机械传动装置，让聚光器时刻对准太阳，天然光效率高。目前大部分天然光光纤照明系统都采用这种方式，如图2、图3所示。

(3)根据光纤的材料分为:

①石英光纤

②聚合物光纤，也称塑料光纤

③多组分玻璃光纤

除了上述三种目前常用的光纤外，还有液芯光纤和空芯光纤等。三种光纤各具特点，其中石英光纤的光传输效率最高，其光损耗可以达到0.01dB/m以内，在长距离传输上具有很大的优势，但成本较高。塑料光纤和玻璃光纤的光损耗相比较大，有0.15dB/m，在光传输的距离上有一定限制。但塑料光纤便于制作成大直径的传光束便于获得更大的光通量和高敛集率［4］，故在目前市场上应用广泛。

(4)根据光输出装置的发光方式分为:

①端部发光光纤，即与传统的照明装置类似，把光传输到一定位置后通过连接光纤端部的光纤灯具散射出来。这是目前大部分天然光光纤照明系统所采用的方式，如图4、图5所示。

图4 应用于各种场所的日本“向日葵”天然光光纤照明系统

图5 上海虹桥火车站的国产天然光光纤照明系统

图6 侧面发光塑料光纤及其应用

②侧面发光光纤，即光在传输的过程中不断从光纤的侧面散射出来。目前侧光光纤照明系统在装饰和景观照明上得到较多的应用。如图6所示。

2.3 天然光光纤照明系统的特点

天然光光纤照明系统作为一种新型的照明系统，具有以下几个方面的优势:

(1)节能环保。天然光光纤照明系统的光源是无能耗的清洁能源，减少了白天的人工照明用电量;同时，不存在电光源的热作用和发热量，也可降低空调系统的耗电量，故具有良好的节能效益。

(2)便于维护。由于天然光光纤照明系统的光都来自于光导入装置采集的太阳光，因此，对集中布置的光导入装置进行良好的维护就可满足要求。

(3)布置灵活。天然光光纤照明系统的光输出装置可以实现点、线、面等多种形式的发光方式。可以使照明设计更具自由度、多样性和艺术性。

(4)安全健康。天然光光纤照明系统可以控制输出光中紫外线和红外线的含量，为室内提供一个健康、舒适的高品质照明环境。因此，在医院、健身房、博物馆等场所得到广泛应用。同时，该系统不会受到电力隐患和电磁干扰等影响，安全性好。因此，也广泛用于寒冷潮湿、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。

虽然天然光光纤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石英光纤照明系统，其价格约5万元左右。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。天然光光纤照明系统中光的传输是通过光纤进行的，虽然石英光纤具有很高的光传输效率，但在1000m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，因此目前天然光光纤照明系统仅在传输距离不长、照明面积不大的场所得到较好应用推广，而在长距离、大面积的场所照明中尚未有成熟的应用。

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小时不间断照明，而且白天照明要比夜间照明更复杂。隧道照明的特点主要体现在以下几个方面:

(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7 所示［5］。

图7 隧道各照明段及相应的白天路面亮度水平示意图

(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［6］。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3000m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%［3］。而且随着长度的减少，加强照明所占的比例将更大。

(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［7］。

4 天然光光纤照明系统在隧道照明中应用

通过上述对天然光光纤照明系统和隧道照明特点的分析，天然光光纤在隧道照明中的应用具有一定的可行性，且可以根据不同照明段的特点选择合理的天然光光纤照明技术。

(1)高效、大型的光导入装置在入口段和出口段照明的应用

隧道入口段和出口段的位置紧邻隧道洞口，具有利用天然光的先天优势。天然光光纤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。但这两个照明段的照明要求较高，特别是入口段的路面亮度是隧道照明中最高的。根据我国《公路隧道通风照明设计规范》规定，在晴天条件下，对于交通量大、80km/h车速条件下的入口段亮度高达100 cd/m2以上，是中间段亮度的20倍以上，故要想满足入口段路面亮度的要求则需采用高效、大型的光导入装置，如图3所示的极轴式定日镜或带有太阳跟踪系统的大型透镜聚光器，如图8所示。

图8 日本“向日葵”系统的大型聚光器

同时，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。

(2)侧面发光照明技术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技术进行光的传输，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技术的优势。在隧道照明中采用侧面发光照明技术具有以下方面的优势:

①避免眩光。侧面发光照明是将光能均匀的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出现“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［7］。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，如图9所示。

图9 隧道侧面发光照明的视觉引导性

(3)石英光纤与侧光光纤综合照明技术在过渡段照明中的应用

如上所述，侧光发光照明具有良好的照明质量。但目前市场上主要采用的是侧面发光塑料光纤，如图6所示。这种侧面发光的光纤其光传输率较低，其光损耗有0.23dB/m。故在离隧道洞口几十米的过渡段照明中，宜采用石英光纤与侧光光纤结合的综合照明技术，即采用光传输效率高的石英光纤将洞外采集的光传输到过渡段起始点，过渡段的照明则采用侧光光纤进行传输及照明。虽然侧光光纤的传光效率随着传输距离的增大而减弱，但这正与过渡段路面亮度需要逐减降低过渡到中间段的路面亮度的照明特点相吻合。故在过渡段采用石英光纤与侧光光纤综合照明技术可以充分发挥不同光纤的特点和性能。

(4)结合天然光光纤照明系统的隧道照明设计新思路

如前所述，隧道入口段照明要求很高，如完全采用天然光光纤照明系统则前期投入很高，故可以采用在隧道洞口前几十米处建造遮光构架的方式，将入口段延伸出隧道洞口之前。这样处理后入口段的路面亮度可以由天然光来满足，从隧道洞口开始则直接是隧道的过渡段，过渡段起始的路面亮度只有入口段的40%，故可以大大节约天然光光纤照明系统设备的数量，同时，入口段上部的构架还为光导入装置的安装提供了有利条件。因此，隧道洞口前遮光构架的处理为隧道照明及天然光光纤照明系统的应用提供了良好的条件，是隧道照明设计的一种新思路。

5 结论与展望

综上所述，天然光光纤照明技术作为一项新的照明技术，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。虽然目前国内外尚无成熟的隧道天然光光纤照明系统应用实例，其主要原因是因为其高昂的前期投资和隧道照明的特殊性。但随着光纤照明材料、技术的提升，制造工艺的不断成熟和改进，以及产品的批量化生产，高品质光纤的价格会逐渐降低，天然光光纤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，在光导照明技术的应用上与其他功能照明具有一定差异。因此，本文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高效、大型的光导入装置;

(2)隧道各段照明均宜采用侧面发光照明技术;

(3)隧道过渡段照明宜采用石英光纤与侧光光纤综合照明技术;

(4)隧道照明宜结合天然光光纤照明系统采用新的设计思路。

这些天然光光纤照明技术在提高隧道照明质量、节约照明用电等方面具有很大优势，并有很好的应用前景。但目前光导照明技术在隧道照明中的应用和研究尚处起步阶段，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。

［1］江源.光纤照明发展史 ［J］.光源与照明，2009，(3):46～48.

［2］陈仲林，王爱英.光导天然光系统应用展望 ［A］.首届光导纤维及光导管在照明领域应用科技研讨会专题报告文集［C］.2000年首届光导纤维及光导管在照明领域应用科技研讨会专题报告文集:129～133.

［3］张青文，陈仲林，余洪，罗玮.导光管照明技术在隧道照明中的应用前景 ［J］.灯与照明，2008，(3):1～5.

［4］江源，殷志东.光纤在太阳能系统中的应用 ［J］.激光与光电子学进展，2009，(10):49～56.

［5］许景峰，刘英婴.公路隧道照明中照明功率密度的探讨 ［J］.灯与照明，2009，(4):9～12.

［6］中华人民共和国行业标准JTJ 026.1—1999.公路隧道通风照明设计规范 ［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.