自然光与LED混合照明系统在隧道照明设计中的应用

纪思美 高英明 张竞辉 王善鑫 曹冠英

(大连工业大学光子学研究所，辽宁大连 116034)

1 引言

随着经济的发展，汽车的使用量越来越大，造成道路和车辆的拥挤，为解决这一难题，作为隧道的一种，城市中的车行地下通道由此诞生，其意义就是为了缓解车流量的压力。为保证车辆在地下的行驶安全，无论白天还是夜晚的照明系统都是至关重要的［1］。

自然光是取之不尽、用之不竭的，是大自然赐予人类的宝贵财富，具有清洁、安全的特点，这是其他能源所没有的。自然光的导入可采用光导照明系统。光导照明系统对于建筑节能方面有很大的帮助，为我们更好的实现了建筑的节能减排，是一项现代的新兴应用技术，值得关注。除了节能，光导系统引入的是自然光，能构建一个良好的光环境，让人愉悦和舒畅［2］。现在光导照明系统已经应用的比较广泛，例如:学校、地下停车场、工业厂房、机场、住宅、高级会馆中的天窗场所［3］。在未来，光导照明系统会得到更好的发展。

本文利用自然光与人工光源LED混合照明系统对城市的车行地下隧道进行照明设计，以高效的方法来达到照明的节能效果，节约能源，保护环境。

2 隧道照明的整体设计方案

本文设计的宗旨是利用自然光与人工光源混合进行照明。即白天充分利用自然光对隧道进行照明;晚上或阴雨天当外界亮度低于隧道照明要求时，与隧道外路段同时启动人工照明［4］。自然光的引入采用光导照明系统，而光导照明系统分为光纤照明系统和光导管照明系统，考虑到光纤的成本比较高，所以本文照明设计的光导照明系统部分采用光导管;人工光源采用新型LED灯具。

2.1 光导管照明系统

光导管照明系统是由三部分组成的，即采光装置、导光装置、漫射装置［5］(如图1所示)，光导管地上安装的效果如图2所示。光导管照明系统的原理就是通过采光装置对外界的自然光进行大量的采集，将这些光线导入到系统的内部。到达内部的光线会经过光导管照明系统的第二部分——导光装置，在其中，光线会经过多次的反射使自然光的传播方向得以改变［6］。而导光装置是由特殊的材料制作而成的。最后光线到达底部的漫射器，而漫射器的作用就是将自然光线最终均匀导入到需要照明的地方。

图1 光导管照明系统结构图Fig.1 The structure of light pipe system

图2 光导管地上安装效果图Fig.2 Installation of light pipe on the ground

本文所选用光导管照明系统的参数如下:集光器形状为圆顶形，高375mm;光导管形状为圆形，半径375mm，长度610mm;漫射器形状为圆形，高150mm。

2.2 LED灯具

选择飞利浦公司的一款100W的LED灯具，具体型号为:SSL eW Profile Powercore BCX411 489mm 2×5-LED-HB/NW-4000，具体信息如图3所示。

图3 LED灯具信息Fig.3 The information of LED lamps

2.3 隧道照明

由于隧道内部和隧道外部亮度的巨大差别，导致司机在进入和通过隧道的过程中，会产生许多特殊的视觉问题，给行车带来了不便。白天当司机驶入隧道时，由于隧道内部的亮度低于外部亮度很多，使司机感觉一瞬间从白变黑，看不清洞口里面的状况，这就是所谓的黑洞效应。因为司机要经过一定的时间 (3s以上)才能够恢复视觉，看清前方的状况，所以这一现象很容易造成交通事故［7］。而当司机要驶出隧道时，亮度由弱变强，使司机眼前一瞬间发白，产生强烈的眩光，看不清洞外的状况，这就是所谓的白洞效应，这也是很危险的。为了消除这两种效应，要对隧道进行分段照明。隧道基本分为入口段、过渡段、中间段、出口段四部分［8］，如图4所示。

图4 隧道亮度曲线图Fig.4 The luminance curve for tunnel

3 隧道照明设计及计算

本设计以一条市内车行地下通道为例。隧道全长600m，路宽9m，隧道净高6m，为水泥混凝土路面，设计时速60km/h，车流量＞1300辆/h，为上下分离式双向车道，隧道洞外亮度L20(S)=4000cd/m2。

3.1 照明设计目标值

入口段亮度与长度分别为

过渡段亮度与长度分别为

Lth1=0.3Lth=26.4cd/m2， Dth1=44m

Lth2=0.1Lth=8.8cd/m2， Dth2=67m

Lth3=0.035Lth=3.08cd/m2，Dth3=100m

中间段亮度与长度分别为

Lin=2.5 cd/m2， D=110m

按照《公路隧道通风照明设计规范》中的说明，沥青路面的照度一般是亮度的15～22倍，水泥路面的照度一般是亮度的10～13倍［9］。本文所选用的是水泥混凝土路面，选取照度是亮度的10倍。隧道每段的长度及所需的亮度和照度的设计目标值如表1所示。

表1 隧道每段的长度及设计目标值Table 1 The length of each segment of the tunnel and target value of design

3.2 布灯设计

3.2.1 LED布灯

对于选用的100 W的LED灯具，采用的布灯方法为两侧对称式，以达到亮度均匀。每隔2.5 m布一盏，每排233盏，因此灯具总数为466盏，如图5所示。

DIAlux软件模拟亮度分布的结果如图6所示，全程照明的平均亮度为2.52 cd/m2，设计目标值为2.5 cd/m2，符合设计要求，达到了预期效果。亮度均匀度为:最小亮度/平均亮度=1.59/2.52=0.63，符合隧道亮度均匀度标准。

图5 LED布灯图Fig.5 The diagram of LED lamp arrangement

图6 LED布灯的灰阶图Fig.6 Gray scale map of LED lamp arrangement

3.2.2 光导管布置

(1)入口段:由于入口段照明需要的照度较高，所以采用两个光导管并列，每隔3m设置两个光导管，置于天花板中线上，共16个光导管，如图7所示;入口段隧道截面布灯如图8所示;Skyvision模拟计算结果如图9所示，通过Skyvision的模拟结果可以看到照度值达到781lx，加上隧道口处入射进来的光，可以达到设计目标值。

图7 入口段布灯图Fig.7 The lamp arrangement for entrance

图8 入口段隧道截面布灯图Fig.8 The cross-section lamp arrangement for entrance

图9 入口段计算结果Fig.9 The calculation results of entrance

(2)其他路段:过渡段1的长度为44m，在天花板的中轴线上，每隔4.4m安装一个光导管，共9个;过渡段2的长度为67m，在天花板的中轴线上，每隔13.4m安置一个光导管，共5个;过渡段3的长度为100m，在天花板的中轴线上，每隔33m安置一个光导管，共3个;中间段长度为110m，在天花板的中轴线上，每隔55m安置一个光导管，共2个。随着进入隧道的路程增加，照度值会逐渐减小。光导系统照明设计的目标照度值与实际计算达到照度值的对比，如表2所示。通过表中的数据对比，可以看出各段的照度值对比偏差很小，符合设计要求，达到了预期效果。

表2 计算与实际的照度对比 (单位:lx)Table 2 The contrast between calculated and actual luminance

本文总体布灯如图10所示，总计使用半径375mm型光导管68个;100W型LED灯具466个。

图10 整体布灯图Fig.10 The diagram of whole lamp arrangement

3.3 隧道照明的控制方案

本文利用光导管照明系统和LED灯具进行混合照明，在白天的时候，关闭LED灯，利用光导管照明系统，将自然光引入到隧道中进行照明。由于此系统能够充分利用自然光，所以可以自动调节云天、阴天、雨天等不良天气时亮度的变化［10］。而使用传统光源存在着不可自动调节，必须借助电脑控制的劣势，利用此系统轻而易举的解决了这一方面的不便。当白天向黑夜过渡，外界自然光的亮度小于隧道照明的最低亮度时，就要启动LED灯进行照明。此时的照明系统是自然光、外界路灯、LED灯三体的混合照明，这也是本文设计的一大亮点与特色。由以上说明可知本文设计的照明控制简单方便，自然光与LED混合照明系统也可以达到很好的节能效果。

3.4 节能分析

对于光导管照明系统的节能情况，采用Skyvision软件模拟，计算出入口段系统年节能指数为67%(见图11)，过渡段用Skyvision软件模拟后，计算出系统年节能指数为27.4%。通过以上数据可知，利用光导管照明系统是可以节约能源的，而且最高可达67%，节约一半以上的能源。

图11 入口段年节能指数Fig.11 The energy-saving index of the entrance

与使用人工照明的隧道相比，假设当白天的时候使用LED进行照明，整条车行地下通道总共有466盏100W的LED，每天从早上7点到17点，共10个小时，一年365天，一度电为0.5元，则车行地下通道一年的电费高达85045元。如果考虑黑洞效应，入口段还需进行加强照明，那么一年的电费就不止85045元;而且对于相比传统灯具节能的LED来说，都需要花费如此多的电费，可见白天使用光导系统可以节约大量的能源，减少大量的电费花销。

4 结论与展望

利用光导管照明系统与LED混合对车行地下通道进行照明设计。地下通道分为入口段、过渡段、中间段、出口段四部分，对每一段进行了合理布灯及照明计算，并利用DIAlux和Skyvision软件进行了模拟，得到了相关数据。通过数据分析了解到节能情况，达到了本次设计的预期效果。

本文设计的宗旨就是利用自然光与LED混合照明来达到节能与舒适的效果。白天使用光导管照明系统进行照明，无需电费;并且可自适应调节，无需复杂的控制系统，亮度会随着光线变化而变化。晚上使用LED灯具进行照明，和外界路灯照明使用同一照明控制系统，也起到了节能的效果。

节约能源、保护环境，提高照明品质一直都是绿色照明的宗旨，在人类面临能源困乏的今天，运用光导管照明技术来充分利用自然光是解决问题的一条途径。现在其应用的领域已经越来越广，并且飞速的发展着。在未来，也许人类将并不需要太多的人工能源，它将慢慢地被时代所淘汰，而人类生活照明中的主导将会变成自然光。它将会变成未来又一新兴的能源，解决能源枯竭的烦恼。节约能源、保护环境会是它最大的优势。

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