隧道照明墙面反射材料研究综述

蔡贤云，翁 季，张青文，杜 峰

(重庆大学 建筑城规学院，重庆 400045)

隧道照明墙面反射材料研究综述

蔡贤云，翁 季，张青文，杜 峰

(重庆大学 建筑城规学院，重庆 400045)

以隧道照明墙面反射材料为研究对象，综合考虑隧道照明视觉功效、照明质量评价指标和节能3因素，分析论述墙面材料铺设范围、材料选择和墙面材料反射比3方面相关研究文献。综合文献研究内容，从材料选择、材料铺设范围和材料反射比的角度进一步优化隧道照明设计。

反射材料；铺设范围；材料选择；反射比

21世纪以来中国公路隧道增长迅速，整个“十二五”期间，公路隧道平均每年增长里程超过1 000 km。“十二五”末(2015年底)，公路隧道总数量达到1.36万处，总里程突破1.2万km。隧道内行车需同时满足安全、舒适、节能要求，因此，对照明设计理念及实践提出了全新挑战。现有公路隧道照明质量评价指标体系由对比显示系数qc、隧道内两侧2 m高墙面亮度、中间段路面亮度均匀度和路面中线亮度纵向均匀度、灯具布置闪烁频率等指标构成，直接决定了隧道照明能否满足安全、舒适、节能的要求。

隧道内墙面材料对隧道照明质量评价指标体系各参数会产生影响，隧道内装饰材料发展至今大致可归为6类：混凝土(即保持混凝土本色,未装饰)，涂料，面砖(瓷砖)，带涂层的纤维混凝土板(如维特拉板、卡索板)，复合材料的铝板(如氟碳铝板、烤瓷铝板)，搪瓷钢板。研究表明，隧道侧壁涂刷反射率较高的材料有利于改善隧道内部照明环境，对隧道安全救援也有积极作用。因此，文章以墙面反射材料为研究对象，从铺设范围、材料选择和材料反射比3个方面来论述墙面反射材料的研究现状。

1 墙面反射材料铺设范围

CIE 88—1990和CIE 88—2004中均指出，考虑隧道照明质量，隧道内墙面2 m高范围内应保证足够的照明水平。CIE 88—2004还推荐隧道内2 m高范围内墙面的平均亮度至少应达到路面平均亮度水平的60%。《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)中同样指出，路面两侧2 m高范围内墙面宜铺设反射率高的材料。

冯守中指出，发光涂料有效激发光谱在200～450 nm之间。试验表明，发光涂料与照明光源(高压钠灯、金属卤化物灯、LED灯等)组合照明可增加亮度，同时，发光涂料对自然光增亮效果更为明显。笔者结合工程试验提出长度小于250 m的高速公路隧道可直接用发光涂料照明而不再设置照明灯具(表1)，对于中、长隧道采用照明与发光涂料组合的照明方式，在保证照明效果的前提下还可节能20%～25%。但是依据隧道照明相关规范，隧道内最低亮度不得低于1.0 cd/m2，因此，直接通过发光涂料实现照明的举措还需作进一步的研究。

表1 隧道涂料照明白天实测亮度数据

郭春等利用DIALux照明软件研究发光涂料铺设范围对公路隧道照明的影响。在模拟时参数设定为：路面材料反射比0.15，墙面材料反射比0.58。如果使用发光节能涂料，根据要求最低反射比为0.85，顶棚材料反射比0.1。隧道内墙壁发光涂料铺设范围分为不铺设、铺设至两侧2 m、3 m、4.54 m、5.71 m、6.5 m、7 m高度及全截面8种情况。通过模拟发现，能效值随铺设范围增大而减小，综合考虑平均照度、平均亮度和亮度均匀度，发现铺设至墙壁两侧3 m高范围内能同时满足安全与节能的要求。

2 墙面反射材料选择

刘明高等分析归纳了隧道内装饰材料应用现状,并分析了内装饰材料选用标准与要求。要确保隧道内行车环境,除了对照明光源及路面材料反光性作专门设计外,利用隧道内装饰材料来改善行车环境也是有效的方法。众多工程实践表明,侧墙部位内装饰材料应采用浅色,使隧道有限空间显得宽敞，表面光滑的浅色材料反射系数高,不仅能起到反射灯光、提高路面照度的作用,而且能加强车辆与侧墙间在亮度上的反差,使司机看清车辆或障碍物轮廓,从而确保行车安全。

梁波等分析了反光材料的增光照明原理，锥状细胞和杆状细胞同时起作用，人眼最敏感的光波波长从明视觉状态下的555 nm，变化为暗视觉状态下的507 nm。此时，人眼视网膜上的神经节细胞对短波长的光辐射更为敏感，并且富含短波长的光有利于瞳孔收缩，更利于提高可见度，具有更高的光谱光视效率。反光材料的反射光光谱正处于短波长范围,因而，当隧道壁采用反光材料后更加清晰可见，利于分辨路面目标。梁波等通过调研发现反光材料在公路交通标志、标牌、标线中使用比较广泛，而现阶段反光材料在隧道交通中主要应用于诱导性交通标志，如，洞门的反光诱导、洞内的交通标牌、标线以及反光道钉。

梁波等选择背景亮度为1.0 cd/m2、1.5 cd/m2、2 cd/m2、2.5 cd/m2、3 cd/m2、3.5 cd/m2、4 cd/m2几种情况，墙面材料分水泥砂浆和反光油漆2种，设定反光材料辅助照明环境下和隧道灯具直接照明环境2种情况,采用视觉功效法在反应时间测试仪中测试10名受试者视看小目标的反应时间。通过处理分析实测数据发现，人眼在反光材料辅助照明环境下比隧道灯具直接照明环境下的反应时间更短(具体结果如表2所示)，说明视觉功效更高,这说明反光材料辅助照明环境更节能。

表2 不同内壁材料和光源下反应时间测试值

孙顺杰在研究中指出，长余辉发光材料是一类吸收光能并贮存，激发停止后再把贮存的能量以光的形式慢慢释放，可持续几个甚至十几个小时发光的材料。长余辉发光材料表面处理后应用到涂料中，可制备出耐久性优异、施工方便的发光涂料，可广泛应用于公路隧道(图1)、应急通道、地下通道和地下室等部位的指示照明，具有广阔的应用前景。

图1 涂刷发光涂料的隧道

潘国兵等研究分析了现行照明质量标准和照明评价方法，调研现有照明光源、隧道内装材料和西南山区隧道照明技术现状。通过软件模拟、1∶10隧道模型模拟试验、1∶1隧道实体试验和现场试验探讨隧道照明节能规律。研究发现，隧道侧壁采用反光蓄光材料可提高路面照明质量，当墙面反射率达到70%时路面照度至少可提高10%。反光蓄光涂料下的小目标发现距离比防火涂料下的小目标发现距离平均增大4～6 m，即用反光蓄光涂料铺设的隧道墙面更有利于驾驶员的安全行车。在隧道入口段和出口段，自发光材料下的驾驶员瞳孔直径变化幅度小，说明驾驶员在反光蓄光涂料下的视觉负荷要小于水泥砂浆和防火涂料下的，有利于驾驶员在隧道内行车的安全性及舒适性。

曾俊翔把自发光材料与其他传统内饰材料(水泥砂浆、白色防火涂料)进行对比试验，分析路面、墙面照明质量指标(照度、亮度、总均匀度、纵向均匀度)的变化规律。通过对隧道内饰材料的改进，利用蓄能型自发光材料具有的高反射特性来铺设隧道侧壁，达到优化隧道路面、墙面辅助照明的目的。利用眼动仪研究驾驶员发觉小目标物时的发现距离、瞳孔直径变化规律，发现在新型内饰材料下，驾驶员发觉小目标物时的发现距离最大，瞳孔直径变化较小，说明在此材料下人眼视觉功效最高，行车安全性及舒适性最好。

李文渊等利用自发光材料蓄能释光的特性，通过模型隧道试验对7种光源条件下自发光材料的余辉亮度进行测试，光源停止照射10 min后，自发光材料余辉亮度衰减至初始亮度的10%。此外，依托云南保腾高速公路鹿山隧道现场实测LED灯条件下的余辉亮度，发现断电30 min后墙面的视觉诱导作用仍较明显，突发事件中对隧道内人员的紧急避险和安全救援可起到积极作用。

3 墙面反射材料的反射系数

Boyce指出，隧道内墙面反射比不得低于0.5。van Bommel在《Road Lighting—Fundamentals Technology and Application》一书中指出，隧道照明中逆光照明下的对比显示系数值不小于0.6，对称照明下对比显示系数值则为0.2。但是这些值并未考虑小目标物所在区域路面反射对目标物垂直面照度的间接影响，而漫反射性能更好的表面会增加这种间接反射对垂直面照度的影响。综合多方面因素墙面反射比在0.6～0.7为宜。

杨韬依据在重庆、贵州 23 条隧道实地调研得到的成果制作了1∶10隧道照明模型来研究隧道照明反射增量系数。通过实验测量和数据分析，得到墙面反射比、路面反射比、光通量分配比与反射增量系数间的关系，具体结果为：

路面材质为沥青时，

Y=0.212x+0.997a=5.0

Y=0.194x+0.998a=5.3

Y=0.164x+0.998a=6.3

路面材质为混凝土时，

Y=0.236x+0.996a=5.0

Y=0.217x+0.997a=5.3

Y=0.203x+0.986a=6.3

式中：Y为反射增量系数，x为墙面反射系数，a为光通量分配比。在此基础上利用隧道照明反射增量系数优化隧道照明计算方法，即在隧道照明设计时，将隧道内表面对光线的反射作用考虑在内。使用优化后的照明计算公式对实际隧道照明进行计算验证得出，沥青路面可节能11%～ 14%，混凝土路面可节能12%～16%。

林勇提出在研究隧道内表面光线反射提高路面照明质量时，应将隧道壁面视为沿隧道轴向连续的表面。鉴于隧道内部多次光反射计算的纷繁复杂，通过编程得到计算软件，通过参数设定可得到路面反射比、墙面反射比、光通分配比在不同情况下的反射增量系数(图2)。除此之外，还可通过对比显示系数计算软件得到隧道内各界面反射比在不同情况下的对比显示系数值，而对比显示系数是评价隧道照明质量指标之一。

图2 隧道照明反射增量系数计算示例

史玲娜等结合高速公路工程实例,通过计算机模拟分析不同侧壁反光性能对隧道照明的影响。在隧道内表面两侧3 m高度范围内对墙面涂不同反射率的反光材料与未涂反光材料时(即纯混凝土表面情况下)的路面照明情况进行测试。发现在相同光通量条件下，当隧道内表面两侧3 m高度范围内涂上具有50%反射率的漫反射反光材料时,路面平均照度和照度均匀度明显提高，节约光能约为13%,从而达到了降低能耗的作用。通过隧道模型实验研究发现，当隧道侧壁反射率达到90%时,节能效果在22%以上。

《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)指出，墙面的反射与衬托作用在隧道照明中非常重要，不容忽视。当墙面反射率达到0.7时，路面亮度可提高10%。

肖尧等考虑不同隧道顶棚反射系数对路面平均照度的影响，利用照明软件DIALux研究不同反射系数顶棚材料对路面平均照度的影响。通过模拟实验，分别得到在沥青路面和混凝土路面下，隧道顶棚材料反射系数与隧道反射增量系数之间的关系。结果表明，通过选择高反射性能(0.5～0.7)的顶棚材料，可以提高路面平均照度，达到降低能耗目的。以某1 km长隧道作为实测样本，实测发现在开灯率为70%、80%、90%时，顶棚反射系数的合理范围分别为0.5～0.7、0.5～0.65、0.5～0.55。

4 结 论

从材料铺设范围、材料选择和材料反射比3方面分析隧道照明墙面反射材料相关的研究文献。根据隧道照明安全、舒适、节能的要求，隧道内墙面材料应结合光源的选择、照明安装方式综合考虑。蓄光反射材料具有广阔的应用前景。墙面材料铺设高度宜为2 m(也有研究指出应为3 m)。墙面反射材料反射比不低于0.5，一般在0.7以上，而且墙面材料反射比应结合隧道照明反射增量系数、墙面反射比、光通量分配比综合考虑。现有研究经过多次软件模拟和隧道实测，均证实隧道墙面材料改进后照明节能的效果显著。

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TheResearchSummaryonWallReflectiveMaterialsinTunnelLighting

CAIXianyun,WENGJi,ZHANGQingwen,DUFeng

(Faculty of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400045，P.R.China)

In this paper, wall reflective materials in tunnel lighting was taken as the research object. Synthetically considering tunnel lighting visual effect, lighting quality evaluation index and energy saving, relevant research literature at home and abroad were analyzed and discussed. And the research literature including laying range of wall reflective materials, material selection and material reflectance ratio. Synthetically considering the literature research content, tunnel lighting design will be optimized from the perspective of laying range, material selection and material reflectance ratio.

wall reflective materials；laying range；material selection；material reflectance ratio

2017-01-20

国家自然科学基金(51278507)

蔡贤云(1986-)，重庆大学建筑城规学院博士研究生，主要从事建筑光环境研究。