隧道加強照明中光導采光技術的應用現狀

許景峰，何 滎，翁 季

(重慶大學 建筑城規學院 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

0 引言

我國是一個多山國家，地勢西高東低，地形地貌差別大。自20 世紀90年v代后期以來，高速公路建設在國家政策的支持下得到了快速發展，截至2014年v底，高速公路通車里程已超過11 萬公里。高速公路網建設初期，主要是從經濟發達且修建難度比較小的地區開始，隨著國家主干道計劃的逐步實施，建設重點向經濟欠發達、地形復雜的西部地區轉移。其中，公路隧道憑借其縮短里程、減少征地、提高運輸效率、保護生態環境等優點，在山區公路建設中得到廣泛采用。截至2013年v底，全國公路隧道有11 359 處、9 605.6 km，已成為世界上公路隧道最多、發展最快的國家。隨著西部大開發的持續，特別是2013年v最新出臺的《國家公路網規劃(2013—2030年v)》在西部地區又增加了2 條縱向高速公路，將原“7918 網”升級為“71118 網”。公路隧道項目日益增多，長、大隧道數量將繼續攀升。但隨之而來的是隧道照明用電量的大幅提高，僅以重慶為例，初步統計2010年v以來每年用于隧道照明的電費就已超過2.5 億元。高昂的運營成本，已使不少隧道出現了“建得起養不起”的現實問題。因此，迫切希望有新的照明技術和方法，在滿足行車舒適、安全的條件下能節約隧道照明用電量。

隨著人們對天然光的日益重視和照明技術的發展，光導照明技術也日趨成熟，特別是以天然光為光源的光導采光照明系統，在節能環保方面具有很大的優勢，越來越受到人們的關注，并涌現出許多具有推廣性的產品。如果能把光導采光技術合理地應用到隧道照明中，則會有利于隧道照明的節能及照明設施后期維護成本。

1 隧道照明的特點

隧道是一個半封閉空間，需要24 小時不間斷照明，且白天照明要比夜間照明更為復雜，所以隧道照明常被分為幾個不同的照明區段:入口段、過渡段、中間段和出口段(圖1)。

圖1 隧道各照明區段的劃分

其中，入口段、過渡段和出口段中的加強照明是為了解決駕駛員白天駛入、駛出隧道時適應洞內外亮度反差而采取的照明措施，是隧道行車安全的重要保障。研究表明，中長隧道的加強照明用電量約占整個隧道照明用電量的50%以上，長度越短，其加強照明所占的比例越大。因此，在保證行車安全的前提下，有效控制隧道加強照明能耗是減少隧道照明運營成本的關鍵。

隧道加強照明具有兩個顯著的特點:(1)與隧道外亮度緊密相關，隧道外亮度越高，其加強照明所需提供的路面亮度越大;(2)與離隧道洞口的距離相關，離隧道洞口越近加強照明需求越大。

2 光導采光照明系統的特點

光導采光照明系統有多種類型，根據導光方式不同，光導采光照明系統有透鏡光導、反射光導、棱鏡導光管和光導纖維幾種類型。不同類型的照明系統具有不同的光導技術特點、工作條件、光學特性、采光效率和經濟效益。

光導采光照明系統雖然在天然光的利用方面具有很大優勢，但在實際照明工程應用中仍存在兩個主要的技術瓶頸:(1)穩定性弱。照明系統提供的光通量與外部光環境成正相關，易受外部光環境的影響。(2)遠距離傳輸效率低。隨著光傳輸距離的增加，光傳輸的效率會顯著降低，即使采用造價高昂的、光衰減率小的石英光纖或多層覆膜非金屬導光管，在1 000 m后其傳輸效率也會降低到10%以下。

然而，上述的這兩個技術瓶頸正好與隧道加強照明的兩個特點相匹配，即:隧道洞外亮度越高，光導采光照明系統可提供的加強照明越多;離隧道洞口越近，照明系統的傳輸效率越高，且傳輸距離通常也不超過300 m。從理論上說，光導采光技術應用于隧道加強照明是可行的，并在隧道照明節能方面具有很大潛力。

3 公路隧道照明的研究現狀

國外的公路隧道照明研究開始較早，在20 世紀60年v代，日本和歐洲的學者就開展了隧道照明的實驗研究。國際照明委員會CIE 綜合各國的研究成果，于1973年v出版了《隧道照明國際建議》，對公路隧道照明進行了相關規定和建議，此后分別在1984年v、1990年、2004年v和2010年v對其進行了補充和修訂。此外，美國、英國、德國、俄羅斯等國家對隧道照明也開展了深入研究，結合各國國情制定了相應的隧道照明標準。

與國外相比，我國隧道照明研究起步較晚，20 世紀80年v代初開始進行公路隧道照明理論的引入和技術研究。從1990年vJTJ 026—90《公路隧道設計規范》頒布實施開始，隧道照明設計才有了相應的技術標準。隨后我國的隧道照明技術研究正式進入發展階段，在已有研究成果和工程經驗的基礎上，借鑒國外公路隧道研究成果，于2000年v頒布了JTJ 026.1—1999《公路隧道通風照明設計規范》。此后，隨著國家高速公路網的建設，公路隧道照明也進入應用實踐的階段，在照明設計參數、照明節能技術、照明光源等方面的研究都有了長足發展。并于2014年v修訂頒布了JTG D70/2—2014《公路隧道設計規范:交通工程與附屬設施》和JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》。雖然與國外研究相比，我國在隧道照明理論方面還存在差距，但隨著近些年我國學者的深入研究和實踐總結，其差距已經不斷縮小。

4 光導采光技術的研究及應用現狀

在光導采光技術方面，雖然1880年v俄國契卡洛夫(Chikolev)首次提出并實現了光導管照明原理，但因材料和工藝水平的限制，直到20 世紀60年v代光導照明技術才有比較迅猛的發展。國外在光導采光技術方面的研究較早，1965年v在蘇聯研制出第一個大尺寸的“有縫光導管”。此后，美國、英國、日本等國開始在光導采光技術方面進行了大量研究:1970年v美國研制出第一根低損耗石英光纖，同時開始了側面發光聚合物光纖的研究;1978年v加拿大學者開發棱鏡光導管并于1989年v由美國3M 公司推向市場;1979年v日本La Foret 公司推出了“Himawari”采光光纖照明系統。1994年vCIE 成立了空心導光管技術委員會，分別于2005年v、2006年v出版了《空心光導管技術及應用》和《管狀天然光光導系統》。目前有3M、索樂圖(Solatube)、百浪斯(Parans)、蒙諾加特(Monodraught)等公司從事光導采光照明系統產品研發和銷售。

國內從20 世紀70年v代后期開始進行小規模實驗性光纖照明的開發應用。90年v代起沈陽建筑工程學院、蘇州大學、南京玻璃纖維設計研究院等科研院校開始進行采光光纖照明系統和裝置的研究。隨著對新能源新技術的日益重視，21 世紀初，國內興起了對光導采光技術和產品的引入、研發和推廣熱潮，并涌現出如北京東方風光、蘇州中節能索樂圖、南京帥瑞等一批新興企業。雖然目前在高反射率薄膜、低損耗光纖的生產工藝和采光耦合等技術上與國外仍有一定差距，但在光導采光技術的應用方面得到了廣泛關注和大力推廣。在最新修訂的GB 50033—2013《建筑采光設計標準》中，新增了《采光節能》一章，并對導光管材料和系統的光學性能指標進行了明確規定，為光導采光技術在建筑中的合理應用提供了規范引導。

同時，在城市隧道照明方面，光導采光技術也得到了積極的推廣，如無錫太湖大道隧道、南寧鳳嶺南隧道、上海長江路越江隧道等都采用了導光管采光照明系統，并進行了較深入的照度計算模擬、現場實驗研究和經濟效益分析，驗證了光導采光技術應用于城市隧道照明的可行性。但對山體公路隧道的光導采光技術應用研究國內外鮮有較成熟的應用案例。日本新東名高速公路隧道和安徽績黃高速玉臺隧道雖然在加強照明段應用了采光光纖照明系統，但實際運營效果并不理想。由于缺乏山體隧道光導照明系統實際性能指標和運營情況下的實驗測試數據，目前設計人員和廠家處于試探性應用和嘗試階段。

5 小 結

在全球“低碳經濟”和國家“節能減排”的戰略導向下，公路隧道照明的發展趨勢必將是兼具環保節能和安全舒適的“綠色照明”。目前已有學者提出了公路隧道低碳照明技術的設計理念和措施，并積極開展隧道光導采光技術的基礎研究工作。隨著自動控制、光導材料等相關技術的不斷進步與發展，以光導采光技術為代表的新型隧道照明系統將在公路隧道中逐漸推廣應用。

在公路隧道低碳照明技術研究的起步階段，對隧道加強照明中光導采光技術的應用進行系統性研究具有一定的理論意義，為隧道光導照明系統的研制提供了理論依據，為推動隧道照明結構性節能、跨越式發展，實現隧道綠色低碳照明提供了新的途徑，對促進新技術的應用和推廣具有重要意義。

［1］中華人民共和國交通部.JTG/T D70/2-01-2014 公路隧道照明設計細則［S］

［2］中華人民共和國建設部.GB 50033-2013 建筑采光設計標準［S］

［3］CIE Technical Report.189—2010.Calculation of Tunnel Lighting Quality Criteria［S］.2010

［4］CIE Technical Report.88—2004.Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses［S］.2004

［5］江源.光纖照明發展史［J］.光源與照明，2009(3):46～48

［6］王愛英.光導管照明系統概論［C］∥首屆光導纖維及光導管在照明領域應用科技研討會，北京，2000

［7］許景峰，胡英奎，尹軼華.光導照明系統在景觀照明中的應用［J］.新建筑，2014(2):135～138

［8］許景峰，胡英奎，何滎.國內外公路隧道照明標準中亮度水平對比研究［J］，照明工程學報，2010(5):26～32