采光光纖系統(tǒng)在隧道照明中應(yīng)用的可行性分析

許景峰，吳 靜，宗德新，尹軼華

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院;山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

1 采光光纖照明在隧道照明中應(yīng)用的意義

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展以及西部大開發(fā)“十二五”規(guī)劃對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資力度的進(jìn)一步加大，西部地區(qū)公路建設(shè)尤其是高速公路建設(shè)將得到更迅猛的發(fā)展。其中，公路隧道由于具有減少征地、縮短里程、節(jié)約時(shí)間、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在西部山區(qū)公路建設(shè)中得到廣泛采用。隨著高速公路隧道數(shù)量的日趨增多，隧道照明作為隧道工程一個(gè)重要組成部分，其照明運(yùn)營電費(fèi)也不斷增高。因此，如何在滿足隧道行車安全及舒適的照明環(huán)境下節(jié)約照明用電顯得尤為重要。

值得高興的是，隨著照明技術(shù)的不斷發(fā)展，一種新興的照明方式——光纖照明，已經(jīng)成為現(xiàn)代照明技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。其中，采光光纖照明系統(tǒng)以天然光為光源，利用日光聚光器或集光裝置將天然光導(dǎo)入光纖中，并通過光纖傳輸?shù)剿枰彰鞯膱?chǎng)所。由于該系統(tǒng)所采用的光源是清潔能源，且沒有電力安全隱患、光源熱作用和電磁干擾等不利影響，因此是一種新型的、環(huán)保的、無能耗的照明系統(tǒng)。

如果將采光光纖照明系統(tǒng)應(yīng)用于隧道照明，則可大大節(jié)約隧道照明用電以及照明設(shè)施后期維護(hù)成本，在隧道的安全、節(jié)能、環(huán)保等方面具有很大優(yōu)勢(shì)，既可為隧道照明設(shè)計(jì)提供新的思路和方法，又可進(jìn)一步拓展采光光纖照明系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

2 國內(nèi)外采光光纖照明系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

光纖照明具有安全健康、設(shè)計(jì)靈活、便于維護(hù)、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，自20 世紀(jì)60年v代以來就受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，各國先后投入了大量的資金用于這方面的研發(fā)。我國也在20 世紀(jì)70年v代后期開始進(jìn)行小規(guī)模實(shí)驗(yàn)性光纖照明開發(fā)應(yīng)用。

與此同時(shí)，由于20 世紀(jì)70年v代的能源危機(jī)，能源和環(huán)境問題引起全球關(guān)注，自1983年v以來，國際照明委員會(huì)先后召開了四次國際建筑采光學(xué)術(shù)會(huì)議。采光光纖照明系統(tǒng)作為太陽光利用的方法之一引起了人們的關(guān)注，通過國內(nèi)外科研工作者的不斷努力，太陽自動(dòng)跟蹤、高效聚光采集、低損耗傳輸光纖等一系列關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟，采光光纖照明系統(tǒng)不僅在裝飾照明中大量采用，而且在博物館、醫(yī)院、住宅、辦公樓和地下通道等場(chǎng)所的功能照明上得到實(shí)際應(yīng)用，如圖1 所示。

采光光纖照明系統(tǒng)雖然正處于推廣階段，但作為一種新型的、無能耗的照明系統(tǒng)具有巨大的潛力和商機(jī)，目前國內(nèi)外已有不少公司及廠家從事采光光纖照明系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。如日本的“Himawari”系統(tǒng)、瑞典“Parans”系統(tǒng)、南京“明牌”陽光導(dǎo)入器等，如圖2 所示。

圖1 采光光纖照明系統(tǒng)應(yīng)用于各場(chǎng)所的工程案例

圖2 國內(nèi)外采光光纖照明系統(tǒng)

雖然采光光纖照明系統(tǒng)近些年得到了蓬勃發(fā)展，在許多場(chǎng)所的功能照明中已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，但鮮有在隧道照明中的實(shí)際案例，采光光纖照明系統(tǒng)在隧道照明中的應(yīng)用研究尚處起步階段。其主要原因有兩方面:1)隧道照明有別于普通的功能照明，不能照搬其他功能照明的方式;2)目前采光光纖照明系統(tǒng)的造價(jià)高昂，隧道這種較大面積和較高亮度的照明其投資巨大。

隨著全球能源危機(jī)的擴(kuò)大及我國節(jié)能減排政策的推廣，采光光纖照明系統(tǒng)憑借其太陽光的利用、節(jié)約照明用電及安全健康等優(yōu)點(diǎn)，必將會(huì)成為現(xiàn)代照明的一個(gè)重要組成部分。該系統(tǒng)是否適合在隧道照明中應(yīng)用以及如何應(yīng)用是照明研究人員目前亟待解決的課題。

3 采光光纖照明系統(tǒng)概述

3.1 采光光纖照明系統(tǒng)的組成

采光光纖照明系統(tǒng)主要由光導(dǎo)入裝置(聚光器)、光傳輸裝置(光纖)和光輸出裝置(光纖“尾燈”)三個(gè)主要部分組成，如圖3 所示。

圖3 采光光纖照明系統(tǒng)組成示意圖

3.2 采光光纖照明系統(tǒng)的類型

隨著新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展，采光光纖照明系統(tǒng)的傳輸效率不斷提高，出現(xiàn)了多種不同類型的照明系統(tǒng)。

(1)根據(jù)光導(dǎo)入裝置的聚光方式分為透鏡折射聚光方式、曲面鏡或凹面鏡反射聚光方式。

(2)根據(jù)光導(dǎo)入裝置的運(yùn)行方式分為被動(dòng)式光導(dǎo)入裝置、主動(dòng)式光導(dǎo)入裝置。

(3)根據(jù)光纖的材料分為石英光纖、聚合物光纖，也稱塑料光纖、多組分玻璃光纖。

(4)根據(jù)光輸出裝置的發(fā)光方式分為端部發(fā)光光纖、側(cè)面發(fā)光光纖。

3.3 采光光纖照明系統(tǒng)的特點(diǎn)

采光光纖照明系統(tǒng)作為一種新型的照明系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)照明系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，即節(jié)能環(huán)保、便于維護(hù)、布置靈活、安全健康等。

但目前在照明實(shí)際工程中仍存在一些應(yīng)用瓶頸。

(1)造價(jià)高。目前一套具有太陽跟蹤裝置的國產(chǎn)石英光纖照明系統(tǒng)，價(jià)格約5 萬元左右。雖然該系統(tǒng)可節(jié)約照明用電，但高昂的一次性投入及產(chǎn)品性價(jià)比是影響采光光纖照明系統(tǒng)普及的重要原因。

(2)遠(yuǎn)距離衰減大。采光光纖照明系統(tǒng)中光的傳輸是通過光纖進(jìn)行的，雖然石英光纖具有很高的光傳輸效率，但在1 000 m 后也會(huì)降低到10%以下。故采光光纖照明系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離傳輸上技術(shù)尚未成熟。

正是由于上述兩方面缺陷，目前采光光纖照明系統(tǒng)僅在傳輸距離不長、照明面積不大的場(chǎng)所得到較好應(yīng)用推廣，而在長距離、大面積的場(chǎng)所照明中尚未有成熟的應(yīng)用。

4 隧道采光光纖照明系統(tǒng)應(yīng)用的可行性分析

4.1 采光光纖照明系統(tǒng)的光學(xué)性能

采光光纖照明系統(tǒng)的光學(xué)性能主要包括陽光導(dǎo)入裝置的集光度、光纖的傳輸率及光纖“尾燈”的燈具效率和配光性能等方面。目前日本的“Himawari”采光光纖照明系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用較多，性能較好。

圖4 日本“Himawari”采光光纖照明系統(tǒng)的各種光纖“尾燈”

該系統(tǒng)聚光器的主要部件有菲涅耳透鏡和太陽跟蹤裝置。聚光器按其透鏡的數(shù)量分為6 鏡、12 鏡、36 鏡、90 鏡、198 鏡等型號(hào)，其中每6 鏡太陽采光系統(tǒng)可輸出1 束傳光束。圖3(a)為清華大學(xué)節(jié)能示范樓所采用的12 鏡聚光器。

該系統(tǒng)采用的光纖為塑料皮層石英光纖(PCS)，直徑為1.0 mm，光纖出射角達(dá)58°，6 根光纖集束為直徑約8 mm 的傳光束。這種光纖的傳輸效率高，光損耗理論上只有0.01 dB/m。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，在太陽光直接照度為98 000 lx 條件下，15 m 長傳光束輸出的光通量為1 920 lm。

該系統(tǒng)的光纖“尾燈”種類也很多，根據(jù)不同的場(chǎng)所功能有不同形式的燈具造型，如圖4 所示。

4.2 隧道照明的平均照度計(jì)算方法

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》、《照明設(shè)計(jì)手冊(cè)》及日本的《照明手冊(cè)》等資料，隧道路面的平均照度以利用系數(shù)法進(jìn)行估算，其路面平均照度Eav計(jì)算公式為

其中:η——利用系數(shù)，估算值暫取0.5;

Φ——燈具光通量;

M——燈具維護(hù)系數(shù)，估算值暫取0.7;

N——燈具布置系數(shù)，估算值暫取1;

Kp——反射增量系數(shù)，估算值暫取1.2(《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中尚未考慮);

W——路面寬度;

S——燈具間距。

上述各系數(shù)的取值是根據(jù)相關(guān)資料初步選定的，精確的取值需要通過深入的理論推導(dǎo)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來進(jìn)行確定。上述公式以利用系數(shù)法進(jìn)行平均照度計(jì)算，但采用光強(qiáng)表的數(shù)值計(jì)算法可獲得更精確、細(xì)致的照度和照度均勻度計(jì)算結(jié)果。

4.3 隧道采光光纖照明系統(tǒng)的光纖束數(shù)量估算

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》路面亮度可以根據(jù)平均亮度與平均照度的換算關(guān)系進(jìn)行估算，即瀝青路面亮度與照度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為15～22 lx/(cd/m2)，混凝土路面為10～13 lx/(cd/m2)。如需要精確的亮度計(jì)算則采用光強(qiáng)和簡化亮度系數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法。

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于交通量大、80 km/h 車速條件下中間段路面亮度要求為4.5 cd/m2。估算時(shí)暫取瀝青路面為 20 lx/(cd/m2);混凝土路面為13 lx/(cd/m2)。可以得出瀝青路面所需平均照度需要90 lx;混凝土路面為58.5 lx。

假設(shè)隧道路面寬度為7 m，燈具的間距為4 m，每個(gè)燈具所應(yīng)提供的光通量Φ 為

即瀝青路面需要光通量Φ=6 000 lm;混凝土路面需要光通量Φ=3 900 lm。

如采用上述日本的“Himawari”采光光纖照明系統(tǒng)，在未考慮增加傳輸長度引起的光損耗前提下，每個(gè)燈具所需要光纖束數(shù)量為:瀝青路面需要6 000/1 920=3.125 束，取4 束;混凝土路面則需要3 900/1 920≈2 束。每束對(duì)應(yīng)的是6 根1 mm 光纖，聚光器上的6 個(gè)菲涅耳透鏡。

對(duì)隧道的其他照明段，采光照明系統(tǒng)的要求則與路面亮度成正比。如出口段路面亮度通常取值為中間段路面亮度的5 倍，則每個(gè)燈具所需要的光纖束數(shù)量增加5 倍，即10～20 束。

4.4 隧道采光光纖照明系統(tǒng)應(yīng)用的可行性分析

通過上述估算結(jié)果及采光光纖照明系統(tǒng)的特點(diǎn)分析，采光光纖照明系統(tǒng)在隧道照明中的應(yīng)用具有一定可行性，且應(yīng)根據(jù)不同照明段的特點(diǎn)選擇合理的采光光纖照明技術(shù)。

4.4.1 隧道中間段照明不宜采用采光光纖系統(tǒng)

對(duì)隧道照明要求較低的中間段，間距4 m 的每個(gè)燈具雖然僅需要2～4 束光纖。但中間段通常離隧道洞口200 m 左右，其傳輸距離遠(yuǎn)，盡管采用石英光纖，但光損耗仍較大，會(huì)有約50%的衰減。因此，并不建議在中間段采用該系統(tǒng)進(jìn)行照明。

4.4.2 高效、大型光導(dǎo)入裝置在入口段和出口段照明的應(yīng)用

隧道入口段和出口段的位置緊鄰隧道洞口，具有利用天然光的先天優(yōu)勢(shì)。采光光纖照明系統(tǒng)既可以節(jié)約照明能耗，又符合入口段路面亮度隨洞外亮度變化而變化的規(guī)律。但這兩個(gè)照明段的照明要求較高，特別是入口段的路面亮度是隧道照明中最高的，其路面亮度約為中間段的20 倍。因此，要想滿足入口段路面亮度的要求則需采用高效、大型的光導(dǎo)入裝置，如90 鏡、198 鏡等型號(hào)。

4.4.3 結(jié)合采光光纖照明系統(tǒng)的隧道照明設(shè)計(jì)新思路

如前所述，隧道入口段照明要求很高，如完全采用采光光纖照明系統(tǒng)則前期投入高，故可采用在隧道洞口前幾十米處建造遮光構(gòu)架的方式，將入口段延伸至隧道洞口之前。這樣處理后入口段的路面亮度可以由天然光來滿足，從隧道洞口開始則直接是隧道的過渡段，過渡段起始的路面亮度只有入口段的40%，故可大大節(jié)約采光光纖照明系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)量，同時(shí)，入口段上部的構(gòu)架還為光導(dǎo)入裝置的安裝提供了有利條件。因此，隧道洞口前遮光構(gòu)架的處理為隧道照明及采光光纖照明系統(tǒng)的應(yīng)用提供了條件，是隧道照明設(shè)計(jì)的一種新思路。

5 小 結(jié)

綜上所述，采光光纖照明系統(tǒng)作為一項(xiàng)新的照明系統(tǒng)，在提高隧道照明質(zhì)量、節(jié)約照明用電等方面具有傳統(tǒng)照明無法比擬的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用范圍正在不斷拓展。通過分析，采光光纖照明系統(tǒng)在隧道照明中的應(yīng)用具有一定的可行性，且應(yīng)根據(jù)不同照明段的特點(diǎn)選擇合理的采光光纖照明技術(shù)。

雖然采光光纖照明系統(tǒng)目前的造價(jià)高昂，尚無系統(tǒng)性的研究和成熟的案例，但隨著技術(shù)和工藝的發(fā)展，采光光纖照明系統(tǒng)的質(zhì)量和性價(jià)比也會(huì)不斷提高。因此，未雨綢繆，進(jìn)行隧道采光光纖照明系統(tǒng)的研究具有重要意義。

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