隧道入口段直接反射式太陽光照明的仿真設計

宋 彬，史玲娜

(1.陜西省交通建設集團公司，陜西 西安 710000；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司交通與節能工程院，重慶 400067)

引言

截至2017年底，全國公路隧道為16 229處[1]。由于隧道的特殊構造以及人眼的視覺效應，隧道照明不同于一般的道路照明，必須通過特殊的照明設計減輕甚至消除“黑洞效應”的影響，以確保行車安全，而與之相應的是隧道照明能耗問題日益突出。隧道入口段位于洞外亮環境與洞內暗環境的交界處，對照明的要求最高。隧道入口段也是最接近外界亮環境的路段，如果能將外界的太陽光引入隧道入口段進行照明，則既可以實現隧道照明的節能[2]，又可以實現洞內亮度與洞外亮度的自然匹配。

目前隧道采用太陽光進行直接照明的方法主要有光纖太陽光照明以及導光管照明。但是光纖太陽光照明主要存在控制精度要求高、光能耦合效率低、建設成本高等問題[3-7]；而導光管照明主要存在系統集光面積小、反射次數多導致整體效率極低、安裝改變隧道結構等問題[8,9]。利用反射鏡將隧道外太陽光直接反射入隧道內進行隧道照明，則是一種更為直接的隧道照明方法[10]。本文提出采用一次或幾次反射的方式，直接利用太陽光實現隧道入口段路面增強照明。

1 直接反射式太陽光照明系統

直接反射式照明系統主要由單面反射鏡以及陽光跟蹤裝置組成。由于太陽光是時刻變化的，為保證系統輸出的光能達到最強，需要對反射鏡進行二維控制將陽光投射入洞內進行照明。但陽光的光能過于集中，需要對其進行發散后才能用于路面照明。圖 1是采用凹面反射鏡對收集的太陽光直接對路面進行發散照明的方式；圖 2是在隧道拱頂涂覆漫反射涂層的方式，通過平面鏡將光線投射至拱頂經過其發散作用實現路面照明。對于圖 1的照明方式，通過改變凹面反射鏡的曲率半徑以及傾斜角度實現對光能的發散，但仿真發現：當曲率半徑過小時，絕大部分光能無法進入洞內用于照明；當曲率半徑過大時又無法實現對光能的大面積分散作用。采用直接照射路面的方式，很容易受來往車輛的遮擋，且系統的光線從駕駛員后方直射，后視鏡等可能會將光線反射至駕駛員眼中，容易引起眩光從而影響行車安全，不利于實際的應用。此外，大面積凹面反射鏡造價遠大于平面鏡造價，因此我們決定采用平面鏡照射拱頂，然后通過拱頂漫反射涂層漫反射的方式實現路面照明。

圖1 采用凹面鏡反射太陽光照射路面

圖2 采用平面鏡反射太陽光照射隧道拱頂

2 隧道照明仿真設計

《公路隧道照明設計細則》[11]要求，對處于不同地理位置、不同規格的隧道，其各區段照明要求不同，因此需要針對具體的隧道進行設計，由具體參數可計算得出入口段照明所需的有效太陽光面積。

2.1 參數設置

本次仿真針對隧道為單向雙車道、長度為222 m的短隧道，其隧道截面示意圖如圖3所示。根據式(1)可計算出入口段第一段與第二段長度約為40 m，由于入口處靠近洞外亮環境，在太陽光的作用下，10 m內路段存在一定的光分布，本次仿真針對入口段第一段10 m至40 m進行設計。入口段的路面平均亮度與洞外亮度密切相關，且呈正比關系：入口段第一段Lth1=0.2×k×L20(S)。計算時，設計時速為80 km/h，洞外亮度為3 000 cd/m2，太陽光照度為60 000 lx，計算得到入口段第一段的路面平均亮度為21 cd/m2。

圖3 隧道口端面示意圖

仿真時通常以路面平均照度作為評價指標，根據規定，黑色瀝青路面的平均亮度與平均照度間的換算系數取15 lx/(cd·m-2)，計算得出路面平均照度為315 lx。仿真采用反射鏡反射率為0.9，考慮到反射鏡在使用過程中受到污染影響，設定維護系數為0.6，拱頂反射涂層吸收率為0.2，假設投入隧道中的光能有50%用于路面照明，根據式(2)可計算出理論上照明隧道入口段所需的太陽光有效面積約為5.5 m2，即理論上一次反射系統接收反射的陽光有效面積達到5.5 m2，且全部投射進入隧道用于路面照明時即可滿足照明要求。系統計算相關參數見表1。

(1)

(2)

表1 隧道相關參數

2.2 仿真設計

根據表1的計算，要實現目標段照明，進入隧道的太陽光有效面積只需要達到5.5 m2即可。系統采用平面鏡的大小為1 m×1 m，圖 4所示的是單套反射鏡系統照明的路面效果圖，可以看出經過拱頂發散后，單套系統作用時路面照度分布范圍可達15 m左右， 10～40 m路面平均照度約為69 lx，而計算得出目標路面平均照度需達到315 lx，理論上只需要315÷65≈4.85套，約5套系統即可。

圖4 采用單套反射鏡系統的路面照明仿真效果

圖5 多套反射鏡系統的安裝位置示意圖

采用多套系統進行配合使用時，其擺放方式有很多種，唯一的約束就是系統之間旋轉不受其他系統影響以及其出光不被遮擋。本次仿真采用6套相同平面鏡系統的擺放方式(如圖5所示)，采用6套系統的主要原因是為設計保留余量。為了保證車輛安全通行，根據《公路工程技術標準》[12]要求，高速公路的凈高為5 m，所以設計6套系統安裝高度均為6 m，距離洞口15 m，沿路面橫向排布，實際使用時考慮搭建排架便于安裝，每套反射鏡鏡面中心之間距離2 m，沿路面軸線對稱布置，通過改變每個平面鏡的方位角和俯仰角將同一方向入射的太陽光投射到拱頂不同位置，實現大范圍的路面照明。

圖6所示的是采用6套該系統組合照明的仿真效果圖，其路面照度平均值達到445 lx，滿足計算要求的315 lx。路面接收的總光通量為100 230 lm，6面反射鏡接收的總光通量為2 577 74l m，計算得出系統實際的光能利用率為100 230÷257 774≈39%，理論上光能利用率應為0.9×0.8=72%，主要是因為投入隧道的太陽光并不能完全用于路面照明，部分光源投射到墻面或者路面兩側的電纜溝上。

圖6 采用多套反射鏡系統的路面照明仿真效果

3 直接反射式太陽光照明系統的適用性問題

直接反射式太陽光照明系統直接利用太陽光經過一次反射與一次漫射實現隧道入口段路面照明，由于系統需要長時間暴露在太陽光下才能發揮其作用，因此對隧道所處的地理環境要求隧道臨近段必須有足夠時間的太陽光光照。根據其反射原理，只有當太陽光位于平面鏡前上方時，才能實現最大面積地反射太陽光，根據實際太陽光與地球的關系，隧道朝向為南北朝向且位于南北回歸線以外時，可以保證太陽光方向始終位于平面鏡前上方。

對于一般的長隧道，其在入口段的照明要求遠高于短隧道的入口段要求，因此本文提出的直接反射式太陽光照明系統更適用于短隧道。對于太陽光的照度能達到100 000 lx以上、光照充足的地區，通過對洞口采用減光措施減小洞外亮度L20(S)，采用直接反射式太陽光照明系統會有一定的優勢，可以進一步降低使用系統的套數，進一步減少隧道照明建設與運營成本。

4 結束語

我們針對隧道入口段的照明特點，提出了一種直接反射式太陽光照明系統，并針對具體隧道進行仿真設計與分析。與光纖導光照明以及導光管照明系統相比，該系統利用空氣作為傳輸介質，省去系統傳輸裝置大大降低系統成本。通過一次反射與一次漫反射的方式實現大范圍的隧道入口段路面照明，解決了因光纖耦合導致光能利用率降低的問題，提高了系統的光能利用率。仿真設計結果表明，將本文提出的多套直接反射式太陽光照明系統進行配合使用，可以實現滿足國家相關標準要求的隧道入口段路面照明，且多套系統的配合使用時可以提高入口段路面的光能利用率。