隧道加強照明中光導(dǎo)采光技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

許景峰，何 滎，翁 季

(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(jì)90年v代后期以來，高速公路建設(shè)在國家政策的支持下得到了快速發(fā)展，截至2014年v底，高速公路通車?yán)锍桃殉^11 萬公里。高速公路網(wǎng)建設(shè)初期，主要是從經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且修建難度比較小的地區(qū)開始，隨著國家主干道計劃的逐步實施，建設(shè)重點向經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、地形復(fù)雜的西部地區(qū)轉(zhuǎn)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(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，在山區(qū)公路建設(shè)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(fā)展最快的國家。隨著西部大開發(fā)的持續(xù)，特別是2013年v最新出臺的《國家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013—2030年v)》在西部地區(qū)又增加了2 條縱向高速公路，將原“7918 網(wǎng)”升級為“71118 網(wǎng)”。公路隧道項目日益增多，長、大隧道數(shù)量將繼續(xù)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(tǒng)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(xiàn)了“建得起養(yǎng)不起”的現(xiàn)實問題。因此，迫切希望有新的照明技術(shù)和方法，在滿足行車舒適、安全的條件下能節(jié)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(shù)的發(fā)展，光導(dǎo)照明技術(shù)也日趨成熟，特別是以天然光為光源的光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)，在節(jié)能環(huán)保方面具有很大的優(yōu)勢，越來越受到人們的關(guān)注，并涌現(xiàn)出許多具有推廣性的產(chǎn)品。如果能把光導(dǎo)采光技術(shù)合理地應(yīng)用到隧道照明中，則會有利于隧道照明的節(jié)能及照明設(shè)施后期維護(hù)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(fù)雜，所以隧道照明常被分為幾個不同的照明區(qū)段:入口段、過渡段、中間段和出口段(圖1)。

圖1 隧道各照明區(qū)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?cè)?、駛出隧道時適應(yīng)洞內(nèi)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(guān)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(guān)，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(guān)，離隧道洞口越近加強照明需求越大。

2 光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)的特點

光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)有多種類型，根據(jù)導(dǎo)光方式不同，光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)有透鏡光導(dǎo)、反射光導(dǎo)、棱鏡導(dǎo)光管和光導(dǎo)纖維幾種類型。不同類型的照明系統(tǒng)具有不同的光導(dǎo)技術(shù)特點、工作條件、光學(xué)特性、采光效率和經(jīng)濟(jì)效益。

光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)雖然在天然光的利用方面具有很大優(yōu)勢，但在實際照明工程應(yīng)用中仍存在兩個主要的技術(shù)瓶頸:(1)穩(wěn)定性弱。照明系統(tǒng)提供的光通量與外部光環(huán)境成正相關(guān)，易受外部光環(huán)境的影響。(2)遠(yuǎn)距離傳輸效率低。隨著光傳輸距離的增加，光傳輸?shù)男蕰@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(dǎo)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(shù)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(dǎo)采光照明系統(tǒng)可提供的加強照明越多;離隧道洞口越近，照明系統(tǒng)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(dǎo)采光技術(shù)應(yīng)用于隧道加強照明是可行的，并在隧道照明節(jié)能方面具有很大潛力。

3 公路隧道照明的研究現(xiàn)狀

國外的公路隧道照明研究開始較早，在20 世紀(jì)60年v代，日本和歐洲的學(xué)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(jìn)行了相關(guān)規(guī)定和建議，此后分別在1984年v、1990年、2004年v和2010年v對其進(jìn)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(jié)合各國國情制定了相應(yīng)的隧道照明標(biāo)準(zhǔn)。

與國外相比，我國隧道照明研究起步較晚，20 世紀(jì)80年v代初開始進(jìn)行公路隧道照明理論的引入和技術(shù)研究。從1990年vJTJ 026—90《公路隧道設(shè)計規(guī)范》頒布實施開始，隧道照明設(shè)計才有了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨后我國的隧道照明技術(shù)研究正式進(jìn)入發(fā)展階段，在已有研究成果和工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)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(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》。此后，隨著國家高速公路網(wǎng)的建設(shè)，公路隧道照明也進(jìn)入應(yīng)用實踐的階段，在照明設(shè)計參數(shù)、照明節(jié)能技術(shù)、照明光源等方面的研究都有了長足發(fā)展。并于2014年v修訂頒布了JTG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計規(guī)范:交通工程與附屬設(shè)施》和JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計細(xì)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(xué)者的深入研究和實踐總結(jié)，其差距已經(jīng)不斷縮小。

4 光導(dǎo)采光技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

在光導(dǎo)采光技術(shù)方面，雖然1880年v俄國契卡洛夫(Chikolev)首次提出并實現(xiàn)了光導(dǎo)管照明原理，但因材料和工藝水平的限制，直到20 世紀(jì)60年v代光導(dǎo)照明技術(shù)才有比較迅猛的發(fā)展。國外在光導(dǎo)采光技術(shù)方面的研究較早，1965年v在蘇聯(lián)研制出第一個大尺寸的“有縫光導(dǎo)管”。此后，美國、英國、日本等國開始在光導(dǎo)采光技術(shù)方面進(jìn)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(cè)面發(fā)光聚合物光纖的研究;1978年v加拿大學(xué)者開發(fā)棱鏡光導(dǎo)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(tǒng)。1994年vCIE 成立了空心導(dǎo)光管技術(shù)委員會，分別于2005年v、2006年v出版了《空心光導(dǎo)管技術(shù)及應(yīng)用》和《管狀天然光光導(dǎo)系統(tǒng)》。目前有3M、索樂圖(Solatube)、百浪斯(Parans)、蒙諾加特(Monodraught)等公司從事光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)和銷售。

國內(nèi)從20 世紀(jì)70年v代后期開始進(jìn)行小規(guī)模實驗性光纖照明的開發(fā)應(yīng)用。90年v代起沈陽建筑工程學(xué)院、蘇州大學(xué)、南京玻璃纖維設(shè)計研究院等科研院校開始進(jìn)行采光光纖照明系統(tǒng)和裝置的研究。隨著對新能源新技術(shù)的日益重視，21 世紀(jì)初，國內(nèi)興起了對光導(dǎo)采光技術(shù)和產(chǎn)品的引入、研發(fā)和推廣熱潮，并涌現(xiàn)出如北京東方風(fēng)光、蘇州中節(jié)能索樂圖、南京帥瑞等一批新興企業(yè)。雖然目前在高反射率薄膜、低損耗光纖的生產(chǎn)工藝和采光耦合等技術(shù)上與國外仍有一定差距，但在光導(dǎo)采光技術(shù)的應(yīng)用方面得到了廣泛關(guān)注和大力推廣。在最新修訂的GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中，新增了《采光節(jié)能》一章，并對導(dǎo)光管材料和系統(tǒng)的光學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了明確規(guī)定，為光導(dǎo)采光技術(shù)在建筑中的合理應(yīng)用提供了規(guī)范引導(dǎo)。

同時，在城市隧道照明方面，光導(dǎo)采光技術(shù)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(dǎo)光管采光照明系統(tǒng)，并進(jìn)行了較深入的照度計算模擬、現(xiàn)場實驗研究和經(jīng)濟(jì)效益分析，驗證了光導(dǎo)采光技術(shù)應(yīng)用于城市隧道照明的可行性。但對山體公路隧道的光導(dǎo)采光技術(shù)應(yīng)用研究國內(nèi)外鮮有較成熟的應(yīng)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(yīng)用了采光光纖照明系統(tǒng)，但實際運營效果并不理想。由于缺乏山體隧道光導(dǎo)照明系統(tǒng)實際性能指標(biāo)和運營情況下的實驗測試數(shù)據(jù)，目前設(shè)計人員和廠家處于試探性應(yīng)用和嘗試階段。

5 小 結(jié)

在全球“低碳經(jīng)濟(jì)”和國家“節(jié)能減排”的戰(zhàn)略導(dǎo)向下，公路隧道照明的發(fā)展趨勢必將是兼具環(huán)保節(jié)能和安全舒適的“綠色照明”。目前已有學(xué)者提出了公路隧道低碳照明技術(shù)的設(shè)計理念和措施，并積極開展隧道光導(dǎo)采光技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作。隨著自動控制、光導(dǎo)材料等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，以光導(dǎo)采光技術(shù)為代表的新型隧道照明系統(tǒng)將在公路隧道中逐漸推廣應(yīng)用。

在公路隧道低碳照明技術(shù)研究的起步階段，對隧道加強照明中光導(dǎo)采光技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)性研究具有一定的理論意義，為隧道光導(dǎo)照明系統(tǒng)的研制提供了理論依據(jù)，為推動隧道照明結(jié)構(gòu)性節(jié)能、跨越式發(fā)展，實現(xiàn)隧道綠色低碳照明提供了新的途徑，對促進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)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(shè)計細(xì)則［S］

［2］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50033-2013 建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［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(fā)展史［J］.光源與照明，2009(3):46～48

［6］王愛英.光導(dǎo)管照明系統(tǒng)概論［C］∥首屆光導(dǎo)纖維及光導(dǎo)管在照明領(lǐng)域應(yīng)用科技研討會，北京，2000

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

［8］許景峰，胡英奎，何滎.國內(nèi)外公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)中亮度水平對比研究［J］，照明工程學(xué)報，2010(5):26～32