基于采光光纖照明系統的隧道照明設計理論研究思路

許景峰，翁 季，胡英奎

(1.重慶大學建筑城規學院，重慶 400045;2.重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045）

0 引言

隨著我國道路交通事業的迅猛發展，特別是國家7918公路網的建設，公路隧道增長速度越來越快，建設規模越來越大。截至2008年底，我國已建成公路隧道5000多座、3000多公里。但是，隨著公路隧道數量的日趨增多，其隧道照明用電量也大幅增加。因此，如何在滿足隧道行車安全及舒適的照明環境下節約照明用電已顯得尤為重要。

光纖照明是一種新興的照明方式，它是利用光在玻璃或塑料制成的纖維中全反射的原理來進行光的傳輸和照明。光纖照明系統主要由光導入裝置(聚光器）、光傳輸裝置(光纖）和光輸出裝置(光纖燈）三個主要部分組成。其中，采光光纖照明系統以天然光為光源，利用日光聚光器或集光裝置將天然光導入光纖中，并通過光纖傳輸到所需要照明的場所。由于該系統所采用的光源是清潔能源，且不易產生電力隱患、光源熱作用和電磁干擾等不利影響，故是一種安全、環保、無能耗的照明系統。

因此，進行基于采光光纖照明系統的隧道照明設計理論研究，將采光光纖照明系統應用于隧道照明，則可以大大節約隧道照明用電以及照明設施后期維護成本，既能為隧道照明設計提供新的思路和方法，又能進一步拓展采光光纖照明系統的應用范圍。

1 國內外采光光纖照明系統的發展狀況

光纖照明具有安全健康、設計靈活、便于維護、適用性強等優點，自20世紀60年代以來就受到國內外學者的重視，各國先后投入了大量的資金用于這方面的研發。我國也在20世紀70年代后期開始小規模的實驗性光纖照明開發應用。

目前，光纖照明技術已經日趨成熟，采光光纖照明系統作為一種新型照明系統正處于推廣階段，國內外已有不少公司及廠家從事采光光纖照明系統產品的設計和生產，該系統不僅在裝飾照明中大量應用，而且在博物館、醫院、住宅、辦公樓和地下通道等場所的功能照明上得到實際應用，如圖1所示。

圖1 采光光纖照明系統應用于各場所的工程案例

雖然采光光纖照明系統近些年得到了蓬勃的發展，在許多場所已經得到了實際應用，但鮮有在隧道照明中的實際案例，采光光纖照明系統在隧道照明中的應用研究尚處在起步階段。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的造價高昂，對于隧道這種較大面積及較高亮度要求的照明其投資巨大。

2 國內外隧道照明研究的發展狀況

早在上個世紀60年代，就已經有多個國家的學者從事隧道照明方面的基礎實驗研究工作，經過多年的研究和實踐，隧道照明設計理論取得了很大的發展。各國也在不同時期制定了相關的公路隧道照明設計標準。如我國目前采用的是1999年修訂的《公路隧道通風照明設計規范》JTJ 026.1－1999和2004年修訂的《公路隧道設計規范》JTG D70－2004，國際照明委員會采用的是2004年修訂的《公路隧道和地下通道照明指南》CIE 88－2004，美國采用的是2005年修訂的《美國隧道照明國家標準》ANSI/IESNA RP－22－05。盡管目前隧道照明設計在某些方面仍有需要完善的地方，但國內外已有不少學者正在進行后續研究，如重慶大學于2009年及2010年申請獲得的兩項隧道照明方面的國家自然科學基金項目。

因此，目前隧道照明基礎理論及基于傳統照明系統(如高壓鈉燈、金鹵燈等）的隧道照明設計研究已經有了相對成熟的體系，并在不斷地完善。但對于采光光纖這一新型的照明系統，目前國內外只有少量的科研院校開始對該系統的隧道照明設計理論有所考慮，故尚無系統性的研究。

3 隧道采光光纖照明系統理論研究思路

隨著全球的能源危機及國家對節能減排政策的大力支撐，采光光纖照明系統憑借其太陽光的利用、節約照明用電及安全健康等優點，已經成為現代照明的一個重要組成部分，并也將會成為一種新的隧道照明方式。因為該照明系統隨外界天然光變化而變化的特點比較符合隧道入口段、過渡段路面亮度水平隨洞外亮度變化而調整的規律。

隨著這一新的照明系統及照明技術的成熟和普及，隧道照明設計也會相應產生新的設計理論及方法與之配套。結合采光光纖照明系統的特點進行隧道照明理論的系統性研究，會是今后隧道照明設計研究的一項重要課題。它對探索隧道照明節能新途徑，拓展采光光纖照明系統應用，促進公路隧道及隧道照明事業的可持續發展具有重要的理論和實際意義。

由于采光光纖照明系統與傳統的照明系統在光學性能上有很大的不同，且隧道照明與普通建筑場所的功能照明也有很大的區別，因此，光纖照明系統不能照搬傳統照明系統在隧道照明中的設計方法，也不能將普通建筑場所的采光光纖照明系統直接應用于隧道照明上。而需要結合光纖照明系統的特點及隧道各照明段路面亮度的需求，研究新的隧道照明設計理論及方法。筆者通過對已有研究成果的總結及分析，提出了隧道采光光纖照明系統設計理論的研究思路(圖2所示）。

1）進一步收集國內外關于采光光纖照明系統、隧道照明設計基礎理論等相關的技術資料，進一步確認采光光纖照明系統在隧道照明中應用的可行性，為隧道采光光纖照明系統的研究提供理論依據。

2）收集采光光纖照明系統光學性能的測試方法的相關資料，對該系統各主要組成部分的光學性能進行相關的實驗室測試，為深入研究采光光纖照明系統的照明特點提供基礎數據。

3）在最新隧道照明基礎理論的研究成果基礎上，進一步總結和確定隧道洞外亮度、隧道各照明段亮度與隧道洞外光環境之間的關聯性。

4）根據采光光纖照明系統的光學性能測試結果，并結合隧道洞外亮度、隧道各照明段亮度與隧道洞外光環境之間關聯性的研究成果;確定出采光光纖照明系統所提供亮度、隧道洞外亮度及隧道各照明段所需亮度三者之間的函數關系。

5）通過上述三者函數關系的確定，結合采光光纖照明系統的照明特點，并參考隧道照明基礎理論建立出新的隧道照明設計理論模型，提出適合于采光光纖照明系統的隧道照明設計理論和方法。

6）為了驗證新的隧道照明設計理論和方法的準確性，需要在實驗室對該系統設計進行隧道縮微模型及1:1模擬隧道模型的實驗研究。

7）將模型實驗測試或模擬測試獲得的實驗數據與理論模型計算的數據進行對比分析，并根據實測結果進一步修正和完善理論模型，最終提出基于采光光纖照明系統的隧道照明設計理論和方法。

圖2 基于采光光纖照明系統的隧道設計理論研究思路示意圖

4 小結

采光光纖照明系統作為一種新型的、無能耗的照明系統，在提高隧道照明質量、節約照明用電等方面具有傳統照明無法比擬的優勢，具有很好的應用前景。如要將該系統更加科學、合理地應用于隧道照明，則需要結合采光光纖照明系統的特點，進行新的隧道設計理論研究。

如前所述，目前國內外在采光光纖照明系統的隧道照明設計方面尚無成熟的、系統的理論研究，要想真正將其在隧道照明中普及，尚有許多照明技術問題亟待研究。故筆者拋磚引玉，提出該系統隧道照明設計理論的研究思路，希望引起相關學者和同行的重視和探討，并歡迎對不足之處給與批評和指正。

［1］陳仲林，王愛英.光導采光系統應用展望［A］.首屆光導纖維及光導管在照明領域應用科技研討會專題報告文集［C］.2000年首屆光導纖維及光導管在照明領域應用科技研討會專題報告文集:129～133

［2］江源.光纖照明發展史［J］.光源與照明，2009(3）:46～48

［3］許景峰，宗德新，胡英奎.天然光光纖照明系統在隧道照明中的應用［J］.照明工程學報，2012，23(1）:30～35

［4］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