天然光光纖照明系統在隧道照明中的應用

許景峰 宗德新 胡英奎，2

(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)

1 引言

隨著我國道路交通事業的迅猛發展，隧道數量日趨增多。隧道照明作為隧道工程一個重要組成部分，其照明運營電費不斷增高，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。

光學纖維又稱光導纖維，簡稱光纖，它是在20世紀50年代以后特別是20世紀70年代以后獲得迅猛發展［1］。光纖照明作為光導照明的一種，可以將日光源或人工光源發出的光從一處傳輸到另一處，并根據照明需要進行光的重新分配。根據光源的不同分為人工光源和天然光光纖照明系統兩種，后者通常采用日光聚光器或集光裝置將天然光導入光纖中傳輸到需要照明的場所，即天然光光纖照明系統。因光源采用的是清潔能源，故具有良好的節能效果。

目前，光纖照明技術已經日趨成熟，天然光光纖照明系統作為一種新型的、無能耗的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天然光光纖照明系統產品的設計和生產，并在博物館、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。但在隧道照明中的應用卻有待開發，這主要是因為隧道不同于一般建筑物，且照明要求也不同于一般場所。因此，進行天然光光纖照明在隧道照明中的應用研究對隧道照明節能具有重要的理論和實際意義，通過對天然光光纖照明系統和隧道照明特點的系統分析，為天然光光纖照明系統在隧道照明中的應用和推廣提供思路和依據。

2 天然光光纖照明系統概述

2.1 天然光光纖照明系統的組成

天然光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［2］，如圖1所示。有時光纖同時具有光傳輸和光輸出的作用，如側光發光光纖。

圖1 天然光光纖照明系統組成示意圖

2.2 天然光光纖照明系統的類型

隨著新技術、新材料的不斷發展，天然光光纖照明系統的傳輸效率不斷提高。出現了很多不同類型的照明系統。

(1)根據光導入裝置的聚光方式分為:

①透鏡折射聚光方式，即采用凸透鏡或菲涅耳透鏡將照射在透鏡上的太陽光聚焦在焦點上，并通過光纖入射端的精確定位提高光纖傳輸太陽光的效率，如圖2所示的日本“向日葵”的透鏡聚光器。

圖2 日本“向日葵”12鏡聚光器

②曲面鏡或凹面鏡反射聚光方式，即通過凹面鏡將太陽反射光聚焦在傳光束入射端。如圖3所示的極軸式定日鏡［3］。

圖3 極軸式定日鏡示意圖

(2)根據光導入裝置的運行方式分為:

①被動式光導入裝置，即聚光器是固定不動的，構造簡單，但天然光效率低。

②主動式光導入裝置，即光導入裝置中增加了太陽光跟蹤傳感器、控制器和相關機械傳動裝置，讓聚光器時刻對準太陽，天然光效率高。目前大部分天然光光纖照明系統都采用這種方式，如圖2、圖3所示。

(3)根據光纖的材料分為:

①石英光纖

②聚合物光纖，也稱塑料光纖

③多組分玻璃光纖

除了上述三種目前常用的光纖外，還有液芯光纖和空芯光纖等。三種光纖各具特點，其中石英光纖的光傳輸效率最高，其光損耗可以達到0.01dB/m以內，在長距離傳輸上具有很大的優勢，但成本較高。塑料光纖和玻璃光纖的光損耗相比較大，有0.15dB/m，在光傳輸的距離上有一定限制。但塑料光纖便于制作成大直徑的傳光束便于獲得更大的光通量和高斂集率［4］，故在目前市場上應用廣泛。

(4)根據光輸出裝置的發光方式分為:

①端部發光光纖，即與傳統的照明裝置類似，把光傳輸到一定位置后通過連接光纖端部的光纖燈具散射出來。這是目前大部分天然光光纖照明系統所采用的方式，如圖4、圖5所示。

圖4 應用于各種場所的日本“向日葵”天然光光纖照明系統

圖5 上海虹橋火車站的國產天然光光纖照明系統

圖6 側面發光塑料光纖及其應用

②側面發光光纖，即光在傳輸的過程中不斷從光纖的側面散射出來。目前側光光纖照明系統在裝飾和景觀照明上得到較多的應用。如圖6所示。

2.3 天然光光纖照明系統的特點

天然光光纖照明系統作為一種新型的照明系統，具有以下幾個方面的優勢:

(1)節能環保。天然光光纖照明系統的光源是無能耗的清潔能源，減少了白天的人工照明用電量;同時，不存在電光源的熱作用和發熱量，也可降低空調系統的耗電量，故具有良好的節能效益。

(2)便于維護。由于天然光光纖照明系統的光都來自于光導入裝置采集的太陽光，因此，對集中布置的光導入裝置進行良好的維護就可滿足要求。

(3)布置靈活。天然光光纖照明系統的光輸出裝置可以實現點、線、面等多種形式的發光方式。可以使照明設計更具自由度、多樣性和藝術性。

(4)安全健康。天然光光纖照明系統可以控制輸出光中紫外線和紅外線的含量，為室內提供一個健康、舒適的高品質照明環境。因此，在醫院、健身房、博物館等場所得到廣泛應用。同時，該系統不會受到電力隱患和電磁干擾等影響，安全性好。因此，也廣泛用于寒冷潮濕、易燃易爆的特殊場所照明，如火藥廠車間、室內游泳池、冷庫等。

雖然天然光光纖照明系統具有以上傳統照明系統無法比擬的優勢，但目前在照明實際工程中仍存在一些應用瓶頸:

(1)造價高。價格是影響產品市場推廣的一個重要因素，光導照明系統目前較高的價格仍是阻礙其推廣普及的一個重要因素，特別是帶有太陽跟蹤系統的日光集光器及傳光效率高的石英光纖目前的價格十分昂貴。一套國產的帶太陽跟蹤裝置的石英光纖照明系統，其價格約5萬元左右。雖然該系統在白天可以節約照明用電，但高昂的一次性投入及產品性價比問題是影響當前光導照明系統普及的重要原因。

(2)遠距離衰減大。天然光光纖照明系統中光的傳輸是通過光纖進行的，雖然石英光纖具有很高的光傳輸效率，但在1000m后其傳輸效率也會降低到10%以下。因此，光導照明系統在光的遠距離傳輸上技術尚未成熟。

正是由于上述的兩方面缺陷，因此目前天然光光纖照明系統僅在傳輸距離不長、照明面積不大的場所得到較好應用推廣，而在長距離、大面積的場所照明中尚未有成熟的應用。

3 隧道照明的特點

隧道照明是為了保證隧道內交通順暢而設置的功能性照明，其照明的目的是為了給駕駛員在隧道行駛過程中提供一個安全、舒適的視覺環境，保障交通運行，提高運輸效率。隧道照明與通常的室內功能性照明存在很大的差異，這是因為隧道是一個半封閉空間，在行車視覺特性上要比其他照明復雜得多，它不僅需要24小時不間斷照明，而且白天照明要比夜間照明更復雜。隧道照明的特點主要體現在以下幾個方面:

(1)分段式照明

分段式照明是隧道照明最顯著的特點之一。這是由于白天隧道內部與外部道路的光環境發生了很大的變化，視覺需要有一定的適應時間才能看清道路的情況。因此，為了讓駕駛員在隧道兩端出入口處能有一個良好的視覺過渡，避免在隧道出入口處產生“黑洞”、“亮 (白)洞”等現象，隧道照明被分為幾個不同的照明段:入口段、過渡段、中間段和出口段，且每個照明段的路面亮度水平要求不同，如圖7 所示［5］。

圖7 隧道各照明段及相應的白天路面亮度水平示意圖

(2)加強照明

由于隧道白天與夜間的照明要求不同，因此入口段、過渡段及出口段的照明是由基本照明和加強照明兩部分組成［6］。前者滿足夜間照明的要求，按中間段照明考慮;后者滿足白天照明的需要，可用功率較大的燈具加強照明。有研究表明，對于長度不大于3000m的中、長隧道，加強照明所需的用電量約占整個隧道照明用電量的50%［3］。而且隨著長度的減少，加強照明所占的比例將更大。

(3)非恒定的照明特點

隧道照明中入口段和過渡段的照明要求并非恒定不變的，這兩個照明段的路面亮度水平應當隨著隧道洞外亮度或等效光幕亮度的變化而調整。同時，按照《公路隧道和地下通道照明指南》CIE 88—2004的相關規定，對于過渡段的路面亮度最好是能根據人眼暗適應曲線的特點從入口段結束點的路面亮度逐減過渡到中間段的路面亮度［7］。

4 天然光光纖照明系統在隧道照明中應用

通過上述對天然光光纖照明系統和隧道照明特點的分析，天然光光纖在隧道照明中的應用具有一定的可行性，且可以根據不同照明段的特點選擇合理的天然光光纖照明技術。

(1)高效、大型的光導入裝置在入口段和出口段照明的應用

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勢。天然光光纖照明系統既可以節約照明能耗，又符合入口段路面亮度隨洞外亮度變化而變化的規律。但這兩個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。根據我國《公路隧道通風照明設計規范》規定，在晴天條件下，對于交通量大、80km/h車速條件下的入口段亮度高達100 cd/m2以上，是中間段亮度的20倍以上，故要想滿足入口段路面亮度的要求則需采用高效、大型的光導入裝置，如圖3所示的極軸式定日鏡或帶有太陽跟蹤系統的大型透鏡聚光器，如圖8所示。

圖8 日本“向日葵”系統的大型聚光器

同時，光導入裝置的數量與集光措施還需要根據隧道洞口朝向、寬度、高度及洞外環境等因素確定。

(2)側面發光照明技術在隧道照明中的應用

側面發光照明是光導照明系統中一項獨具特色的照明技術。如果僅僅利用光導照明技術進行光的傳輸，而仍然以傳統點光源的方式進行光輸出，則并沒有充分發揮光導照明技術的優勢。在隧道照明中采用側面發光照明技術具有以下方面的優勢:

①避免眩光。側面發光照明是將光能均勻的分配到整個光傳輸裝置上，因此其亮度就會降低，從而避免在行車過程中由于光源過亮所產生的眩光干擾。

②提高亮度均勻度。由于側面發光照明在隧道縱向上是連續的，不易出現傳統燈具之間出現“暗區”，同時配合良好的二次光學設計，則可以大大提高隧道路面的亮度均勻度和目標可見度。

③避免頻閃效應。頻閃效應是駕駛時通過明暗周期性變化照明所產生的一種現象［7］。側面發光照明所產生的線光源避免了駕駛時出現明暗變化的現象，因此從根本上避免了頻閃效應的發生。

④增強視覺引導性。由于側面發光照明所產生的線光源形成一條較明亮的光帶，提醒駕駛者注意路面方向的變化，使隧道具有良好的視覺引導性，如圖9所示。

圖9 隧道側面發光照明的視覺引導性

(3)石英光纖與側光光纖綜合照明技術在過渡段照明中的應用

如上所述，側光發光照明具有良好的照明質量。但目前市場上主要采用的是側面發光塑料光纖，如圖6所示。這種側面發光的光纖其光傳輸率較低，其光損耗有0.23dB/m。故在離隧道洞口幾十米的過渡段照明中，宜采用石英光纖與側光光纖結合的綜合照明技術，即采用光傳輸效率高的石英光纖將洞外采集的光傳輸到過渡段起始點，過渡段的照明則采用側光光纖進行傳輸及照明。雖然側光光纖的傳光效率隨著傳輸距離的增大而減弱，但這正與過渡段路面亮度需要逐減降低過渡到中間段的路面亮度的照明特點相吻合。故在過渡段采用石英光纖與側光光纖綜合照明技術可以充分發揮不同光纖的特點和性能。

(4)結合天然光光纖照明系統的隧道照明設計新思路

如前所述，隧道入口段照明要求很高，如完全采用天然光光纖照明系統則前期投入很高，故可以采用在隧道洞口前幾十米處建造遮光構架的方式，將入口段延伸出隧道洞口之前。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%，故可以大大節約天然光光纖照明系統設備的數量，同時，入口段上部的構架還為光導入裝置的安裝提供了有利條件。因此，隧道洞口前遮光構架的處理為隧道照明及天然光光纖照明系統的應用提供了良好的條件，是隧道照明設計的一種新思路。

5 結論與展望

綜上所述，天然光光纖照明技術作為一項新的照明技術，具有一些傳統照明無法比擬的優勢，其應用范圍正在不斷拓展。雖然目前國內外尚無成熟的隧道天然光光纖照明系統應用實例，其主要原因是因為其高昂的前期投資和隧道照明的特殊性。但隨著光纖照明材料、技術的提升，制造工藝的不斷成熟和改進，以及產品的批量化生產，高品質光纖的價格會逐漸降低，天然光光纖照明系統會逐步成為今后照明產業中一個重要的組成部分。

隧道照明因其特殊性，在光導照明技術的應用上與其他功能照明具有一定差異。因此，本文通過對光導照明系統類型和特點的分析，結合隧道照明的特點，提出了適宜在隧道照明中采用的光導照明技術，即:

(1)隧道入口段和出口段照明宜采用高效、大型的光導入裝置;

(2)隧道各段照明均宜采用側面發光照明技術;

(3)隧道過渡段照明宜采用石英光纖與側光光纖綜合照明技術;

(4)隧道照明宜結合天然光光纖照明系統采用新的設計思路。

這些天然光光纖照明技術在提高隧道照明質量、節約照明用電等方面具有很大優勢，并有很好的應用前景。但目前光導照明技術在隧道照明中的應用和研究尚處起步階段，要想將其真正在隧道照明中普及，尚有許多照明技術方面的問題亟待解決。

［1］江源.光纖照明發展史 ［J］.光源與照明，2009，(3):46～48.

［2］陳仲林，王愛英.光導天然光系統應用展望 ［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.

［3］張青文，陳仲林，余洪，羅瑋.導光管照明技術在隧道照明中的應用前景 ［J］.燈與照明，2008，(3):1～5.

［4］江源，殷志東.光纖在太陽能系統中的應用 ［J］.激光與光電子學進展，2009，(10):49～56.

［5］許景峰，劉英嬰.公路隧道照明中照明功率密度的探討 ［J］.燈與照明，2009，(4):9～12.

［6］中華人民共和國行業標準JTJ 026.1—1999.公路隧道通風照明設計規范 ［S］.北京:人民交通出版社，2000.

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