發光涂料鋪設范圍對公路隧道照明影響研究

郭 春 柳玉良 王明年

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

1 引言

二十一世紀，全球能源危機已成為世界各國發展面臨的一大問題，引起了普遍重視。我國第十一個五年規劃明確提出要把節約資源作為基本國策，《綱要 (草案)》提出了“十一五”期間單位國內生產總值能源消耗降低20%左右、主要污染物排放總量減少10%等目標。國家發改委發布的《節能中、長期專項規劃》則明確提出將交通運輸以及綠色照明工程作為節能的重點之一。

公路隧道具有縮短公路里程、提高運輸效益、節省用地、利用地下空間和保持生態環境等優點。然而，便捷的交通無一例外地依賴于強大的能源供應，尤其是電力的供給。隧道照明費用已成為公路隧道運營中的一筆沉重負擔，特別是隧道通車初期，長大公路隧道照明運營負荷在隧道機電系統能耗中占40%以上，其龐大的運營費用已成為公路隧道運營中的一筆沉重負擔。目前，我國部分高速公路管理單位為了降低能耗，減少費用，甚至不合理開啟隧道照明系統，隱現安全風險［1～2］。

公路隧道照明的“安全、節能”是公路工程建設追求的目標，解決隧道照明系統安全性與節能性之間的矛盾，是照明工程師和交通安全工程師的共同目標。由此帶來了對隧道發光節能涂料的一系列研究。

目前，隧道用發光涂料是將發光顏料、有機樹脂或乳液、有機溶劑或水、無機顏、填料、助劑等按一定的比例通過特殊的加工工藝制成的。其有效激發光譜在200～450nm之間，然而人眼所能感受的可見輻射部分，波長在380～780nm之間。因此，發光節能涂料可以有效的將人眼無法識別的光波轉換為可識別光波，并反射，激發司辰視覺。實驗表明，發光涂料與照明光源高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、無極熒光燈、節能燈、LED燈組合照明均可增加亮度，發光節能涂料對自然光的增亮效果更為明顯，這種增亮效果符合公路隧道的照明特點［3～8］。

2 發光節能涂料仿真計算模型建立

為了研究隧道側壁涂設發光節能涂料對照明水平的影響，需選擇不同反射比的內裝材料，并將其余的照明環境參數 (如燈具類型、配光曲線、光通量大小、燈具布置方式、隧道幾何尺寸等)完全固定。由于計算工況的復雜，在現有的條件下作實驗觀測存在一定難度。因此，本文通過使用Dialux軟件進行計算機仿真模擬的方法，以路面平均亮度作為關鍵評價指標，分析發光涂料鋪設范圍對隧道照明質量的影響，采用基本照度計算公式:

取隧道總長為3000m，設計時速為60km h，分為入口段、過渡段、中間段和出口段。以中間段為例分析側壁反射光對隧道照明的影響。中間段不受自然光的影響，考慮到中間段上各個位置的照明設計相同，取其中的200m長度建立分析模型。隧道寬10.4m，高7.2m，具體斷面尺寸如圖1所示。

圖1 隧道斷面尺寸圖 (單位m)Fig.1 Tunnel section size chart(in m)

燈具布置采用雙排對稱布燈方式，布燈間距為2.5m，布設高度為5.6m;燈具類型為隧道內常用的LED和高壓鈉燈，考慮到實際環境和光衰減的影響，燈具維護系數取0.65。

對于路面材料，瀝青路面的反射比低于水泥混凝土路面，取0.15。對于墻面材料，一般隧道使用反光瓷磚，其反射比為0.58，如果使用發光節能涂料，根據要求，最低反射比為0.85。初始計算工況選擇模擬隧道內襯完成后表面涂刷的深色防火涂料，即取初始反射比為0.10。對于頂棚材料，由于直接照明或半直接照明的燈具分配到頂棚上的光通量很小，反射作用不太明顯。此外，頂棚是隧道內污染最嚴重的區域，即使設置高反射比內裝材料后也會由于污染和難以清潔等原因使其反射比下降很快最后變成反射比很低的表面，因此大部分隧道都直接采用深色防火涂料涂刷頂棚，計算模型中頂棚材料反射比取0.10。

模擬計算中得到的路面平均照度或亮度是針對模型的自定義工作面而言，即模型中整個路面區域，這與規范中按照兩燈之間和燈具影響范圍劃分的計算區域存在差異。此外，軟件計算過程中會自動劃分計算網格。網格劃分得過粗，計算結果會存在較大誤差;網格劃分得太細，照度和亮度的計算結果會相對準確，但均勻度會出現一定程度上的失真。由于計算機會自動選擇檢修道邊緣或者其他光線照射不到、且實際中根本不需要考慮的點，因此在計算過程中經常會產生相鄰兩個計算區域均勻度發生突變的情況。因此分析過程中，根據GB T 5700—2008《照明測量方法》按照四角布點法或中心布點法，在計算模型中將計算區域的路面劃分為若干個矩形網格，計算結果更接近于真實。計算模型效果如圖2與圖3所示。

圖2 計算模型3D效果圖aFig.2 The 3d rendering of calculation model(a)

圖3 計算模型3D效果圖bFig.3 The 3d rendering of calculation model(b)

3 發光涂料最優鋪設范圍研究

由于CIE建議中包括2m隧道壁高度的情況，因此，本次研究共包括未鋪設、鋪設至兩側2m以及以兩側3m高為基準向上鋪設的6種情況 (將隧道頂部采用極坐標10等分，左右對稱6種工況)，共計8種工況。

采用實際能效值對其節能情況進行反應，即在單位面積內，同樣布燈高度，同樣布燈距離等條件下，反映所消耗的電能與獲得地面平均照度關系的數值，被稱之為實際效能值，單位:W m2100lx。

3.1 未鋪設情況 (圖4)

圖4 未鋪設時路面照度Fig.4 The road illumination without laying

在前述相同光通量條件下，當對隧道內表面未鋪設發光節能涂料時，平均照度為143lx，實際能效值為4.36W m2100lx，最小照度與平均照度比值為0.575，換算成亮度值，則平均亮度為8.7cd m2。

3.2 鋪設至兩側2m高度 (圖5)

圖5 鋪設2m高度時路面照度Fig.5 The road illumination in laying range of 2 meters height

在前述相同光通量條件下，當對隧道內表面兩側2m高度以下涂設具有85%反射比的發光節能涂料時，路面平均照度為155lx，實際能效值為3.92W m2100lx，最小照度與平均照度比值為0.647，換算成亮度值，則平均亮度為9.1cd m2。

3.3 鋪設至兩側3m高度 (圖6)

圖6 鋪設3m高度時路面照度Fig.6 The road illumination in laying range of 3 meters height

在前述相同光通量條件下，當對隧道內表面兩側3m高度以下涂設具有85%反射比的發光節能涂料時，路面平均照度為161lx，實際能效值為3.86W m2100lx，最小照度與平均照度比值為0.651，換算成亮度值，則平均亮度為9.8cd m2。

3.4 鋪設至兩側4.54m高度 (圖7)

圖7 鋪設4.54m高度時路面照度Fig.7 The road illumination in laying range of 4.54 meters height

在與之前相同光通量條件下，當對隧道內表面兩側4.54m高度以下涂設具有85%反射比的發光節能涂料時，路面平均照度為168lx，實際能效值為3.70W m2100lx，最小照度與平均照度比值為0.661，換算成亮度值，則平均亮度為10.2cd m2。

3.5 鋪設至兩側5.71m高度 (圖8)

圖8 鋪設5.71m高度時路面照度Fig.8 The road illumination in laying range of 5.71 meters height

在與之前相同光通量條件下，當對隧道內表面兩側5.71m高度以下涂設具有85%反射比的發光節能涂料時，路面平均照度為174lx，實際能效值為3.57W m2100lx，最小照度與平均照度比值為0.665，換算成亮度值，則平均亮度為10.5cd m2。

3.6 鋪設至兩側6.5m高度 (圖9)

圖9 鋪設6.5m高度時路面照度Fig.9 The road illumination in laying range of 6.5 meters height

在與之前相同光通量條件下，當對隧道內表面兩側6.5m高度以下涂設具有85%反射比的發光節能涂料時，路面平均照度為181lx，實際能效值為3.44W m2100lx，最小照度與平均照度比值為0.670，換算成亮度值，則平均亮度為11.0cd m2。

3.7 鋪設至兩側7m高度 (圖10)

圖10 鋪設7m高度時路面照度Fig.10 The road illumination in laying range of 7 meters height

在與之前相同光通量條件下，當對隧道內表面兩側7m高度以下涂設具有85%反射比的發光節能涂料時，路面平均照度為189lx，實際能效值為3.29W m2100lx，最小照度與平均照度比值為0.664，換算成亮度值，則平均亮度為11.5cd m2。

3.8 鋪設至全截面范圍 (圖11)

在與之前相同光通量條件下，當對隧道內表面墻壁全截面范圍內涂設具有85%反射比的發光節能涂料時，路面平均照度為200lx，實際能效值為3.11W m2100lx，最小照度與平均照度比值為0.665，換算成亮度值，則平均亮度為12.1cd m2。

4 數據匯總分析

通過表1、表2計算匯總可知，在該隧道模型條件下，發光節能涂料在墻壁兩側3m高度范圍內鋪設時的經濟技術性最優。

表1 不同鋪設范圍時各項數據匯總Table 1 The data collection in different laying range

表2 不同鋪設范圍時單位長度效率比匯總Table 2 The efficiency of unit length in different laying range

5 結論及展望

通過對發光節能涂料在8種不同鋪設范圍下的隧道內平均亮度研究結果可知，平均亮度變化范圍在8.7～12.1cd m2，能效值隨著鋪設范圍增大而減小，在墻壁兩側3m高度范圍內鋪設時的性價比最高。

后續將開展針對發光涂料與不同光源組合的效果進行研究。

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