采光光纖系統在隧道照明中應用的可行性分析

許景峰，吳 靜，宗德新，尹軼華

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

1 采光光纖照明在隧道照明中應用的意義

隨著我國經濟建設的發展以及西部大開發“十二五”規劃對基礎設施建設投資力度的進一步加大，西部地區公路建設尤其是高速公路建設將得到更迅猛的發展。其中，公路隧道由于具有減少征地、縮短里程、節約時間、保護生態環境等優點，在西部山區公路建設中得到廣泛采用。隨著高速公路隧道數量的日趨增多，隧道照明作為隧道工程一個重要組成部分，其照明運營電費也不斷增高。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顯得尤為重要。

值得高興的是，隨著照明技術的不斷發展，一種新興的照明方式——光纖照明，已經成為現代照明技術的一個重要組成部分。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，且沒有電力安全隱患、光源熱作用和電磁干擾等不利影響，因此是一種新型的、環保的、無能耗的照明系統。

如果將采光光纖照明系統應用于隧道照明，則可大大節約隧道照明用電以及照明設施后期維護成本，在隧道的安全、節能、環保等方面具有很大優勢，既可為隧道照明設計提供新的思路和方法，又可進一步拓展采光光纖照明系統的應用范圍。

2 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v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v代后期開始進行小規模實驗性光纖照明開發應用。

與此同時，由于20 世紀70年v代的能源危機，能源和環境問題引起全球關注，自1983年v以來，國際照明委員會先后召開了四次國際建筑采光學術會議。采光光纖照明系統作為太陽光利用的方法之一引起了人們的關注，通過國內外科研工作者的不斷努力，太陽自動跟蹤、高效聚光采集、低損耗傳輸光纖等一系列關鍵技術日趨成熟，采光光纖照明系統不僅在裝飾照明中大量采用，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。

采光光纖照明系統雖然正處于推廣階段，但作為一種新型的、無能耗的照明系統具有巨大的潛力和商機，目前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。如日本的“Himawari”系統、瑞典“Parans”系統、南京“明牌”陽光導入器等，如圖2 所示。

圖1 采光光纖照明系統應用于各場所的工程案例

圖2 國內外采光光纖照明系統

雖然采光光纖照明系統近些年得到了蓬勃發展，在許多場所的功能照明中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，隧道這種較大面積和較高亮度的照明其投資巨大。

隨著全球能源危機的擴大及我國節能減排政策的推廣，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，必將會成為現代照明的一個重要組成部分。該系統是否適合在隧道照明中應用以及如何應用是照明研究人員目前亟待解決的課題。

3 采光光纖照明系統概述

3.1 采光光纖照明系統的組成

采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“尾燈”)三個主要部分組成，如圖3 所示。

圖3 采光光纖照明系統組成示意圖

3.2 采光光纖照明系統的類型

隨著新技術、新材料的不斷發展，采光光纖照明系統的傳輸效率不斷提高，出現了多種不同類型的照明系統。

(1)根據光導入裝置的聚光方式分為透鏡折射聚光方式、曲面鏡或凹面鏡反射聚光方式。

(2)根據光導入裝置的運行方式分為被動式光導入裝置、主動式光導入裝置。

(3)根據光纖的材料分為石英光纖、聚合物光纖，也稱塑料光纖、多組分玻璃光纖。

(4)根據光輸出裝置的發光方式分為端部發光光纖、側面發光光纖。

3.3 采光光纖照明系統的特點

采光光纖照明系統作為一種新型的照明系統，具有傳統照明系統無法比擬的優勢，即節能環保、便于維護、布置靈活、安全健康等。

但目前在照明實際工程中仍存在一些應用瓶頸。

(1)造價高。目前一套具有太陽跟蹤裝置的國產石英光纖照明系統，價格約5 萬元左右。雖然該系統可節約照明用電，但高昂的一次性投入及產品性價比是影響采光光纖照明系統普及的重要原因。

(2)遠距離衰減大。采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1 000 m 后也會降低到10%以下。故采光光纖照明系統在遠距離傳輸上技術尚未成熟。

正是由于上述兩方面缺陷，目前采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。

4 隧道采光光纖照明系統應用的可行性分析

4.1 采光光纖照明系統的光學性能

采光光纖照明系統的光學性能主要包括陽光導入裝置的集光度、光纖的傳輸率及光纖“尾燈”的燈具效率和配光性能等方面。目前日本的“Himawari”采光光纖照明系統在國內應用較多，性能較好。

圖4 日本“Himawari”采光光纖照明系統的各種光纖“尾燈”

該系統聚光器的主要部件有菲涅耳透鏡和太陽跟蹤裝置。聚光器按其透鏡的數量分為6 鏡、12 鏡、36 鏡、90 鏡、198 鏡等型號，其中每6 鏡太陽采光系統可輸出1 束傳光束。圖3(a)為清華大學節能示范樓所采用的12 鏡聚光器。

該系統采用的光纖為塑料皮層石英光纖(PCS)，直徑為1.0 mm，光纖出射角達58°，6 根光纖集束為直徑約8 mm 的傳光束。這種光纖的傳輸效率高，光損耗理論上只有0.01 dB/m。根據廠家提供的數據，在太陽光直接照度為98 000 lx 條件下，15 m 長傳光束輸出的光通量為1 920 lm。

該系統的光纖“尾燈”種類也很多，根據不同的場所功能有不同形式的燈具造型，如圖4 所示。

4.2 隧道照明的平均照度計算方法

根據《公路隧道通風照明設計規范》、《照明設計手冊》及日本的《照明手冊》等資料，隧道路面的平均照度以利用系數法進行估算，其路面平均照度Eav計算公式為

其中:η——利用系數，估算值暫取0.5;

Φ——燈具光通量;

M——燈具維護系數，估算值暫取0.7;

N——燈具布置系數，估算值暫取1;

Kp——反射增量系數，估算值暫取1.2(《公路隧道通風照明設計規范》中尚未考慮);

W——路面寬度;

S——燈具間距。

上述各系數的取值是根據相關資料初步選定的，精確的取值需要通過深入的理論推導計算及實驗數據分析來進行確定。上述公式以利用系數法進行平均照度計算，但采用光強表的數值計算法可獲得更精確、細致的照度和照度均勻度計算結果。

4.3 隧道采光光纖照明系統的光纖束數量估算

根據《公路隧道通風照明設計規范》路面亮度可以根據平均亮度與平均照度的換算關系進行估算，即瀝青路面亮度與照度的轉換關系為15～22 lx/(cd/m2)，混凝土路面為10～13 lx/(cd/m2)。如需要精確的亮度計算則采用光強和簡化亮度系數的數值計算方法。

根據規范要求，對于交通量大、80 km/h 車速條件下中間段路面亮度要求為4.5 cd/m2。估算時暫取瀝青路面為 20 lx/(cd/m2);混凝土路面為13 lx/(cd/m2)。可以得出瀝青路面所需平均照度需要90 lx;混凝土路面為58.5 lx。

假設隧道路面寬度為7 m，燈具的間距為4 m，每個燈具所應提供的光通量Φ 為

即瀝青路面需要光通量Φ=6 000 lm;混凝土路面需要光通量Φ=3 900 lm。

如采用上述日本的“Himawari”采光光纖照明系統，在未考慮增加傳輸長度引起的光損耗前提下，每個燈具所需要光纖束數量為:瀝青路面需要6 000/1 920=3.125 束，取4 束;混凝土路面則需要3 900/1 920≈2 束。每束對應的是6 根1 mm 光纖，聚光器上的6 個菲涅耳透鏡。

對隧道的其他照明段，采光照明系統的要求則與路面亮度成正比。如出口段路面亮度通常取值為中間段路面亮度的5 倍，則每個燈具所需要的光纖束數量增加5 倍，即10～20 束。

4.4 隧道采光光纖照明系統應用的可行性分析

通過上述估算結果及采光光纖照明系統的特點分析，采光光纖照明系統在隧道照明中的應用具有一定可行性，且應根據不同照明段的特點選擇合理的采光光纖照明技術。

4.4.1 隧道中間段照明不宜采用采光光纖系統

對隧道照明要求較低的中間段，間距4 m 的每個燈具雖然僅需要2～4 束光纖。但中間段通常離隧道洞口200 m 左右，其傳輸距離遠，盡管采用石英光纖，但光損耗仍較大，會有約50%的衰減。因此，并不建議在中間段采用該系統進行照明。

4.4.2 高效、大型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。采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，其路面亮度約為中間段的20 倍。因此，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90 鏡、198 鏡等型號。

4.4.3 結合采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，如完全采用采光光纖照明系統則前期投入高，故可采用在隧道洞口前幾十米處建造遮光構架的方式，將入口段延伸至隧道洞口之前。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%，故可大大節約采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采光光纖照明系統的應用提供了條件，是隧道照明設計的一種新思路。

5 小 結

綜上所述，采光光纖照明系統作為一項新的照明系統，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，其應用范圍正在不斷拓展。通過分析，采光光纖照明系統在隧道照明中的應用具有一定的可行性，且應根據不同照明段的特點選擇合理的采光光纖照明技術。

雖然采光光纖照明系統目前的造價高昂，尚無系統性的研究和成熟的案例，但隨著技術和工藝的發展，采光光纖照明系統的質量和性價比也會不斷提高。因此，未雨綢繆，進行隧道采光光纖照明系統的研究具有重要意義。

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