短隧道采用太陽光光纖照明技術的優勢分析

盧世杰，史玲娜，涂 耘，王小軍

(1.陜西省交通建設集團公司安平高速公路建設管理處，陜西 安康 725000；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司 交通工程與節能分院，重慶 400067)

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短隧道采用太陽光光纖照明技術的優勢分析

盧世杰1，史玲娜2，涂 耘2，王小軍2

(1.陜西省交通建設集團公司安平高速公路建設管理處，陜西 安康 725000；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司 交通工程與節能分院，重慶 400067)

針對公路隧道照明能耗過高、孤零短隧道供電困難等問題，提出在短隧道采用太陽光光纖照明技術進行隧道照明。通過分析短隧道行車的視覺適應性建立了采用太陽光光纖照明技術時的隧道內照明需求響應與外界亮度變化實時一致性的關系，并以具體短隧道為例，進行了太陽光光纖照明系統的設計及節能效益分析，提出短隧道采用太陽光光纖照明技術的優勢。

隧道照明；太陽能；光纖照明；節能減排；低碳；短隧道；太陽光；照明技術

引言

隨著我國基礎建設速度的加快，公路隧道規模以15%左右的年增長率遞增。到2015年底，全國公路隧道數量14 006座，其中短隧道約占55%，公路隧道運營照明節能壓力大，采用新型節能技術和產品迫在眉睫[1-2]。

短隧道由于司乘人員在隧道內停留時間較短，在短隧道內的行車安全重點要解決白天入口段明暗差大導致的視覺不適應問題，即通常所說的“黑洞效應”。由于隧道入口段的“黑洞效應”程度與洞外太陽光強度有關，太陽光強越大，“黑洞效應”越明顯，采用太陽光光纖照明技術將洞外太陽光引至隧道入口段，則可以完全實現入口段的照明強度變化與洞外太陽光強度變化完全一致，一方面可以解決入口段由于視覺不適應可能引起的交通安全問題，另一方面更是為隧道入口段的高能耗提供一種太陽能利用的解決方案。

對于那些地形復雜、人口稀少地區，由于電力資源貧乏，電力成本巨大的問題尤其突出，特別是偏遠地區、孤零的短隧道照明系統的供電問題更趨嚴重。根據《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D702-01—2014)(以下簡稱《細則》)規定，長度L≤500 m且設有自發光誘導設施和定向反光輪廓標的高速公路和一級公路隧道，夜間可關閉全部燈具[3]。因此，這些地區的短隧道一旦采用太陽光光纖照明技術，白天可以通過光纖將太陽光直接導入隧道以替代傳統的隧道電光照明。從而可以取消短隧道的供配電設備，大大節省隧道照明電力成本和運營成本[4—5]。

因此，本文從視覺適應性角度出發，研究太陽光光纖照明技術在短隧道的應用，并以陜西省內的一座短隧道為例，得出太陽光光纖照明技術在短隧道內的應用方案及預期效果。

1 短隧道視覺適應性分析

根據人眼視覺特點，當駕駛員白天駕車駛入隧道時，會有一個暗適應過程，駛離隧道時會有一個明適應過程[6-7]。對于短隧道而言，白天駛入短隧道的暗適應過程與隧道的長度及通透率有關。所謂隧道通透率(STP)是指在隧道入口前一個停車視距的主車道位置，駕駛員在1.5 m高度看到的隧道出口面積占入口面積的百分比，圖1和式(1)分別為通透率的計算示意圖和計算式[8]。

圖1 短隧道通透率計算示意圖Fig.1 Calculation of STP

(1)

通常，隧道越短，受出口段洞外亮度對隧道內照明環境的影響，隧道的通透性越好，暗適應所需的時間就越短。由于短隧道的通透性在一定程度上降低了司乘人員的視覺適應性要求，對于短隧道入口段的亮度需求也隨之降低。根據《細則》規定，長度處于300～500 m和200～300 m之間通透性較好的短隧道，入口段的亮度可分別取長隧道標準的50%和20%。

采用太陽光光纖照明技術將太陽光引至隧道入口段，提高隧道入口段的照明亮度，在一定程度上可以降低入口段行車暗適應的時間，結合短隧道通透率對視覺適應的補充作用，可以提高短隧道行車從洞外亮環境→洞內暗環境→洞外亮環境的適應性。

2 短隧道采用太陽光光纖照明技術的優勢

2.1 照明需求響應的實時性

對于某一短隧道，隧道內的總體照明需求用Φs來表示，即滿足視覺需求的總光通量，該光通量可由照射在路面的光通量Φr和照射在墻面的光通量Φw組成，根據《細則》規定，隧道兩側2 m高范圍內的平均亮度，不宜低于路面平均亮度的60%。因此，隧道的總光通量需求可用式(2)表示[9-11]：

Φs=Φr+Φw=(EthSth+EinSin+EexSex)+(EthSth+EinSin+EexSex)=

(EthWDth+EinWDin+EexWDex)+

2×0.6(EthhWDth+EinhWDin+EexhWDex)=

(W+1.2hW)(EthDth+EinDin+EexDex)

(2)

式中，Eth、Ein和Eex分別表示入口段、中間段和出口段路面照度，Dth、Din和Dex分別表示隧道入口段、中間段和出口長度，W表示隧道路面寬度，hW為墻面高度，根據《細則》要求取2 m。

在采用太陽光光纖照明技術時，隧道內的光通量需求Φs由洞外太陽光經光纖系統導入。假定當地太陽輻射直接照度為Es，在太陽光傳輸過程中，整個太陽光光纖系統中陽光采集系統的光透過率為η1，光耦合傳輸效率為η2，光出射效率為η3，M表示出射尾燈的維護系數和利用系數分別用M和η表示。在滿足式(2)光通量需求下假設太陽光光纖照明系統的規模為S，從而可以建立隧道內的光照強度與洞外太陽光照度之間的關系，如式(3)所示。

EsSη1η2η3Mη=(W+1.2hW)(EthDth+EinDin+EexDex)

(3)

由于短隧道主要解決的是入口段的視覺不適應問題，如果太陽光光纖照明系統只進行隧道入口段的照明，則可以得到入口段的照度Eth與洞外太陽光照度Es之間的關系，如式(4)所示。

(4)

從式(4)可以看出，采用太陽光光纖照明技術進行短隧道(特別是入口段)照明時，隧道內的照度與洞外太陽光照度存在一一對應關系，洞外太陽光照度Es越強，隧道內的照度Eth也越強，反之亦然。這一關系與隧道照明入口段的需求完全一致，采用這該技術可以無須采用任何照明控制技術前提下自動實現照明需求響應的實時性，真正實現綠色照明的天然實時性。

2.2 建設成本及運營成本的節約

根據《細則》規定，長度小于500 m的且設有自發光誘導設施和定向反光輪廓標的高速公路和一級公路隧道，夜間可關閉全部燈具。因此，本文以一座250 m的短隧道為例進行太陽光光纖照明的經濟性分析，該隧道在有太陽的晴天及多云天均用太陽光光纖照明技術進行隧道照明，其余天氣及夜間均采用蓄能發光材料、智能誘導等增強輔助照明技術以實現短隧道行車的安全性，從而實現用太陽光光纖照明替代傳統的電光照明。

該短隧道設計時速80 km/h，洞外亮度取值2 500 cd/m2，亮度折減系數為0.025。根據《細則》規定，入口段1的亮度取值為12.5 cd/m2，Eth1=187.5 lx，入口段2的亮度取值為6.25 cd/m2，，中間段亮度取值為2 cd/m2，Ein=30 lx，出口段1和出口段2的照度分別為90 lx和150 lx，當地在2 500 cd/m2的洞外亮度的太陽輻射照度為60 000 lx。采用改進的太陽光光纖照明系統，由式(1)和式(2)可得所需系統規模為。按每套系統的采光面積為 0.72 m2、附帶6個尾燈計算，需29套系統，共174個尾燈。

在太陽輻射照度為60 000 lx的情況下，按上述參數進行該短隧道的太陽光光纖照明系統設計，在滿足照明指標的前提下，具體設計參數如表1所示。

表1 太陽光光纖照明系統的設計方案Table 1 Design scheme of sunlight fibre lighting system

圖2為根據上述設計方案得出的入口段1的太陽光光纖照明效果圖，從圖中可見，在采用該設計方案時，將太陽光導入隧道時，不管是平均亮度和亮度均勻度均可達到預期的照明效果。

圖2 太陽光光纖隧道照明效果圖Fig.2 Sunlight fibre lighting effect

將該照明方式與傳統的電光照明方式相比，如果該隧道采用傳統的電光照明方式，在采用目前較為普遍的LED照明情況下，該隧道的照明系統建設成本約為120萬元(包括配電箱、線纜、燈具、控制箱等)，每年的照明運營費用及維護費約在18萬元，按燈具壽命5年、線纜壽命10年計，在10年的壽命周期內，采用傳統照明方式的建設成本和運營成本約為300萬元。而采用太陽光光纖照明系統時，按上述計算規模，初期的建設投資約為204萬元，由于在運營期內該系統完全采用太陽光照明，不再消耗傳統的電能，因此在運營期內的運營費用為0，系統的維護成本也非常低。因此在10年的壽命周期內，采用太陽光光纖照明系統進行該隧道照明時，其經濟性和節能性是相當明顯的。并且隨著該技術的推廣應用，系統的建設成本會進一步降低，其經濟性的優勢會更加明顯。

3.3 短隧道太陽光光纖照明的綠色性

用太陽光光纖照明技術進行短隧道照明時，其導入隧道的為圖3所示的連續光譜分布的太陽光。該光譜分布不同于任何一種人工光源的光譜，在可見光波段內的光譜分布與太陽光完全一致。此外，根據幾何光學原理，經過太陽光光纖系統對太陽光進行導入傳輸時，由于焦距與波長之間存在一一對應關系，在進行太陽光的耦合傳輸時，可能設定特定耦合位置將紅外光與紫外光完全濾除(如圖4所示)，從而實現真正意義上的公路隧道綠色、環保照明。

圖3 太陽光譜分布Fig.3 Sunlight spectral distribution

圖4 太陽光光纖照明系統的耦合位置與波長的關系Fig.4 Relation between the coupling position of sunlight fibre lighting system and the wavelength

此外，根據隧道行車的視覺適應性需求，有時需要在隧道的不同區段設置具有不同色溫的燈具以提高駕駛員對視覺敏感性，提高行車安全。圖4顯示太陽光光纖照明系統耦合位置與所導入的波段比例有關，圖5所示的即為處于不同位置進行耦合所出射的具有不同色溫的太陽光示例。因此在進行太陽光光纖照明系統應用設計時，可以根據需要將用于不同照明區域的太陽光光纖系統的耦合位置根據實際需要設置，從而使得從尾燈出射的太陽光具有不同的色溫，實現一種純綠色的隧道照明色溫選擇方式。

3 結論

本文在目前隧道照明能耗問題突出，國家積極推行使用綠色能源、實行節能減排方針政策的背景下，提出在短隧道采用太陽光光纖照明技術以降低公路隧道能耗。根據短隧道行車的視覺適應性分析，提出將太陽光光纖照明技術用于短隧道可以提高其行車視覺適應性，并以一座短隧道為例從不同方面具體分析了太陽光光纖照明技術用于短隧道的節能與照明效果優勢，總結結論如下：

1)短隧道完全采用太陽光光纖照明技術進行隧道照明時，導入隧道內的太陽光強度直接由洞外太陽光強決定，可以實現隧道內的照明亮度特別是入口段的亮度變化與洞外亮度變化實時一致，實現一種純自然無須任何控制技術的照明亮度需求響應方法，從根本上解決隧道“黑洞效應”導致的視覺不適應問題。

2)采用太陽光光纖照明技術用于短隧道照明，與傳統照明方式相比，在初期會增加建設投資，由于在運營期內不耗能，因此在包括建設與運營期的全周期內，經濟性比較明顯，以10年為計算周期，采用太陽光光纖照明技術用于短隧道照明，與傳統照明方式相比，可以節約30%的投資。

3)研究表明，由于導入隧道的太陽光為連續光譜的太陽光譜，該技術的應用可為隧道提供真正綠色的太陽光照明。此外，由于系統耦合端的位置與不同波長太陽光的聚集有關，該技術在應用上可以根據實際需要選擇不同的波段，從而實現一種純綠色的照明光色溫選擇方式，提高隧道照明的視覺適應性，保證隧道行車的安全與舒適。

[1] 交通運輸部綜合規劃司. 2015年交通運輸行業發展統計公報[EB/OL]. http://zizhan.mot.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201605/t20160506_2024006.html

[2] 交通運輸部綜合規劃司. 2014年交通運輸行業發展統計公報[EB/OL]. http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201504/t20150430_1810598.html.

[3] 公路隧道照明設計細則:JTG/T D70/2-01—2014[S]. 北京: 人民交通出版社,2014.

[4] 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.

[5] 史玲娜, 涂耘, 王小軍. 太陽光光纖照明在短隧道中的應用方案研究.公路交通技術, 2015,(6):109-112.

[6] Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses:CIE 88:2004[S]. Austria:Internatonal commission on Illumination, 2004.

[7] Lighting applications-Tunnel Lighting：CR 14380—2003[S].2003

[8] 涂耘,史玲娜,王小軍.基于視覺特性的短隧道照明節能設計研究[J].照明工程學報, 2016,27(1):28-31.

[9] 劉興茂, 史玲娜, 涂耘, 等. 隧道入口段太陽光直接照明的光能分析[J].照明工程學報, 2015,26(6): 91-96.

[10] 羅亨俊，史玲娜，涂耘，等. 太陽光光纖照明在隧道中應用的可行性分析[J].照明工程學報,2016,27(4):55-60.

[11] 涂耘,陳建忠.太陽光光纖照明在公路隧道中的應用研究[J].公路交通技術,2012,(6):120-123.

第八屆吉林省照明科技獎頒獎大會暨北方城市(長春)照明論壇獲得圓滿成功

由吉林省科學技術協會主辦，吉林省照明學會、長春市路燈管理處聯合承辦的《第八屆吉林省照明科技獎頒獎大會暨北方城市(長春)照明論壇》于2017年4月27—28日，在長春海航長白山賓館五樓金色大廳隆重召開，并獲得圓滿成功。參加此次論壇不僅有省內照明生產科研、設計施工和省內絕大多數市州縣區市政路燈單位的領導參會，而且中國照明學會、北京、天津、深圳、山東，河南、安徽、南京等地的行業組織領導及內蒙古、遼寧、黑龍江地區照明亮化、城市管理部門的主管領導，都蒞臨論壇指導，規模突破400人。長春市路燈管理處董建宇副處長代表主辦方致歡迎詞，中國照明學會邴樹奎理事長、吉林省科協韓宇鴻副主席在大會上致辭。

Advantage Analysis of Sunlight Fiber Lighting Technology in Short Tunne

lLU Shijie1, SHI Lingna2, TU Yun2, WANG Xiaojun2

(1.Anping Expressway Construction Management, Shanxi Provincial Communication Construction Group, Ankang 725000，China；2.Traffic Engineering and Energy-saving Department, China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co.,Ltd, Chongqing 400067，China)

Aiming at the problem of high energy consumption in tunnel lighting, and the difficulty of power supply for single short tunnel, an application solution of sunlight fiber lighting technology for short tunnel is put forward. By analyzing the visual adaptation of short tunnel driving, the consistency relationship between lighting demand response of the inside and brightness change of the outside is established. Taking concrete short tunnel as an example, the design method and energy conservation benefit are analyzed, then the advantages of short tunnel is put forward by using sunlight fiber lighting technology.

tunnel lighting； solar energy； fiber lighting； energy saving and emissions reduction； low-carbon; short tunnel; sunlight; lighting technology

重慶市社會民生科技創新專項(cstc 2015shmszw90004),陜西省交通廳科技項目(13-29k，15-29k),貴州省交通廳科技項目(2014-122-020，2016-123-013)

TU113.665;U453.7

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.012