許景峰，翁 季，胡英奎

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶400045;

2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶400045)

0 引言

光導(dǎo)照明是一種特殊的照明技術(shù)，它可以將日光源或人工光源發(fā)出的光從一處傳輸?shù)搅硪惶?，并根?jù)照明需要進行光的重新分配。

雖然1880年俄國契卡洛夫已經(jīng)首次提出并實現(xiàn)了光導(dǎo)管照明原理，但從上世紀60年代開始光導(dǎo)照明技術(shù)才有了比較迅猛的發(fā)展。目前，光導(dǎo)照明技術(shù)在國外日趨成熟，光導(dǎo)照明系統(tǒng)作為一種新型的照明系統(tǒng)逐漸普及，許多公司都在從事光導(dǎo)照明系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)。國內(nèi)的光導(dǎo)照明研究和使用起步較晚，理論研究和產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計的能力與國外還存在一定的差距，但近些年，光導(dǎo)照明系統(tǒng)在國內(nèi)照明市場也受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。光導(dǎo)照明系統(tǒng)不僅廣泛用于室內(nèi)藝術(shù)照明、建筑輪廓照明及景觀夜景照明等裝飾照明，而且在工業(yè)廠房、體育場館、醫(yī)院、住宅等場所的功能照明上也有實際應(yīng)用，如圖1、圖2所示。

盡管光導(dǎo)照明技術(shù)日趨成熟，在許多建筑場所中得到了實際應(yīng)用，并滿足相應(yīng)的照明要求。但在隧道照明(特別是山體隧道)中的應(yīng)用卻有待進一步研究和推廣，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。雖然國外已有光導(dǎo)照明技術(shù)在隧道照明中實際應(yīng)用的案例，但尚未結(jié)合隧道照明的特點進行深入研究。因此，我們應(yīng)當(dāng)仔細分析隧道照明和光導(dǎo)照明系統(tǒng)的特點，為光導(dǎo)照明技術(shù)在隧道照明中的應(yīng)用和推廣提供思路和依據(jù)。

圖1 北京科技大學(xué)體育館的光導(dǎo)管照明

圖2 上海虹橋火車站的光導(dǎo)纖維照明

1 光導(dǎo)照明系統(tǒng)的組成及類型

1.1 光導(dǎo)照明系統(tǒng)的組成

無論哪種類型的光導(dǎo)照明系統(tǒng)，都是由光導(dǎo)入裝置、光傳輸裝置和光輸出裝置三個主要部分組成，如圖3所示。除了這三個主要的裝置外，有時根據(jù)需要還會在光導(dǎo)入裝置上增加太陽跟蹤系統(tǒng)和備用人工光源，以及在光傳輸裝置中增加調(diào)光系統(tǒng)等。

1.2 光導(dǎo)照明系統(tǒng)的類型

隨著新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展，光導(dǎo)照明系統(tǒng)的傳輸效率不斷提高，出現(xiàn)了很多不同類型的照明系統(tǒng)。

(1)根據(jù)光源分為

1)人工光光導(dǎo)照明系統(tǒng)，即光源為人工光源。通常采用大功率和發(fā)光效率高的人工光源，如高壓鈉燈和陶瓷金鹵燈等。

圖3 光導(dǎo)照明系統(tǒng)組成示意圖

2)天然光光導(dǎo)照明系統(tǒng)，即光源為天然光。根據(jù)集光器的工作原理，可分為主動式和被動式兩種，前者可以更充分地利用太陽直射光提高采光效率，但需要增加太陽跟蹤系統(tǒng)。

(2)根據(jù)導(dǎo)光方式分為

1)透鏡光導(dǎo)照明系統(tǒng)，即采用反射鏡和透鏡把光變成平行光后在導(dǎo)光管或空氣中傳輸。該系統(tǒng)由于增加了透鏡和反射鏡裝置，導(dǎo)致了造價高和光損失大兩個方面的缺陷，在實際工程中較少使用。

2)反射光導(dǎo)照明系統(tǒng)，即利用導(dǎo)光管內(nèi)表面的多次光反射進行光的傳輸。該系統(tǒng)的總傳光效率與內(nèi)表面反射率、入射光的光束角、導(dǎo)光管尺寸與形狀等相關(guān)。

根據(jù)導(dǎo)光管內(nèi)表面的材料，可分為金屬和非金屬兩類。其中非金屬管壁材料可以通過表面多層覆膜可以得到很高的反射率，但目前由于這種多層覆膜結(jié)構(gòu)造價昂貴，故非金屬管壁尚未普及。

根據(jù)導(dǎo)光管的構(gòu)造，又分為無縫導(dǎo)光管和有縫導(dǎo)光管兩種。后者是在封閉的導(dǎo)光管上開出一條長的出光縫，使光線照射到所需的區(qū)域。這種導(dǎo)光管在一定照度和均勻度條件下，能夠節(jié)約電能，減少安裝和維護費用。

3)棱鏡空心導(dǎo)光管照明系統(tǒng)，即采用棱鏡導(dǎo)光管全反射原理進行光的傳輸，其構(gòu)造如圖4所示。從理論上講，只要入射光線滿足一定的條件，光線從導(dǎo)光管的一端射入，經(jīng)過多次全反射可以無損失地到達另一端;但實際上，由于材料表面不可能絕對光滑，棱鏡內(nèi)存在氣泡和雜質(zhì)等方面的缺陷，使得棱鏡空心導(dǎo)光管不但能以較高效率傳輸光線，其本身也是一個亮度均勻的發(fā)光體，能將光線均勻地分布在傳播路徑上。

圖4 棱鏡空心導(dǎo)光管構(gòu)造示意圖

4)光導(dǎo)纖維照明系統(tǒng)，即利用光在介質(zhì)分界面上能發(fā)生全反射的原理進行光的傳輸。光導(dǎo)纖維的傳光效率與光纖材料的光學(xué)性能有密切關(guān)系。

根據(jù)光纖的材料成分來分，主要有石英光纖、多組分玻璃光纖、聚合物光纖三大類。三種光纖各有其優(yōu)點和特性，其中石英光纖的光學(xué)性能最好，光損耗小，但造價高;聚合物光纖具有較好的光學(xué)性能、低成本，以及不斷提升的技術(shù)潛力，在實際照明工程中得到廣泛的應(yīng)用。

(3)根據(jù)光輸出裝置的發(fā)光方式分為

1)端部發(fā)光照明系統(tǒng)，即與傳統(tǒng)的照明裝置類似，把光傳輸?shù)揭欢ㄎ恢煤髲墓鈧鬏斞b置的端部散射出來。如無縫導(dǎo)光管、端面發(fā)光光纖、透鏡光導(dǎo)照明系統(tǒng)等。

2)側(cè)面發(fā)光照明系統(tǒng)，即光在傳輸?shù)倪^程中不斷從光傳輸裝置的側(cè)面散射出來。如有縫導(dǎo)光管、棱鏡導(dǎo)光管、側(cè)面發(fā)光光纖照明系統(tǒng)等。

2 光導(dǎo)照明系統(tǒng)的特點

光導(dǎo)照明系統(tǒng)由于是將光輸出裝置與光源遠距離聯(lián)系，且光導(dǎo)照明系統(tǒng)的種類豐富，因此在照明上具有以下方面的優(yōu)勢:

(1)便于維護。由于光源的光可以遠距離傳輸，因此可以將光源安裝在維護起來更方便、更安全和更經(jīng)濟的場所。

(2)高效節(jié)能。光導(dǎo)照明系統(tǒng)可以將多個發(fā)光裝置的光源集中在一起或共用一個大功率光源，因此可以采用數(shù)量更少、功率和發(fā)光效率更高的電光源，提高系統(tǒng)的照明效率。特別是天然光光導(dǎo)照明系統(tǒng)，其光源是無能耗的清潔能源，同時光導(dǎo)照明系統(tǒng)具有良好的保溫性能，并可以屏蔽帶有大量熱量的紅外光入射，故可以克服增加窗戶采光面積而引起室內(nèi)熱負荷增加的傳統(tǒng)缺陷，更具節(jié)能效益。如圖1所示，北京科技大學(xué)體育館的導(dǎo)光管照明系統(tǒng)初步估算每年可以節(jié)電42 420 kWh，在導(dǎo)光管的整個生命周期(25年)可以節(jié)電100多萬kWh。

(3)布置靈活，裝飾性強。由于光導(dǎo)照明系統(tǒng)的光傳輸和光輸出裝置的種類豐富，在實際應(yīng)用中更具多樣性、靈活性，可以根據(jù)設(shè)計需要改變光的傳播方向和發(fā)光的效果。特別是采用光導(dǎo)纖維照明系統(tǒng)，其截面尺寸比較小，可以在保證傳輸效率的前提下靈活彎曲，形成特殊的裝飾照明效果，增加照明設(shè)計的藝術(shù)性與自由度。

(4)安全健康。因為光源可遠距離安裝，室內(nèi)照明場所不會受到電力隱患、光源熱作用和電磁干擾等影響，安全性好。因此，廣泛用于空氣質(zhì)量要求高、寒冷潮濕、易燃易爆的特殊場所照明，如火藥廠車間、室內(nèi)游泳池、冷庫等。與此同時，室內(nèi)照明場所不會受到光源眩光、交流噪聲的干擾，特別是天然光光導(dǎo)照明系統(tǒng)還具有寬頻譜、高顯色、無閃爍的優(yōu)點，可以為人們提供一個更加健康、舒適的高品質(zhì)照明環(huán)境。

雖然光導(dǎo)照明系統(tǒng)具有以上傳統(tǒng)照明系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，但目前在照明實際工程中仍存在一些應(yīng)用瓶頸:

(1)造價高。價格是影響產(chǎn)品市場推廣的一個重要因素，光導(dǎo)照明系統(tǒng)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(tǒng)的日光集光器、棱鏡空心導(dǎo)光管，以及傳光效率高的石英光纖目前的價格十分昂貴。一套國產(chǎn)的帶太陽跟蹤裝置的光導(dǎo)石英纖維照明系統(tǒng)，其價格約5萬元。雖然該系統(tǒng)在白天可以節(jié)約照明用電，但高昂的一次性投入及產(chǎn)品性價比問題是影響當(dāng)前光導(dǎo)照明系統(tǒng)普及的重要原因。

(2)遠距離衰減大。光導(dǎo)照明系統(tǒng)中光的傳輸是通過不同光傳輸裝置進行的，然而無論哪種傳輸裝置，隨著光傳輸距離的增加，光傳輸?shù)男识紩@著降低。即使采用造價高昂的、光衰減率小的石英纖維或表面多層覆膜的非金屬導(dǎo)光管，在1 000 m后其傳輸效率也會降低到10%以下。因此，光導(dǎo)照明系統(tǒng)在光的遠距離傳輸上技術(shù)尚未成熟。

正是由于上述的兩方面缺陷，因此目前光導(dǎo)照明系統(tǒng)在低照度條件下的藝術(shù)照明和特殊場所照明上得到較廣泛的應(yīng)用，但在功能照明上的應(yīng)用尚處于起步階段，其照明技術(shù)尚待進一步的推廣。

3 隧道照明的特點

隧道照明是為了保證隧道內(nèi)交通順暢而設(shè)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(huán)境，保障交通運行，提高運輸效率。隧道照明與通常的室內(nèi)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(fù)雜得多，它不僅需要24 h不間斷照明，而且白天照明要比夜間照明更復(fù)雜。因此，隧道照明的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

3.1 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(nèi)部與外部道路的光環(huán)境發(fā)生了很大的變化，視覺需要有一定的適應(yīng)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(chǎn)生“黑洞”、“亮(白)洞”等現(xiàn)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5所示。

圖5 隧道各照明段及相應(yīng)的白天路面亮度水平示意圖

3.2 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。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3 000 m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%。而且隨著長度的減少，加強照明所占的比例將更大。

3.3 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(yīng)當(dāng)隨著隧道洞外亮度或等效光幕亮度的變化而調(diào)整。同時，按照《公路隧道和地下通道照明指南》CIE 88-2004的相關(guān)規(guī)定，對于過渡段的路面亮度最好是能根據(jù)人眼暗適應(yīng)曲線的特點從入口段結(jié)束點的路面亮度逐減過渡到中間段的路面亮度。

4 光導(dǎo)照明系統(tǒng)在隧道照明中的應(yīng)用

對于城市廣場下的隧道或上部覆土不深的隧道，可以利用垂直方向的光導(dǎo)管穿過廣場下部或隧道上部的地面，將天然光引入隧道內(nèi)。為了滿足隧道不同照明段的亮度水平要求，可以在不同照明段采用不同數(shù)量或孔徑大小的光導(dǎo)管來處理，如圖6所示。同時，為了避免光導(dǎo)入裝置與廣場之間的相互影響，可以如德國柏林波茨坦廣場的空腔鏡面導(dǎo)光管那樣突出于廣場，并成為了廣場景觀的一部分，如圖7所示。

圖6 城市廣場下隧道的光導(dǎo)照明系統(tǒng)示意圖

圖7 波茨坦廣場的空腔鏡面導(dǎo)光管

采用上述垂直安裝的天然光光導(dǎo)照明系統(tǒng)用于城市廣場下的隧道照明具有良好的效果，但如果用于穿山而過的隧道則很難采用了。因此，對此類隧道則需要仔細分析各照明段的照明要求，結(jié)合光導(dǎo)照明系統(tǒng)的特點合理地選擇光導(dǎo)照明系統(tǒng)。

(1)天然光光導(dǎo)照明系統(tǒng)在入口段及出口段的應(yīng)用

隧道入口段和出口段的照明要求較高，特別是入口段的路面亮度是隧道照明中最高的。同時，這兩個照明段的位置緊鄰隧道洞口，具有利用天然光的先天優(yōu)勢。因此，采用天然光光導(dǎo)照明系統(tǒng)既可以節(jié)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(guī)律。

但由于穿山隧道不便采用垂直安裝的導(dǎo)光管，故利用橫向傳輸?shù)墓鈱?dǎo)照明方式是較好的選擇。為了提高光導(dǎo)入裝置的集光效率，宜采用極軸式定日鏡集光裝置或帶有太陽跟蹤系統(tǒng)的透鏡集光器，如圖8所示。光導(dǎo)入裝置的數(shù)量與集光措施還需要根據(jù)隧道洞口朝向、寬度、高度及洞外環(huán)境等因素確定。

圖8 日本“向日葵”系統(tǒng)的集光裝置

(2)光導(dǎo)纖維和非金屬導(dǎo)光管照明系統(tǒng)在過渡段的應(yīng)用

隧道過渡段緊鄰入口段和中間段，與隧道洞口有一定的距離(即入口段的長度)，其路面亮度與入口段一樣也受洞外亮度的影響。如果采用覆膜金屬導(dǎo)光管進行傳輸，則50 m后其傳光效率降低到10%以下。因此，如果要想在過渡段(特別是過渡段前段)利用天然光，則需要采用傳光效率高的石英光纖或非金屬導(dǎo)光管照明技術(shù)，這兩種照明系統(tǒng)在300 m處(基本覆蓋了整個過渡段長度)仍可達到50%的傳光效率。但這兩種照明技術(shù)的造價相當(dāng)昂貴，在目前條件下并不適合推廣。

(3)側(cè)面發(fā)光照明系統(tǒng)在隧道照明中的應(yīng)用

側(cè)面發(fā)光照明是光導(dǎo)照明系統(tǒng)中一項獨具特色的照明技術(shù)。如果僅僅利用光導(dǎo)照明系統(tǒng)進行光的傳輸，而仍然以傳統(tǒng)點光源的方式進行光輸出，則并沒有充分發(fā)揮光導(dǎo)照明系統(tǒng)在隧道照明中的優(yōu)勢。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面:

1)避免眩光。側(cè)面發(fā)光照明是將光能均勻地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(chǎn)生的眩光干擾。

2)提高亮度均勻度。由于側(cè)面發(fā)光照明在隧道縱向上是連續(xù)的，不易出現(xiàn)傳統(tǒng)燈具之間的“暗區(qū)”，同時配合良好的二次光學(xué)設(shè)計，則可以大大提高隧道路面的亮度均勻度和目標(biāo)可見度。

3)避免頻閃效應(yīng)。頻閃效應(yīng)是駕駛時通過明暗周期性變化照明所產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。側(cè)面發(fā)光照明所產(chǎn)生的線光源避免了駕駛時出現(xiàn)明暗變化的現(xiàn)象，因此從根本上避免了頻閃效應(yīng)的發(fā)生。

4)增強視覺引導(dǎo)性。由于側(cè)面發(fā)光照明所產(chǎn)生的線光源容易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(dǎo)性。

5)安裝維護方便。如前所述導(dǎo)光照明系統(tǒng)可以采用大功率、光效高的光源，既可以減少光源的數(shù)量，又將光源安裝在方便維護的場所。

值得注意的是，目前采用的側(cè)面發(fā)光照明系統(tǒng)尚有待提高，圖9所示的加拿callahan隧道所采用的棱鏡空心導(dǎo)光管雖然具有側(cè)面發(fā)光照明的優(yōu)點，但是由于經(jīng)過的棱鏡導(dǎo)光管間接照射，其照明的效率并不高，在路面平均照度81 lx的條件下，照明功率密度LPD達到了6.7 W/m2，在照明節(jié)能方面并不有利。

圖9 callahan隧道的棱鏡空心導(dǎo)光管照明

5 小結(jié)

綜上所述，光導(dǎo)照明系統(tǒng)作為一項新的照明系統(tǒng)，具有一些傳統(tǒng)照明無法比擬的優(yōu)勢，其應(yīng)用范圍正在不斷拓展。雖然光導(dǎo)照明系統(tǒng)目前尚存在遠距離衰減大、造價高等缺陷，但隨著光導(dǎo)照明材料、技術(shù)和制造工藝的不斷成熟和改進，以及產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)，光導(dǎo)照明系統(tǒng)會逐步成為今后照明產(chǎn)業(yè)中一個重要的組成部分。

隧道照明因其特殊性，在光導(dǎo)照明系統(tǒng)的應(yīng)用上與其他功能照明具有一定的差異。因此，筆者通過對光導(dǎo)照明系統(tǒng)類型和特點的分析，結(jié)合隧道照明的特點，提出了適宜在隧道照明中采用的光導(dǎo)照明技術(shù)，即

(1)隧道入口段和出口段照明宜采用天然光光導(dǎo)照明系統(tǒng);

(2)隧道過渡段照明宜采用光導(dǎo)纖維和非金屬導(dǎo)光管照明系統(tǒng);

(3)隧道各段照明均宜采用側(cè)面發(fā)光照明系統(tǒng)。

這些光導(dǎo)照明系統(tǒng)在提高隧道照明質(zhì)量、節(jié)約照明用電和便于安裝維護等方面具有很大優(yōu)勢，應(yīng)當(dāng)具有很好的應(yīng)用前景。但目前光導(dǎo)照明系統(tǒng)在隧道照明中的應(yīng)用和研究也尚處起步階段，要想將其真正在隧道照明中普及，尚有許多照明技術(shù)方面的問題亟待解決。

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