許景峰，何 滎，翁 季

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)多山國(guó)家，地勢(shì)西高東低，地形地貌差別大。自20 世紀(jì)90年v代后期以來(lái)，高速公路建設(shè)在國(guó)家政策的支持下得到了快速發(fā)展，截至2014年v底，高速公路通車(chē)?yán)锍桃殉^(guò)11 萬(wàn)公里。高速公路網(wǎng)建設(shè)初期，主要是從經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且修建難度比較小的地區(qū)開(kāi)始，隨著國(guó)家主干道計(jì)劃的逐步實(shí)施，建設(shè)重點(diǎn)向經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、地形復(fù)雜的西部地區(qū)轉(zhuǎn)移。其中，公路隧道憑借其縮短里程、減少征地、提高運(yùn)輸效率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在山區(qū)公路建設(shè)中得到廣泛采用。截至2013年v底，全國(guó)公路隧道有11 359 處、9 605.6 km，已成為世界上公路隧道最多、發(fā)展最快的國(guó)家。隨著西部大開(kāi)發(fā)的持續(xù)，特別是2013年v最新出臺(tái)的《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013—2030年v)》在西部地區(qū)又增加了2 條縱向高速公路，將原“7918 網(wǎng)”升級(jí)為“71118 網(wǎng)”。公路隧道項(xiàng)目日益增多，長(zhǎng)、大隧道數(shù)量將繼續(xù)攀升。但隨之而來(lái)的是隧道照明用電量的大幅提高，僅以重慶為例，初步統(tǒng)計(jì)2010年v以來(lái)每年用于隧道照明的電費(fèi)就已超過(guò)2.5 億元。高昂的運(yùn)營(yíng)成本，已使不少隧道出現(xiàn)了“建得起養(yǎng)不起”的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。因此，迫切希望有新的照明技術(shù)和方法，在滿足行車(chē)舒適、安全的條件下能節(jié)約隧道照明用電量。

隨著人們對(duì)天然光的日益重視和照明技術(shù)的發(fā)展，光導(dǎo)照明技術(shù)也日趨成熟，特別是以天然光為光源的光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)，在節(jié)能環(huán)保方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，并涌現(xiàn)出許多具有推廣性的產(chǎn)品。如果能把光導(dǎo)采光技術(shù)合理地應(yīng)用到隧道照明中，則會(huì)有利于隧道照明的節(jié)能及照明設(shè)施后期維護(hù)成本。

1 隧道照明的特點(diǎn)

隧道是一個(gè)半封閉空間，需要24 小時(shí)不間斷照明，且白天照明要比夜間照明更為復(fù)雜，所以隧道照明常被分為幾個(gè)不同的照明區(qū)段:入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段(圖1)。

圖1 隧道各照明區(qū)段的劃分

其中，入口段、過(guò)渡段和出口段中的加強(qiáng)照明是為了解決駕駛員白天駛?cè)?、駛出隧道時(shí)適應(yīng)洞內(nèi)外亮度反差而采取的照明措施，是隧道行車(chē)安全的重要保障。研究表明，中長(zhǎng)隧道的加強(qiáng)照明用電量約占整個(gè)隧道照明用電量的50%以上，長(zhǎng)度越短，其加強(qiáng)照明所占的比例越大。因此，在保證行車(chē)安全的前提下，有效控制隧道加強(qiáng)照明能耗是減少隧道照明運(yùn)營(yíng)成本的關(guān)鍵。

隧道加強(qiáng)照明具有兩個(gè)顯著的特點(diǎn):(1)與隧道外亮度緊密相關(guān)，隧道外亮度越高，其加強(qiáng)照明所需提供的路面亮度越大;(2)與離隧道洞口的距離相關(guān)，離隧道洞口越近加強(qiáng)照明需求越大。

2 光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)的特點(diǎn)

光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)有多種類型，根據(jù)導(dǎo)光方式不同，光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)有透鏡光導(dǎo)、反射光導(dǎo)、棱鏡導(dǎo)光管和光導(dǎo)纖維幾種類型。不同類型的照明系統(tǒng)具有不同的光導(dǎo)技術(shù)特點(diǎn)、工作條件、光學(xué)特性、采光效率和經(jīng)濟(jì)效益。

光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)雖然在天然光的利用方面具有很大優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際照明工程應(yīng)用中仍存在兩個(gè)主要的技術(shù)瓶頸:(1)穩(wěn)定性弱。照明系統(tǒng)提供的光通量與外部光環(huán)境成正相關(guān)，易受外部光環(huán)境的影響。(2)遠(yuǎn)距離傳輸效率低。隨著光傳輸距離的增加，光傳輸?shù)男蕰?huì)顯著降低，即使采用造價(jià)高昂的、光衰減率小的石英光纖或多層覆膜非金屬導(dǎo)光管，在1 000 m后其傳輸效率也會(huì)降低到10%以下。

然而，上述的這兩個(gè)技術(shù)瓶頸正好與隧道加強(qiáng)照明的兩個(gè)特點(diǎn)相匹配，即:隧道洞外亮度越高，光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)可提供的加強(qiáng)照明越多;離隧道洞口越近，照明系統(tǒng)的傳輸效率越高，且傳輸距離通常也不超過(guò)300 m。從理論上說(shuō)，光導(dǎo)采光技術(shù)應(yīng)用于隧道加強(qiáng)照明是可行的，并在隧道照明節(jié)能方面具有很大潛力。

3 公路隧道照明的研究現(xiàn)狀

國(guó)外的公路隧道照明研究開(kāi)始較早，在20 世紀(jì)60年v代，日本和歐洲的學(xué)者就開(kāi)展了隧道照明的實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)際照明委員會(huì)CIE 綜合各國(guó)的研究成果，于1973年v出版了《隧道照明國(guó)際建議》，對(duì)公路隧道照明進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定和建議，此后分別在1984年v、1990年、2004年v和2010年v對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)充和修訂。此外，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家對(duì)隧道照明也開(kāi)展了深入研究，結(jié)合各國(guó)國(guó)情制定了相應(yīng)的隧道照明標(biāo)準(zhǔn)。

與國(guó)外相比，我國(guó)隧道照明研究起步較晚，20 世紀(jì)80年v代初開(kāi)始進(jìn)行公路隧道照明理論的引入和技術(shù)研究。從1990年vJTJ 026—90《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》頒布實(shí)施開(kāi)始，隧道照明設(shè)計(jì)才有了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨后我國(guó)的隧道照明技術(shù)研究正式進(jìn)入發(fā)展階段，在已有研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外公路隧道研究成果，于2000年v頒布了JTJ 026.1—1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》。此后，隨著國(guó)家高速公路網(wǎng)的建設(shè)，公路隧道照明也進(jìn)入應(yīng)用實(shí)踐的階段，在照明設(shè)計(jì)參數(shù)、照明節(jié)能技術(shù)、照明光源等方面的研究都有了長(zhǎng)足發(fā)展。并于2014年v修訂頒布了JTG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范:交通工程與附屬設(shè)施》和JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》。雖然與國(guó)外研究相比，我國(guó)在隧道照明理論方面還存在差距，但隨著近些年我國(guó)學(xué)者的深入研究和實(shí)踐總結(jié)，其差距已經(jīng)不斷縮小。

4 光導(dǎo)采光技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

在光導(dǎo)采光技術(shù)方面，雖然1880年v俄國(guó)契卡洛夫(Chikolev)首次提出并實(shí)現(xiàn)了光導(dǎo)管照明原理，但因材料和工藝水平的限制，直到20 世紀(jì)60年v代光導(dǎo)照明技術(shù)才有比較迅猛的發(fā)展。國(guó)外在光導(dǎo)采光技術(shù)方面的研究較早，1965年v在蘇聯(lián)研制出第一個(gè)大尺寸的“有縫光導(dǎo)管”。此后，美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)開(kāi)始在光導(dǎo)采光技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究:1970年v美國(guó)研制出第一根低損耗石英光纖，同時(shí)開(kāi)始了側(cè)面發(fā)光聚合物光纖的研究;1978年v加拿大學(xué)者開(kāi)發(fā)棱鏡光導(dǎo)管并于1989年v由美國(guó)3M 公司推向市場(chǎng);1979年v日本La Foret 公司推出了“Himawari”采光光纖照明系統(tǒng)。1994年vCIE 成立了空心導(dǎo)光管技術(shù)委員會(huì)，分別于2005年v、2006年v出版了《空心光導(dǎo)管技術(shù)及應(yīng)用》和《管狀天然光光導(dǎo)系統(tǒng)》。目前有3M、索樂(lè)圖(Solatube)、百浪斯(Parans)、蒙諾加特(Monodraught)等公司從事光導(dǎo)采光照明系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)和銷(xiāo)售。

國(guó)內(nèi)從20 世紀(jì)70年v代后期開(kāi)始進(jìn)行小規(guī)模實(shí)驗(yàn)性光纖照明的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。90年v代起沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院、蘇州大學(xué)、南京玻璃纖維設(shè)計(jì)研究院等科研院校開(kāi)始進(jìn)行采光光纖照明系統(tǒng)和裝置的研究。隨著對(duì)新能源新技術(shù)的日益重視，21 世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)興起了對(duì)光導(dǎo)采光技術(shù)和產(chǎn)品的引入、研發(fā)和推廣熱潮，并涌現(xiàn)出如北京東方風(fēng)光、蘇州中節(jié)能索樂(lè)圖、南京帥瑞等一批新興企業(yè)。雖然目前在高反射率薄膜、低損耗光纖的生產(chǎn)工藝和采光耦合等技術(shù)上與國(guó)外仍有一定差距，但在光導(dǎo)采光技術(shù)的應(yīng)用方面得到了廣泛關(guān)注和大力推廣。在最新修訂的GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，新增了《采光節(jié)能》一章，并對(duì)導(dǎo)光管材料和系統(tǒng)的光學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了明確規(guī)定，為光導(dǎo)采光技術(shù)在建筑中的合理應(yīng)用提供了規(guī)范引導(dǎo)。

同時(shí)，在城市隧道照明方面，光導(dǎo)采光技術(shù)也得到了積極的推廣，如無(wú)錫太湖大道隧道、南寧鳳嶺南隧道、上海長(zhǎng)江路越江隧道等都采用了導(dǎo)光管采光照明系統(tǒng)，并進(jìn)行了較深入的照度計(jì)算模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究和經(jīng)濟(jì)效益分析，驗(yàn)證了光導(dǎo)采光技術(shù)應(yīng)用于城市隧道照明的可行性。但對(duì)山體公路隧道的光導(dǎo)采光技術(shù)應(yīng)用研究國(guó)內(nèi)外鮮有較成熟的應(yīng)用案例。日本新東名高速公路隧道和安徽績(jī)黃高速玉臺(tái)隧道雖然在加強(qiáng)照明段應(yīng)用了采光光纖照明系統(tǒng)，但實(shí)際運(yùn)營(yíng)效果并不理想。由于缺乏山體隧道光導(dǎo)照明系統(tǒng)實(shí)際性能指標(biāo)和運(yùn)營(yíng)情況下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，目前設(shè)計(jì)人員和廠家處于試探性應(yīng)用和嘗試階段。

5 小 結(jié)

在全球“低碳經(jīng)濟(jì)”和國(guó)家“節(jié)能減排”的戰(zhàn)略導(dǎo)向下，公路隧道照明的發(fā)展趨勢(shì)必將是兼具環(huán)保節(jié)能和安全舒適的“綠色照明”。目前已有學(xué)者提出了公路隧道低碳照明技術(shù)的設(shè)計(jì)理念和措施，并積極開(kāi)展隧道光導(dǎo)采光技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作。隨著自動(dòng)控制、光導(dǎo)材料等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，以光導(dǎo)采光技術(shù)為代表的新型隧道照明系統(tǒng)將在公路隧道中逐漸推廣應(yīng)用。

在公路隧道低碳照明技術(shù)研究的起步階段，對(duì)隧道加強(qiáng)照明中光導(dǎo)采光技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)性研究具有一定的理論意義，為隧道光導(dǎo)照明系統(tǒng)的研制提供了理論依據(jù)，為推動(dòng)隧道照明結(jié)構(gòu)性節(jié)能、跨越式發(fā)展，實(shí)現(xiàn)隧道綠色低碳照明提供了新的途徑，對(duì)促進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用和推廣具有重要意義。

［1］中華人民共和國(guó)交通部.JTG/T D70/2-01-2014 公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則［S］

［2］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50033-2013 建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］

［3］CIE Technical Report.189—2010.Calculation of Tunnel Lighting Quality Criteria［S］.2010

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

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

［6］王愛(ài)英.光導(dǎo)管照明系統(tǒng)概論［C］∥首屆光導(dǎo)纖維及光導(dǎo)管在照明領(lǐng)域應(yīng)用科技研討會(huì)，北京，2000

［7］許景峰，胡英奎，尹軼華.光導(dǎo)照明系統(tǒng)在景觀照明中的應(yīng)用［J］.新建筑，2014(2):135～138

［8］許景峰，胡英奎，何滎.國(guó)內(nèi)外公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)中亮度水平對(duì)比研究［J］，照明工程學(xué)報(bào)，2010(5):26～32