基于采光光纤照明系统的隧道照明设计理论研究思路

许景峰，翁 季，胡英奎

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045;2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045）

0 引言

随着我国道路交通事业的迅猛发展，特别是国家7918公路网的建设，公路隧道增长速度越来越快，建设规模越来越大。截至2008年底，我国已建成公路隧道5000多座、3000多公里。但是，随着公路隧道数量的日趋增多，其隧道照明用电量也大幅增加。因此，如何在满足隧道行车安全及舒适的照明环境下节约照明用电已显得尤为重要。

光纤照明是一种新兴的照明方式，它是利用光在玻璃或塑料制成的纤维中全反射的原理来进行光的传输和照明。光纤照明系统主要由光导入装置(聚光器）、光传输装置(光纤）和光输出装置(光纤灯）三个主要部分组成。其中，采光光纤照明系统以天然光为光源，利用日光聚光器或集光装置将天然光导入光纤中，并通过光纤传输到所需要照明的场所。由于该系统所采用的光源是清洁能源，且不易产生电力隐患、光源热作用和电磁干扰等不利影响，故是一种安全、环保、无能耗的照明系统。

因此，进行基于采光光纤照明系统的隧道照明设计理论研究，将采光光纤照明系统应用于隧道照明，则可以大大节约隧道照明用电以及照明设施后期维护成本，既能为隧道照明设计提供新的思路和方法，又能进一步拓展采光光纤照明系统的应用范围。

1 国内外采光光纤照明系统的发展状况

光纤照明具有安全健康、设计灵活、便于维护、适用性强等优点，自20世纪60年代以来就受到国内外学者的重视，各国先后投入了大量的资金用于这方面的研发。我国也在20世纪70年代后期开始小规模的实验性光纤照明开发应用。

目前，光纤照明技术已经日趋成熟，采光光纤照明系统作为一种新型照明系统正处于推广阶段，国内外已有不少公司及厂家从事采光光纤照明系统产品的设计和生产，该系统不仅在装饰照明中大量应用，而且在博物馆、医院、住宅、办公楼和地下通道等场所的功能照明上得到实际应用，如图1所示。

图1 采光光纤照明系统应用于各场所的工程案例

虽然采光光纤照明系统近些年得到了蓬勃的发展，在许多场所已经得到了实际应用，但鲜有在隧道照明中的实际案例，采光光纤照明系统在隧道照明中的应用研究尚处在起步阶段。其主要原因有两方面:1）隧道照明有别于普通的功能照明，不能照搬其他功能照明的方式;2）目前采光光纤照明系统的造价高昂，对于隧道这种较大面积及较高亮度要求的照明其投资巨大。

2 国内外隧道照明研究的发展状况

早在上个世纪60年代，就已经有多个国家的学者从事隧道照明方面的基础实验研究工作，经过多年的研究和实践，隧道照明设计理论取得了很大的发展。各国也在不同时期制定了相关的公路隧道照明设计标准。如我国目前采用的是1999年修订的《公路隧道通风照明设计规范》JTJ 026.1－1999和2004年修订的《公路隧道设计规范》JTG D70－2004，国际照明委员会采用的是2004年修订的《公路隧道和地下通道照明指南》CIE 88－2004，美国采用的是2005年修订的《美国隧道照明国家标准》ANSI/IESNA RP－22－05。尽管目前隧道照明设计在某些方面仍有需要完善的地方，但国内外已有不少学者正在进行后续研究，如重庆大学于2009年及2010年申请获得的两项隧道照明方面的国家自然科学基金项目。

因此，目前隧道照明基础理论及基于传统照明系统(如高压钠灯、金卤灯等）的隧道照明设计研究已经有了相对成熟的体系，并在不断地完善。但对于采光光纤这一新型的照明系统，目前国内外只有少量的科研院校开始对该系统的隧道照明设计理论有所考虑，故尚无系统性的研究。

3 隧道采光光纤照明系统理论研究思路

随着全球的能源危机及国家对节能减排政策的大力支撑，采光光纤照明系统凭借其太阳光的利用、节约照明用电及安全健康等优点，已经成为现代照明的一个重要组成部分，并也将会成为一种新的隧道照明方式。因为该照明系统随外界天然光变化而变化的特点比较符合隧道入口段、过渡段路面亮度水平随洞外亮度变化而调整的规律。

随着这一新的照明系统及照明技术的成熟和普及，隧道照明设计也会相应产生新的设计理论及方法与之配套。结合采光光纤照明系统的特点进行隧道照明理论的系统性研究，会是今后隧道照明设计研究的一项重要课题。它对探索隧道照明节能新途径，拓展采光光纤照明系统应用，促进公路隧道及隧道照明事业的可持续发展具有重要的理论和实际意义。

由于采光光纤照明系统与传统的照明系统在光学性能上有很大的不同，且隧道照明与普通建筑场所的功能照明也有很大的区别，因此，光纤照明系统不能照搬传统照明系统在隧道照明中的设计方法，也不能将普通建筑场所的采光光纤照明系统直接应用于隧道照明上。而需要结合光纤照明系统的特点及隧道各照明段路面亮度的需求，研究新的隧道照明设计理论及方法。笔者通过对已有研究成果的总结及分析，提出了隧道采光光纤照明系统设计理论的研究思路(图2所示）。

1）进一步收集国内外关于采光光纤照明系统、隧道照明设计基础理论等相关的技术资料，进一步确认采光光纤照明系统在隧道照明中应用的可行性，为隧道采光光纤照明系统的研究提供理论依据。

2）收集采光光纤照明系统光学性能的测试方法的相关资料，对该系统各主要组成部分的光学性能进行相关的实验室测试，为深入研究采光光纤照明系统的照明特点提供基础数据。

3）在最新隧道照明基础理论的研究成果基础上，进一步总结和确定隧道洞外亮度、隧道各照明段亮度与隧道洞外光环境之间的关联性。

4）根据采光光纤照明系统的光学性能测试结果，并结合隧道洞外亮度、隧道各照明段亮度与隧道洞外光环境之间关联性的研究成果;确定出采光光纤照明系统所提供亮度、隧道洞外亮度及隧道各照明段所需亮度三者之间的函数关系。

5）通过上述三者函数关系的确定，结合采光光纤照明系统的照明特点，并参考隧道照明基础理论建立出新的隧道照明设计理论模型，提出适合于采光光纤照明系统的隧道照明设计理论和方法。

6）为了验证新的隧道照明设计理论和方法的准确性，需要在实验室对该系统设计进行隧道缩微模型及1:1模拟隧道模型的实验研究。

7）将模型实验测试或模拟测试获得的实验数据与理论模型计算的数据进行对比分析，并根据实测结果进一步修正和完善理论模型，最终提出基于采光光纤照明系统的隧道照明设计理论和方法。

图2 基于采光光纤照明系统的隧道设计理论研究思路示意图

4 小结

采光光纤照明系统作为一种新型的、无能耗的照明系统，在提高隧道照明质量、节约照明用电等方面具有传统照明无法比拟的优势，具有很好的应用前景。如要将该系统更加科学、合理地应用于隧道照明，则需要结合采光光纤照明系统的特点，进行新的隧道设计理论研究。

如前所述，目前国内外在采光光纤照明系统的隧道照明设计方面尚无成熟的、系统的理论研究，要想真正将其在隧道照明中普及，尚有许多照明技术问题亟待研究。故笔者抛砖引玉，提出该系统隧道照明设计理论的研究思路，希望引起相关学者和同行的重视和探讨，并欢迎对不足之处给与批评和指正。

［1］陈仲林，王爱英.光导采光系统应用展望［A］.首届光导纤维及光导管在照明领域应用科技研讨会专题报告文集［C］.2000年首届光导纤维及光导管在照明领域应用科技研讨会专题报告文集:129～133

［2］江源.光纤照明发展史［J］.光源与照明，2009(3）:46～48

［3］许景峰，宗德新，胡英奎.天然光光纤照明系统在隧道照明中的应用［J］.照明工程学报，2012，23(1）:30～35

［4］许景峰，胡英奎，何荥.国内外公路隧道照明标准中亮度水平对比研究［J］.照明工程学报，2010(5）:26～32