发光涂料铺设范围对公路隧道照明影响研究

郭 春 柳玉良 王明年

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031;2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

1 引言

二十一世纪，全球能源危机已成为世界各国发展面临的一大问题，引起了普遍重视。我国第十一个五年规划明确提出要把节约资源作为基本国策，《纲要 (草案)》提出了“十一五”期间单位国内生产总值能源消耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%等目标。国家发改委发布的《节能中、长期专项规划》则明确提出将交通运输以及绿色照明工程作为节能的重点之一。

公路隧道具有缩短公路里程、提高运输效益、节省用地、利用地下空间和保持生态环境等优点。然而，便捷的交通无一例外地依赖于强大的能源供应，尤其是电力的供给。隧道照明费用已成为公路隧道运营中的一笔沉重负担，特别是隧道通车初期，长大公路隧道照明运营负荷在隧道机电系统能耗中占40%以上，其庞大的运营费用已成为公路隧道运营中的一笔沉重负担。目前，我国部分高速公路管理单位为了降低能耗，减少费用，甚至不合理开启隧道照明系统，隐现安全风险［1～2］。

公路隧道照明的“安全、节能”是公路工程建设追求的目标，解决隧道照明系统安全性与节能性之间的矛盾，是照明工程师和交通安全工程师的共同目标。由此带来了对隧道发光节能涂料的一系列研究。

目前，隧道用发光涂料是将发光颜料、有机树脂或乳液、有机溶剂或水、无机颜、填料、助剂等按一定的比例通过特殊的加工工艺制成的。其有效激发光谱在200～450nm之间，然而人眼所能感受的可见辐射部分，波长在380～780nm之间。因此，发光节能涂料可以有效的将人眼无法识别的光波转换为可识别光波，并反射，激发司辰视觉。实验表明，发光涂料与照明光源高压钠灯、金属卤化物灯、无极荧光灯、节能灯、LED灯组合照明均可增加亮度，发光节能涂料对自然光的增亮效果更为明显，这种增亮效果符合公路隧道的照明特点［3～8］。

2 发光节能涂料仿真计算模型建立

为了研究隧道侧壁涂设发光节能涂料对照明水平的影响，需选择不同反射比的内装材料，并将其余的照明环境参数 (如灯具类型、配光曲线、光通量大小、灯具布置方式、隧道几何尺寸等)完全固定。由于计算工况的复杂，在现有的条件下作实验观测存在一定难度。因此，本文通过使用Dialux软件进行计算机仿真模拟的方法，以路面平均亮度作为关键评价指标，分析发光涂料铺设范围对隧道照明质量的影响，采用基本照度计算公式:

取隧道总长为3000m，设计时速为60km h，分为入口段、过渡段、中间段和出口段。以中间段为例分析侧壁反射光对隧道照明的影响。中间段不受自然光的影响，考虑到中间段上各个位置的照明设计相同，取其中的200m长度建立分析模型。隧道宽10.4m，高7.2m，具体断面尺寸如图1所示。

图1 隧道断面尺寸图 (单位m)Fig.1 Tunnel section size chart(in m)

灯具布置采用双排对称布灯方式，布灯间距为2.5m，布设高度为5.6m;灯具类型为隧道内常用的LED和高压钠灯，考虑到实际环境和光衰减的影响，灯具维护系数取0.65。

对于路面材料，沥青路面的反射比低于水泥混凝土路面，取0.15。对于墙面材料，一般隧道使用反光瓷砖，其反射比为0.58，如果使用发光节能涂料，根据要求，最低反射比为0.85。初始计算工况选择模拟隧道内衬完成后表面涂刷的深色防火涂料，即取初始反射比为0.10。对于顶棚材料，由于直接照明或半直接照明的灯具分配到顶棚上的光通量很小，反射作用不太明显。此外，顶棚是隧道内污染最严重的区域，即使设置高反射比内装材料后也会由于污染和难以清洁等原因使其反射比下降很快最后变成反射比很低的表面，因此大部分隧道都直接采用深色防火涂料涂刷顶棚，计算模型中顶棚材料反射比取0.10。

模拟计算中得到的路面平均照度或亮度是针对模型的自定义工作面而言，即模型中整个路面区域，这与规范中按照两灯之间和灯具影响范围划分的计算区域存在差异。此外，软件计算过程中会自动划分计算网格。网格划分得过粗，计算结果会存在较大误差;网格划分得太细，照度和亮度的计算结果会相对准确，但均匀度会出现一定程度上的失真。由于计算机会自动选择检修道边缘或者其他光线照射不到、且实际中根本不需要考虑的点，因此在计算过程中经常会产生相邻两个计算区域均匀度发生突变的情况。因此分析过程中，根据GB T 5700—2008《照明测量方法》按照四角布点法或中心布点法，在计算模型中将计算区域的路面划分为若干个矩形网格，计算结果更接近于真实。计算模型效果如图2与图3所示。

图2 计算模型3D效果图aFig.2 The 3d rendering of calculation model(a)

图3 计算模型3D效果图bFig.3 The 3d rendering of calculation model(b)

3 发光涂料最优铺设范围研究

由于CIE建议中包括2m隧道壁高度的情况，因此，本次研究共包括未铺设、铺设至两侧2m以及以两侧3m高为基准向上铺设的6种情况 (将隧道顶部采用极坐标10等分，左右对称6种工况)，共计8种工况。

采用实际能效值对其节能情况进行反应，即在单位面积内，同样布灯高度，同样布灯距离等条件下，反映所消耗的电能与获得地面平均照度关系的数值，被称之为实际效能值，单位:W m2100lx。

3.1 未铺设情况 (图4)

图4 未铺设时路面照度Fig.4 The road illumination without laying

在前述相同光通量条件下，当对隧道内表面未铺设发光节能涂料时，平均照度为143lx，实际能效值为4.36W m2100lx，最小照度与平均照度比值为0.575，换算成亮度值，则平均亮度为8.7cd m2。

3.2 铺设至两侧2m高度 (图5)

图5 铺设2m高度时路面照度Fig.5 The road illumination in laying range of 2 meters height

在前述相同光通量条件下，当对隧道内表面两侧2m高度以下涂设具有85%反射比的发光节能涂料时，路面平均照度为155lx，实际能效值为3.92W m2100lx，最小照度与平均照度比值为0.647，换算成亮度值，则平均亮度为9.1cd m2。

3.3 铺设至两侧3m高度 (图6)

图6 铺设3m高度时路面照度Fig.6 The road illumination in laying range of 3 meters height

在前述相同光通量条件下，当对隧道内表面两侧3m高度以下涂设具有85%反射比的发光节能涂料时，路面平均照度为161lx，实际能效值为3.86W m2100lx，最小照度与平均照度比值为0.651，换算成亮度值，则平均亮度为9.8cd m2。

3.4 铺设至两侧4.54m高度 (图7)

图7 铺设4.54m高度时路面照度Fig.7 The road illumination in laying range of 4.54 meters height

在与之前相同光通量条件下，当对隧道内表面两侧4.54m高度以下涂设具有85%反射比的发光节能涂料时，路面平均照度为168lx，实际能效值为3.70W m2100lx，最小照度与平均照度比值为0.661，换算成亮度值，则平均亮度为10.2cd m2。

3.5 铺设至两侧5.71m高度 (图8)

图8 铺设5.71m高度时路面照度Fig.8 The road illumination in laying range of 5.71 meters height

在与之前相同光通量条件下，当对隧道内表面两侧5.71m高度以下涂设具有85%反射比的发光节能涂料时，路面平均照度为174lx，实际能效值为3.57W m2100lx，最小照度与平均照度比值为0.665，换算成亮度值，则平均亮度为10.5cd m2。

3.6 铺设至两侧6.5m高度 (图9)

图9 铺设6.5m高度时路面照度Fig.9 The road illumination in laying range of 6.5 meters height

在与之前相同光通量条件下，当对隧道内表面两侧6.5m高度以下涂设具有85%反射比的发光节能涂料时，路面平均照度为181lx，实际能效值为3.44W m2100lx，最小照度与平均照度比值为0.670，换算成亮度值，则平均亮度为11.0cd m2。

3.7 铺设至两侧7m高度 (图10)

图10 铺设7m高度时路面照度Fig.10 The road illumination in laying range of 7 meters height

在与之前相同光通量条件下，当对隧道内表面两侧7m高度以下涂设具有85%反射比的发光节能涂料时，路面平均照度为189lx，实际能效值为3.29W m2100lx，最小照度与平均照度比值为0.664，换算成亮度值，则平均亮度为11.5cd m2。

3.8 铺设至全截面范围 (图11)

在与之前相同光通量条件下，当对隧道内表面墙壁全截面范围内涂设具有85%反射比的发光节能涂料时，路面平均照度为200lx，实际能效值为3.11W m2100lx，最小照度与平均照度比值为0.665，换算成亮度值，则平均亮度为12.1cd m2。

4 数据汇总分析

通过表1、表2计算汇总可知，在该隧道模型条件下，发光节能涂料在墙壁两侧3m高度范围内铺设时的经济技术性最优。

表1 不同铺设范围时各项数据汇总Table 1 The data collection in different laying range

表2 不同铺设范围时单位长度效率比汇总Table 2 The efficiency of unit length in different laying range

5 结论及展望

通过对发光节能涂料在8种不同铺设范围下的隧道内平均亮度研究结果可知，平均亮度变化范围在8.7～12.1cd m2，能效值随着铺设范围增大而减小，在墙壁两侧3m高度范围内铺设时的性价比最高。

后续将开展针对发光涂料与不同光源组合的效果进行研究。

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