采光光纤系统在隧道照明中应用的可行性分析

2015-11-18许景峰宗德新尹轶华

灯与照明 2015年2期

许景峰，吴静，宗德新，尹轶华

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

1 采光光纤照明在隧道照明中应用的意义

随着我国经济建设的发展以及西部大开发“十二五”规划对基础设施建设投资力度的进一步加大，西部地区公路建设尤其是高速公路建设将得到更迅猛的发展。其中，公路隧道由于具有减少征地、缩短里程、节约时间、保护生态环境等优点，在西部山区公路建设中得到广泛采用。随着高速公路隧道数量的日趋增多，隧道照明作为隧道工程一个重要组成部分，其照明运营电费也不断增高。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显得尤为重要。

值得高兴的是，随着照明技术的不断发展，一种新兴的照明方式——光纤照明，已经成为现代照明技术的一个重要组成部分。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，且没有电力安全隐患、光源热作用和电磁干扰等不利影响，因此是一种新型的、环保的、无能耗的照明系统。

如果将采光光纤照明系统应用于隧道照明，则可大大节约隧道照明用电以及照明设施后期维护成本，在隧道的安全、节能、环保等方面具有很大优势，既可为隧道照明设计提供新的思路和方法，又可进一步拓展采光光纤照明系统的应用范围。

2 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v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v代后期开始进行小规模实验性光纤照明开发应用。

与此同时，由于20 世纪70年v代的能源危机，能源和环境问题引起全球关注，自1983年v以来，国际照明委员会先后召开了四次国际建筑采光学术会议。采光光纤照明系统作为太阳光利用的方法之一引起了人们的关注，通过国内外科研工作者的不断努力，太阳自动跟踪、高效聚光采集、低损耗传输光纤等一系列关键技术日趋成熟，采光光纤照明系统不仅在装饰照明中大量采用，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。

采光光纤照明系统虽然正处于推广阶段，但作为一种新型的、无能耗的照明系统具有巨大的潜力和商机，目前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。如日本的“Himawari”系统、瑞典“Parans”系统、南京“明牌”阳光导入器等，如图2 所示。

图1 采光光纤照明系统应用于各场所的工程案例

图2 国内外采光光纤照明系统

虽然采光光纤照明系统近些年得到了蓬勃发展，在许多场所的功能照明中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，隧道这种较大面积和较高亮度的照明其投资巨大。

随着全球能源危机的扩大及我国节能减排政策的推广，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，必将会成为现代照明的一个重要组成部分。该系统是否适合在隧道照明中应用以及如何应用是照明研究人员目前亟待解决的课题。

3 采光光纤照明系统概述

3.1 采光光纤照明系统的组成

采光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“尾灯”)三个主要部分组成，如图3 所示。

图3 采光光纤照明系统组成示意图

3.2 采光光纤照明系统的类型

随着新技术、新材料的不断发展，采光光纤照明系统的传输效率不断提高，出现了多种不同类型的照明系统。

(1)根据光导入装置的聚光方式分为透镜折射聚光方式、曲面镜或凹面镜反射聚光方式。

(2)根据光导入装置的运行方式分为被动式光导入装置、主动式光导入装置。

(3)根据光纤的材料分为石英光纤、聚合物光纤，也称塑料光纤、多组分玻璃光纤。

(4)根据光输出装置的发光方式分为端部发光光纤、侧面发光光纤。

3.3 采光光纤照明系统的特点

采光光纤照明系统作为一种新型的照明系统，具有传统照明系统无法比拟的优势，即节能环保、便于维护、布置灵活、安全健康等。

但目前在照明实际工程中仍存在一些应用瓶颈。

(1)造价高。目前一套具有太阳跟踪装置的国产石英光纤照明系统，价格约5 万元左右。虽然该系统可节约照明用电，但高昂的一次性投入及产品性价比是影响采光光纤照明系统普及的重要原因。

(2)远距离衰减大。采光光纤照明系统中光的传输是通过光纤进行的，虽然石英光纤具有很高的光传输效率，但在1 000 m 后也会降低到10%以下。故采光光纤照明系统在远距离传输上技术尚未成熟。

正是由于上述两方面缺陷，目前采光光纤照明系统仅在传输距离不长、照明面积不大的场所得到较好应用推广，而在长距离、大面积的场所照明中尚未有成熟的应用。

4 隧道采光光纤照明系统应用的可行性分析

4.1 采光光纤照明系统的光学性能

采光光纤照明系统的光学性能主要包括阳光导入装置的集光度、光纤的传输率及光纤“尾灯”的灯具效率和配光性能等方面。目前日本的“Himawari”采光光纤照明系统在国内应用较多，性能较好。

图4 日本“Himawari”采光光纤照明系统的各种光纤“尾灯”

该系统聚光器的主要部件有菲涅耳透镜和太阳跟踪装置。聚光器按其透镜的数量分为6 镜、12 镜、36 镜、90 镜、198 镜等型号，其中每6 镜太阳采光系统可输出1 束传光束。图3(a)为清华大学节能示范楼所采用的12 镜聚光器。

该系统采用的光纤为塑料皮层石英光纤(PCS)，直径为1.0 mm，光纤出射角达58°，6 根光纤集束为直径约8 mm 的传光束。这种光纤的传输效率高，光损耗理论上只有0.01 dB/m。根据厂家提供的数据，在太阳光直接照度为98 000 lx 条件下，15 m 长传光束输出的光通量为1 920 lm。

该系统的光纤“尾灯”种类也很多，根据不同的场所功能有不同形式的灯具造型，如图4 所示。

4.2 隧道照明的平均照度计算方法

根据《公路隧道通风照明设计规范》、《照明设计手册》及日本的《照明手册》等资料，隧道路面的平均照度以利用系数法进行估算，其路面平均照度Eav计算公式为

其中:η——利用系数，估算值暂取0.5;

Φ——灯具光通量;

M——灯具维护系数，估算值暂取0.7;

N——灯具布置系数，估算值暂取1;

Kp——反射增量系数，估算值暂取1.2(《公路隧道通风照明设计规范》中尚未考虑);

W——路面宽度;

S——灯具间距。

上述各系数的取值是根据相关资料初步选定的，精确的取值需要通过深入的理论推导计算及实验数据分析来进行确定。上述公式以利用系数法进行平均照度计算，但采用光强表的数值计算法可获得更精确、细致的照度和照度均匀度计算结果。

4.3 隧道采光光纤照明系统的光纤束数量估算

根据《公路隧道通风照明设计规范》路面亮度可以根据平均亮度与平均照度的换算关系进行估算，即沥青路面亮度与照度的转换关系为15～22 lx/(cd/m2)，混凝土路面为10～13 lx/(cd/m2)。如需要精确的亮度计算则采用光强和简化亮度系数的数值计算方法。

根据规范要求，对于交通量大、80 km/h 车速条件下中间段路面亮度要求为4.5 cd/m2。估算时暂取沥青路面为 20 lx/(cd/m2);混凝土路面为13 lx/(cd/m2)。可以得出沥青路面所需平均照度需要90 lx;混凝土路面为58.5 lx。

假设隧道路面宽度为7 m，灯具的间距为4 m，每个灯具所应提供的光通量Φ 为

即沥青路面需要光通量Φ=6 000 lm;混凝土路面需要光通量Φ=3 900 lm。

如采用上述日本的“Himawari”采光光纤照明系统，在未考虑增加传输长度引起的光损耗前提下，每个灯具所需要光纤束数量为:沥青路面需要6 000/1 920=3.125 束，取4 束;混凝土路面则需要3 900/1 920≈2 束。每束对应的是6 根1 mm 光纤，聚光器上的6 个菲涅耳透镜。

对隧道的其他照明段，采光照明系统的要求则与路面亮度成正比。如出口段路面亮度通常取值为中间段路面亮度的5 倍，则每个灯具所需要的光纤束数量增加5 倍，即10～20 束。

4.4 隧道采光光纤照明系统应用的可行性分析

通过上述估算结果及采光光纤照明系统的特点分析，采光光纤照明系统在隧道照明中的应用具有一定可行性，且应根据不同照明段的特点选择合理的采光光纤照明技术。

4.4.1 隧道中间段照明不宜采用采光光纤系统

对隧道照明要求较低的中间段，间距4 m 的每个灯具虽然仅需要2～4 束光纤。但中间段通常离隧道洞口200 m 左右，其传输距离远，尽管采用石英光纤，但光损耗仍较大，会有约50%的衰减。因此，并不建议在中间段采用该系统进行照明。

4.4.2 高效、大型光导入装置在入口段和出口段照明的应用

隧道入口段和出口段的位置紧邻隧道洞口，具有利用天然光的先天优势。采光光纤照明系统既可以节约照明能耗，又符合入口段路面亮度随洞外亮度变化而变化的规律。但这两个照明段的照明要求较高，特别是入口段的路面亮度是隧道照明中最高的，其路面亮度约为中间段的20 倍。因此，要想满足入口段路面亮度的要求则需采用高效、大型的光导入装置，如90 镜、198 镜等型号。

4.4.3 结合采光光纤照明系统的隧道照明设计新思路

如前所述，隧道入口段照明要求很高，如完全采用采光光纤照明系统则前期投入高，故可采用在隧道洞口前几十米处建造遮光构架的方式，将入口段延伸至隧道洞口之前。这样处理后入口段的路面亮度可以由天然光来满足，从隧道洞口开始则直接是隧道的过渡段，过渡段起始的路面亮度只有入口段的40%，故可大大节约采光光纤照明系统设备的数量，同时，入口段上部的构架还为光导入装置的安装提供了有利条件。因此，隧道洞口前遮光构架的处理为隧道照明及采光光纤照明系统的应用提供了条件，是隧道照明设计的一种新思路。