隧道入口段直接反射式太阳光照明的仿真设计

宋 彬，史玲娜

(1.陕西省交通建设集团公司，陕西 西安 710000；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司交通与节能工程院，重庆 400067)

引言

截至2017年底，全国公路隧道为16 229处[1]。由于隧道的特殊构造以及人眼的视觉效应，隧道照明不同于一般的道路照明，必须通过特殊的照明设计减轻甚至消除“黑洞效应”的影响，以确保行车安全，而与之相应的是隧道照明能耗问题日益突出。隧道入口段位于洞外亮环境与洞内暗环境的交界处，对照明的要求最高。隧道入口段也是最接近外界亮环境的路段，如果能将外界的太阳光引入隧道入口段进行照明，则既可以实现隧道照明的节能[2]，又可以实现洞内亮度与洞外亮度的自然匹配。

目前隧道采用太阳光进行直接照明的方法主要有光纤太阳光照明以及导光管照明。但是光纤太阳光照明主要存在控制精度要求高、光能耦合效率低、建设成本高等问题[3-7]；而导光管照明主要存在系统集光面积小、反射次数多导致整体效率极低、安装改变隧道结构等问题[8,9]。利用反射镜将隧道外太阳光直接反射入隧道内进行隧道照明，则是一种更为直接的隧道照明方法[10]。本文提出采用一次或几次反射的方式，直接利用太阳光实现隧道入口段路面增强照明。

1 直接反射式太阳光照明系统

直接反射式照明系统主要由单面反射镜以及阳光跟踪装置组成。由于太阳光是时刻变化的，为保证系统输出的光能达到最强，需要对反射镜进行二维控制将阳光投射入洞内进行照明。但阳光的光能过于集中，需要对其进行发散后才能用于路面照明。图 1是采用凹面反射镜对收集的太阳光直接对路面进行发散照明的方式；图 2是在隧道拱顶涂覆漫反射涂层的方式，通过平面镜将光线投射至拱顶经过其发散作用实现路面照明。对于图 1的照明方式，通过改变凹面反射镜的曲率半径以及倾斜角度实现对光能的发散，但仿真发现：当曲率半径过小时，绝大部分光能无法进入洞内用于照明；当曲率半径过大时又无法实现对光能的大面积分散作用。采用直接照射路面的方式，很容易受来往车辆的遮挡，且系统的光线从驾驶员后方直射，后视镜等可能会将光线反射至驾驶员眼中，容易引起眩光从而影响行车安全，不利于实际的应用。此外，大面积凹面反射镜造价远大于平面镜造价，因此我们决定采用平面镜照射拱顶，然后通过拱顶漫反射涂层漫反射的方式实现路面照明。

图1 采用凹面镜反射太阳光照射路面

图2 采用平面镜反射太阳光照射隧道拱顶

2 隧道照明仿真设计

《公路隧道照明设计细则》[11]要求，对处于不同地理位置、不同规格的隧道，其各区段照明要求不同，因此需要针对具体的隧道进行设计，由具体参数可计算得出入口段照明所需的有效太阳光面积。

2.1 参数设置

本次仿真针对隧道为单向双车道、长度为222 m的短隧道，其隧道截面示意图如图3所示。根据式(1)可计算出入口段第一段与第二段长度约为40 m，由于入口处靠近洞外亮环境，在太阳光的作用下，10 m内路段存在一定的光分布，本次仿真针对入口段第一段10 m至40 m进行设计。入口段的路面平均亮度与洞外亮度密切相关，且呈正比关系：入口段第一段Lth1=0.2×k×L20(S)。计算时，设计时速为80 km/h，洞外亮度为3 000 cd/m2，太阳光照度为60 000 lx，计算得到入口段第一段的路面平均亮度为21 cd/m2。

图3 隧道口端面示意图

仿真时通常以路面平均照度作为评价指标，根据规定，黑色沥青路面的平均亮度与平均照度间的换算系数取15 lx/(cd·m-2)，计算得出路面平均照度为315 lx。仿真采用反射镜反射率为0.9，考虑到反射镜在使用过程中受到污染影响，设定维护系数为0.6，拱顶反射涂层吸收率为0.2，假设投入隧道中的光能有50%用于路面照明，根据式(2)可计算出理论上照明隧道入口段所需的太阳光有效面积约为5.5 m2，即理论上一次反射系统接收反射的阳光有效面积达到5.5 m2，且全部投射进入隧道用于路面照明时即可满足照明要求。系统计算相关参数见表1。

(1)

(2)

表1 隧道相关参数

2.2 仿真设计

根据表1的计算，要实现目标段照明，进入隧道的太阳光有效面积只需要达到5.5 m2即可。系统采用平面镜的大小为1 m×1 m，图 4所示的是单套反射镜系统照明的路面效果图，可以看出经过拱顶发散后，单套系统作用时路面照度分布范围可达15 m左右， 10～40 m路面平均照度约为69 lx，而计算得出目标路面平均照度需达到315 lx，理论上只需要315÷65≈4.85套，约5套系统即可。

图4 采用单套反射镜系统的路面照明仿真效果

图5 多套反射镜系统的安装位置示意图

采用多套系统进行配合使用时，其摆放方式有很多种，唯一的约束就是系统之间旋转不受其他系统影响以及其出光不被遮挡。本次仿真采用6套相同平面镜系统的摆放方式(如图5所示)，采用6套系统的主要原因是为设计保留余量。为了保证车辆安全通行，根据《公路工程技术标准》[12]要求，高速公路的净高为5 m，所以设计6套系统安装高度均为6 m，距离洞口15 m，沿路面横向排布，实际使用时考虑搭建排架便于安装，每套反射镜镜面中心之间距离2 m，沿路面轴线对称布置，通过改变每个平面镜的方位角和俯仰角将同一方向入射的太阳光投射到拱顶不同位置，实现大范围的路面照明。

图6所示的是采用6套该系统组合照明的仿真效果图，其路面照度平均值达到445 lx，满足计算要求的315 lx。路面接收的总光通量为100 230 lm，6面反射镜接收的总光通量为2 577 74l m，计算得出系统实际的光能利用率为100 230÷257 774≈39%，理论上光能利用率应为0.9×0.8=72%，主要是因为投入隧道的太阳光并不能完全用于路面照明，部分光源投射到墙面或者路面两侧的电缆沟上。

图6 采用多套反射镜系统的路面照明仿真效果

3 直接反射式太阳光照明系统的适用性问题

直接反射式太阳光照明系统直接利用太阳光经过一次反射与一次漫射实现隧道入口段路面照明，由于系统需要长时间暴露在太阳光下才能发挥其作用，因此对隧道所处的地理环境要求隧道临近段必须有足够时间的太阳光光照。根据其反射原理，只有当太阳光位于平面镜前上方时，才能实现最大面积地反射太阳光，根据实际太阳光与地球的关系，隧道朝向为南北朝向且位于南北回归线以外时，可以保证太阳光方向始终位于平面镜前上方。

对于一般的长隧道，其在入口段的照明要求远高于短隧道的入口段要求，因此本文提出的直接反射式太阳光照明系统更适用于短隧道。对于太阳光的照度能达到100 000 lx以上、光照充足的地区，通过对洞口采用减光措施减小洞外亮度L20(S)，采用直接反射式太阳光照明系统会有一定的优势，可以进一步降低使用系统的套数，进一步减少隧道照明建设与运营成本。

4 结束语

我们针对隧道入口段的照明特点，提出了一种直接反射式太阳光照明系统，并针对具体隧道进行仿真设计与分析。与光纤导光照明以及导光管照明系统相比，该系统利用空气作为传输介质，省去系统传输装置大大降低系统成本。通过一次反射与一次漫反射的方式实现大范围的隧道入口段路面照明，解决了因光纤耦合导致光能利用率降低的问题，提高了系统的光能利用率。仿真设计结果表明，将本文提出的多套直接反射式太阳光照明系统进行配合使用，可以实现满足国家相关标准要求的隧道入口段路面照明，且多套系统的配合使用时可以提高入口段路面的光能利用率。