隧道加强照明中光导采光技术的应用现状

隧道加强照明中光导采光技术的应用现状

摘要：光导采光作为一种新兴的照明方式，在照明节能上具有很大的潜力。近些年来，光导采光技术已在许多领域有了较成熟的研究和应用，但在山体公路隧道的应用研究尚处起步阶段。本文结合隧道照明和光导采光照明系统的特点，阐述了隧道照明和光导采光技术的研究及应用现状，指出了隧道加强照明中光导采光技术应用的研究意义，为隧道光导采光技术的进一步深入研究和合理应用提供科学依据。

关键词：光导采光；隧道照明；采光技术；照明节能；应用现状

0 引言

我国是一个多山国家，地势西高东低，地形地貌差别大。自1990年代后期以来，高速公路建设在国家倾斜政策的支持下得到了快速发展，截至2014年底，其通车里程已超过11万公里。高速公路网建设初期，主要是从经济发达且修建难度比较小的地区开始建设，随着国家主干道计划的逐步实施，建设重点在向经济欠发达、地形复杂的西部地区转移。其中，公路隧道凭借其缩短里程、减少征地、提高运输效率、保护生态环境等优点，在山区公路建设中得到广泛采用。截至2013年底，全国公路隧道有11359处、9605.6km，已成为世界上公路隧道最多、发展最快的国家。随着西部大开发的持续，特别是2013年最新出台的《国家公路网规划（2013年-2030年）》在西部地区又增加了2条纵向高速公路，将原“7918网”升级为“71118网”。公路隧道项目仍会日益增多，长大隧道数量仍可能会继续攀升。但伴随而来的是隧道照明用电量的大幅提高，仅就重庆的隧道，初步统计2010年以来用于隧道照明的电费就已超过每年2.5亿元。隧道后续高昂的运营成本，已使不少隧道出现了“建得起养不起”的现实问题。因此，迫切希望有新的照明技术和方法，在满足行车舒适、安全的条件下能节约隧道照明用电量。

随着人们对天然光重视和照明技术的发展，光导照明技术也日趋成熟，特别是以天然光为光源的光导采光照明系统，凭借其在清洁能源方面的利用，在节能环保方面具有很大的优势，越来越受到人们的关注及重视，并涌现出许多具有推广性的产品。如果能将部分产品和光导采光技术合理的应用到隧道照明中，则会有利于节约隧道照明用电及照明设施后期维护成本。

1 隧道照明的特点

隧道是一个半封闭空间，由于需要24小时不间断照明，且白天照明要比夜间照明更为复杂，所以隧道照明常被分为几个不同的照明区段：入口段、过渡段、中间段和出口段，隧道照明区段构成如图1所示。

其中，入口段、过渡段和出口段中的加强照明是为了解决驾驶员白天驶入、驶出隧道时适应洞内外亮度反差而采取的照明措施，是隧道行车安全的重要保障。研究表明，中长隧道的加强照明所需用电量约占整个隧道照明用电量的50％以上；长度越短，其加强照明所占的比例还会有所增大。因此，在保证行车安全的前提下，有效控制隧道加强照明能耗是节约隧道照明运营成本的关键。

隧道加强照明具有两个显著的特点：（1）与隧道洞外亮度紧密相关，隧道洞外亮度越高，其加强照明所需提供的路面亮度越大；（2）与离隧道洞口的距离相关，离隧道洞口越近加强照明需求越大。

图1 隧道各照明区段的划分

2 光导采光照明系统的特点

光导采光照明系统有多种类型，根据导光方式的不同，光导采光照明系统有透镜光导、反射光导、棱镜导光管和光导纤维几种类型。不同类型的照明系统具有不同的光导技术特点、工作条件、光学特性、采光效率和经济效益。

光导采光照明系统虽然在天然光的利用方面具有很大优势，但目前在实际照明工程应用中仍存在两个主要的技术瓶颈：（1）稳定性弱，即照明系统提供的光通量与外部光环境成正相关，易受外部光环境的影响。（2）远距离传输效率低，即随着光传输距离的增加，光传输的效率会显著降低，即使采用造价高昂的、光衰减率小的石英光纤或多层覆膜非金属导光管，在1000m后其传输效率也会降低到10%以下。

然而，上述的这两个技术瓶颈正好与隧道加强照明的两个特点相匹配，即：隧道洞外亮度越高，光导采光照明系统可提供的加强照明越多；离隧道洞口越近，照明系统的传输效率越高，且传输距离通常也不超过300m。所以从理论上说，光导采光技术应用于隧道加强照明是可行的，并在隧道照明节能方面具有很大潜力。

3 公路隧道照明的研究现状

国外的公路隧道照明研究开始较早，早在上世纪60年代，日本和欧洲的学者就开展了隧道照明的实验研究。国际照明委员会CIE综合各国的研究成果，于1973年出版了《隧道照明国际建议》，并对公路隧道照明进行了相关规定和建议，此后分别在1984年、1990年、2004年和2010年对其进行了补充和修订了。此外，美国、英国、德国、俄罗斯等许多国家对隧道照明也开展了深入的研究，并结合本国国情制定了相应的隧道照明标准。

与国外相比，我国隧道照明研究起步较晚，上世纪80年代初开始进行公路隧道照明理论的引入和技术研究；从1990年《公路隧道设计规范》JTJ 026-90颁布实施开始，隧道照明设计才有了相应的技术标准；随后我国的隧道照明技术研究正式进入发展阶段，在已有研究成果和工程经验的基础上，借鉴国外公路隧道研究成果，于2000年颁布了《公路隧道通风照明设计规范》JTJ 026.1-1999；此后，随着国家高速公路网的建设，我国公路隧道照明也进入深入研究和应用实践的阶段，在照明设计参数、照明节能技术、照明光源等方面的研究都有了长足发展。并于2014年修订颁布了《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属

设施》JTGD70-2-2014和《公路隧道照明设计细则》JTG/T D7/02-01-2014。虽然与国外研究相比，我国在隧道照明理论方面还存在一些差距，但随着近些年我国学者的深入研究和实践总结，其差距已经不断缩小。

4 光导采光技术的研究及应用现状

在光导采光技术方面，虽然1880年俄国契卡洛夫（Chikolev）已经首次提出并实现了光导管照明原理，但因材料和工艺水平的限制，直到上世纪60年代光导照明技术才开始有比较迅猛的发展。国外在光导采光技术方面的研究较早，1965年在前苏联研制出第一个大尺寸的“有缝光导管”，此后美国、英国、日本等国的学者开始在光导采光技术方面进行了大量研究；1970年美国研制出第一根低损耗石英光纤，同时开始了侧面发光聚合物光纤的研究；1978年加拿大学者提出了棱镜光导管并于1989年由美国3M公司推向市场；1979年日本La Foret公司推出了“Himawari”采光光纤照明系统；1994年CIE成立了“空心光导管技术委员会”，分别于2005年、2006年出版了《空心光导管技术及应用》和《管状天然光光导系统》；目前有3M、索乐图（Solatube）、百浪斯（Parans）、蒙诺加特（Monodraught）等公司从事光导采光照明系统产品研发和销售。

国内是从上世纪70年代后期开始小规模实验性光纤照明的开发应用；90年代起沈阳建筑工程学院、苏州大学、南京玻璃纤维设计研究院等科研院校开始进行采光光纤照明系统和装置的研究；随着国家对新能源新技术的重视，本世纪初，国内兴起了对光导采光技术和产品的引入、研发和推广，并涌现出如北京东方风光、苏州中节能索乐图、南京帅瑞等一批新兴企业。虽然目前在高反射率薄膜、低损耗光纤的生产工艺和采光耦合等技术上与国外仍有一定差距，但在光导采光技术的应用方面得到了广泛关注和大力推广。在最新修订的《建筑采光设计标准》GB 50033-2013中，新增了“采光节能” 一章，并对导光管材料和系统的光学性能指标进行了明确的规定，为光导采光技术在建筑中的合理应用提供了规范引导。

同时，在城市隧道照明方面，光导采光技术也得到了积极的推广，如无锡太湖大道隧道、南宁凤岭南隧道、上海长江路越江隧道等都采用了导光管采光照明系统，并进行了较深入的照度计算模拟、现场实验研究和经济效益分析，以实际验证了光导采光技术应用于城市隧道照明的可行性。但对于山体公路隧道，虽然已有部分科研院校在进行隧道光导采光技术的应用研究，但国内外鲜有较成熟的应用案例。2012年日本新东名高速公路隧道和安徽绩黄高速玉台隧道虽然在加强照明段应用了采光光纤照明系统，但实际运营效果并不理想。由于缺乏对山体隧道光导照明系统实际性能指标和运营情况下的实验测试数据，致使目前设计人员和厂家处于试探性应用和尝试阶段。

5 结语

在全球“低碳经济”和国家“节能减排”的战略导向下，公路隧道照明的发展趋势必将是走向环保节能、安全舒适的“绿色照明”，目前已有学者提出了公路隧道低碳照明技术的设计理念和措施，并积极开展隧道光导采光技术的基础研究工作。伴随自动控制、光导材料等相关技术的不断进步与发展，以光导采光技术为代表的新型隧道照明系统应会在公路隧道中逐渐推广应用。

在大力鼓励公路隧道低碳照明技术的起步阶段，对隧道加强照明中光导采光技术的应用进行系统性研究具有一定的理论意义。它可以为隧道光导照明系统的研制和应用提供了理论依据，为推动隧道照明结构性节能跨越式发展、实现隧道绿色低碳照明提供了新的途径，对促进新技术的应用和推广具有重要意义。