陳秀雯，胡英奎，翁 季，陳仲林

(1.重慶市江北嘴中央商務區(qū)開發(fā)投資有限公司，重慶 400024;2.重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶 400045）

0 引言

公路隧道是一種狹長的管狀構筑物，其頂部和兩側(cè)是封閉的，所以對于公路長隧道而言，不但晚上需要照明，而且白晝時也需要人工照明，尤其在晴天，更是需要。在晴天白晝時，隧道洞口內(nèi)外的亮度差別很大，這會使快速通行的駕駛員產(chǎn)生黑洞現(xiàn)象、亮洞現(xiàn)象和視覺適應的滯后現(xiàn)象等，這樣不易發(fā)現(xiàn)障礙物，容易發(fā)生交通事故，影響駕駛員行駛的安全和舒適。因此，在進行隧道照明設計時，需要在公路隧道入口段、過渡段和單向公路隧道的出口段進行加強照明，即在一般照明的基礎上，增加照明燈具，增加照明功率，加強入口段、過渡段和單向隧道出口段60 m長區(qū)域的照明水平，但是這會消耗大量電能。

1 隧道出口段照明設計

在《公路隧道通風照明設計規(guī)范》(JTJ026.1—1999）和《公路隧道照明設計細則》(報批稿）中，均明確規(guī)定在單向交通隧道中，應設置出口段加強照明，其亮度為中間段亮度的3倍和5倍(分成2段各30 m時）。亮度值的大小取決于行車設計速度大小和車流量等，具體值由相應的規(guī)范或細則確定，但一般處在3 cd/m2和50 cd/m2范圍內(nèi)，也就是說，需要在單向長隧道出口段額外增加的加強照明水平為2 cd/m2～40 cd/m2，而且實際上，越是天氣晴朗，日光明亮，出口段的加強照明水平越要求高;反之，天氣陰暗，則可以減少加強人工照明水平，在保證安全行車的前提條件下，節(jié)約電能。從以上分析中可以看出，出口段需要的加強照明水平的變化規(guī)律與洞口外天然光的變化規(guī)律是同步的，即洞外天然光強度大，則要求出口段的加強照明輻射出更多的光通量;反之亦對。因此，如果將天然光引入到出口段作為補充加強照明之用，應是合理的。

2 隧道出口段光纖采光照明設計方法探討

單向隧道出口段天然光狀況與當?shù)靥鞖鉅顟B(tài)關系很大，而天氣狀態(tài)的數(shù)量特征可由日照百分率和云量表示，它們之間有著密切關系，但是由自動記錄的日照資料表述當?shù)氐奶鞖鉅顟B(tài)更為確切。據(jù)研究表明，日照情況是衡量當?shù)夭捎萌展饩酃夥绞娇尚行缘囊粋€數(shù)量指標，它影響采光系統(tǒng)的性價比和節(jié)能性。對于一般隧道出口段不宜采用側(cè)窗等在建筑物中常用的采光方法，而應采用光電轉(zhuǎn)換方法、太陽光聚光直接采光方法和混合日光采光方法。

2.1 隧道出口段采光方法

2.1.1 光電轉(zhuǎn)換方法

光電轉(zhuǎn)換方法中的關鍵技術是進一步提高太陽能電池的效率。太陽能電池有3種:非晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和單晶硅太陽能電池，其中單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較高，國產(chǎn)的最高可達20%左右。

雖然當隧道洞口外天然光不足或在晚上時，由光電轉(zhuǎn)換方法獲得的電能可供照明用，這與日光采光相比是一個非常突出的優(yōu)點，但是當把貯存在蓄電池中的電轉(zhuǎn)換成光時，光源光效率最高約為30%。因此，當利用光電轉(zhuǎn)換方法進行隧道出口段照明時，總效率是不高的，據(jù)估算僅為6%左右。

2.1.2 直接采光方法

日光聚光系統(tǒng)是由日光聚光器、光纖和出射光裝置(燈具）三大部分組成的。日光聚光器分為主動式和被動式兩種，主動式日光跟蹤聚光器通過跟蹤傳感器、控制電路、傳動裝置和驅(qū)動電機，提高了日光聚光器的跟蹤精度。當光纖的輸入端置于聚光器的焦點處時，可提高太陽光的入射能量密度。例如，日本生產(chǎn)的型號為“向日葵”自動跟蹤日光的系統(tǒng)，日光聚光器的聚光度可達1.5×104倍。跟蹤式日光采光系統(tǒng)已在上海虹橋高鐵樞紐站等照明工程中實際使用。

光纖在傳輸光時，單位長光纖的光能衰減量β用公式表示:

式中:Φ——光纖輸出光通量;

Φ0——光纖輸入光通量;

τ——單位長光纖透光率。

當光通過光能衰減量β為－20 dB/km的a米長光纖后，光衰減到輸入光通量的百分之幾可由公式確定:

當光通過β為－20 dB/km、長為a米后，由(2）式算得的光透過率見表1。

表1 當光通過β=－20 dB/km長為a米后光透過率

從表1中看出，如采用光能衰減量 β為－20 dB/km的石英芯光纖在隧道出口段長為60 m的光能損耗僅為24%，相當于光通過厚度為6 mm的普通玻璃的光損耗。因此，從光損耗的角度上看，在隧道60 m長的出口段，采用日光跟蹤聚光系統(tǒng)作為補充加強照明應是可行的，目前國產(chǎn)的相應產(chǎn)品也已成功運用于實際工程，采光效果良好。

2.1.3 混合采光方法

美國3M公司等聯(lián)合開發(fā)了混合日光照明(HSL）系統(tǒng)，它主要由主動式日光采集器、光纖、太陽能電池和市電補充系統(tǒng)組成的。

日光的輻射光譜是一連續(xù)光譜，它包含波長小于380 nm的紫外線，可見光和波長大于780 nm的紅外線。在一般情況下，紫外線占太陽輻射光譜能量的7%左右，可見光占47%左右，紅外線占46%。HSL混合日光照明系統(tǒng)不但利用了可見光，而且通過該系統(tǒng)中特制的冷光鏡把紅外線引入光電池，就可把日光變成電，提高日光的利用效率。同時，又把人工光源與光纖輸出端共同置于出射裝置內(nèi)。當天氣條件較差時和晚上，可啟動人工光源，進行人工照明。

2.2 隧道出口段光纖采光可行性探討

在隧道出口段采用日光跟蹤聚光光纖采光系統(tǒng)的可行性，主要由年平均日光光量、性價比和隧道照明技術等確定的。

2.2.1 年平均日光光量

太陽直射光在通過大氣層時，由于散射、反射和吸收而衰減，所以通常將在大氣層外垂直于太陽光的平面上、且在太陽與地球為平均距離時的照度，稱為太陽照度常數(shù)E0，最近認為是133700 lx。當太陽光透過大氣層射到地面時，由于受到大氣層中空氣分子、氣溶膠、水汽、灰塵等的衰減，不同地區(qū)、不同天氣時，大氣的透明程度隨時間、地點變化很大。在照明工程中，常用大氣透過率P表示，在晴朗天空時，大氣透過率為 0.75～0.85，一般的晴天空為0.65～0.75。在地表面上，垂直于太陽光的法向照度En可由下式表示，

式中:m——大氣光學質(zhì)量。

大氣光學質(zhì)量在太陽高度角hs較大時，可近似用下式估算，

根據(jù)當?shù)貧庀笥^測資料和北京時間等，就可以計算出大氣透過率P和大氣光學質(zhì)量m，再由(3）式算得在該地區(qū)垂直于太陽光的法向照度En。實際上，在一年之中，甚至在一天之中，該地區(qū)的氣象參數(shù)是隨時間不斷變化的，所以由(3）式算得的法向照度En是隨時間t而變化的因變量，應寫成En(t）。因此，在單位被照面A上的光通量Φn(t），

日光光量Qn就是垂直于太陽光的單位被照面上光通量Φn(t）的時間t的積分量，

當被研究的時間t是1年時，則Qn稱為年日光光量。由于在氣象觀測資料中容易獲得大氣透過率P的月平均值等，所以，由(6）式算得的年平均日光光量，就可以定量比較在隧道出口段采用日光采光系統(tǒng)的采光可能性。

為了獲得較好的光纖采光系統(tǒng)的采光效果，除了被研究地區(qū)有較大的年平均日光光量和精確的自動跟蹤日光裝置及高質(zhì)量光纖傳輸系統(tǒng)外，還要具有合適的光纖出射光裝置，該裝置應不但具有效率高、壽命長、外觀好、防塵防水等特點，而且更重要的是使該出射光裝置的配光曲線符合隧道照明要求，同時還要考慮運營車速、車流量、隧道線形等情況，提高交通安全性和駕乘人員的舒適性。

2.2.2 隧道出口段加強照明的人工光源選擇

日光跟蹤聚光光纖采光系統(tǒng)只有當太陽照射大地時才能發(fā)揮作用，當太陽被云遮擋時，該系統(tǒng)的采光效果失效。因此，在白晝時，當發(fā)生太陽被云遮擋的情況，有時天空還是很明亮，隧道出口對天空或地物的亮度還是很大，此時，應對隧道出口段采用人工光源進行加強照明，以提高交通安全性和舒適性。尤其當太陽被厚云遮擋而時隱時現(xiàn)時，就要求人工光源立即進行起動、減弱或關閉，并能進行亮度自動調(diào)整。在人工光源中LED照明光源突出的優(yōu)點是響應快、可靠耐用、通過控制電路很容易調(diào)控亮度等，因此，隧道出口段宜采用LED人工光源進行基本加強照明，同時要求在日光照射大地時關閉或調(diào)低LED亮度，節(jié)約電能，保證隧道出口段合理的照明水平。

3 小結

日光跟蹤聚光光纖采光照明系統(tǒng)適用于隧道出口段補充加強照明，由于可能產(chǎn)生太陽時隱時現(xiàn)的情況，所以隧道出口段基本加強照明宜采用響應快的LED人工光源照明，并進行自動控制其亮度。從理論上分析，日光跟蹤聚光光纖采光照明系統(tǒng)可以用于出口段照明，它與LED光源一起組成隧道出口段加強照明。從實際上看，不但要看聚光光纖采光系統(tǒng)的聚光度，光纖傳輸時的光損耗，即不但要看該系統(tǒng)的傳輸效率(這是隧道出口段運用日光跟蹤聚光光纖采光補充加強照明系統(tǒng)的技術保障）;而且還要看當?shù)氐墓鈿夂虻葪l件，如果當?shù)厝照諘r數(shù)多，且緯度較低(太陽高度角大），以及隧道朝向等適宜，那么有利于聚光光纖采光系統(tǒng)高效工作;此外，國內(nèi)外質(zhì)量較好的產(chǎn)品價格比較貴，所以在隧道出口段具體運用該系統(tǒng)作為補充加強照明之用時，應仔細核實該系統(tǒng)的性價比和節(jié)電效果等?？傊?，在隧道出口段補充加強照明能否采用日光跟蹤聚光光纖采光照明系統(tǒng)，不但要看該系統(tǒng)的技術先進性，還要看隧道所在地區(qū)的光氣候條件的可行性。

年平均日光光量是表征隧道所在地區(qū)進行聚光采光能力的定量指標。如該值相對較大，則說明該地區(qū)的隧道采用采光設施的效果會較好，當采用相同品質(zhì)的采光設施時，則年平均日光光量大的地區(qū)的隧道采光設施更為節(jié)能、性價比更好。

［1］JTJ026.1—1999.公路隧道通風照明設計規(guī)范［S］

［2］JTG/T DXX—2010.公路隧道照明設計細則 (送審稿）

［3］江源，殷志東.光纖照明及應用［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2009

［4］(日）照明學會編，李農(nóng)，楊燕譯.照明手冊(原書第二版）［M］.北京:科學出版社，2005