蔡賢云，翁 季，張青文，杜 峰

(重慶大學 建筑城規(guī)學院，重慶 400045)

隧道照明墻面反射材料研究綜述

蔡賢云，翁 季，張青文，杜 峰

(重慶大學 建筑城規(guī)學院，重慶 400045)

以隧道照明墻面反射材料為研究對象，綜合考慮隧道照明視覺功效、照明質量評價指標和節(jié)能3因素，分析論述墻面材料鋪設范圍、材料選擇和墻面材料反射比3方面相關研究文獻。綜合文獻研究內容，從材料選擇、材料鋪設范圍和材料反射比的角度進一步優(yōu)化隧道照明設計。

反射材料；鋪設范圍；材料選擇；反射比

21世紀以來中國公路隧道增長迅速，整個“十二五”期間，公路隧道平均每年增長里程超過1 000 km?！笆濉蹦?2015年底)，公路隧道總數(shù)量達到1.36萬處，總里程突破1.2萬km。隧道內行車需同時滿足安全、舒適、節(jié)能要求，因此，對照明設計理念及實踐提出了全新挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有公路隧道照明質量評價指標體系由對比顯示系數(shù)qc、隧道內兩側2 m高墻面亮度、中間段路面亮度均勻度和路面中線亮度縱向均勻度、燈具布置閃爍頻率等指標構成，直接決定了隧道照明能否滿足安全、舒適、節(jié)能的要求。

隧道內墻面材料對隧道照明質量評價指標體系各參數(shù)會產(chǎn)生影響，隧道內裝飾材料發(fā)展至今大致可歸為6類：混凝土(即保持混凝土本色,未裝飾)，涂料，面磚(瓷磚)，帶涂層的纖維混凝土板(如維特拉板、卡索板)，復合材料的鋁板(如氟碳鋁板、烤瓷鋁板)，搪瓷鋼板。研究表明，隧道側壁涂刷反射率較高的材料有利于改善隧道內部照明環(huán)境，對隧道安全救援也有積極作用。因此，文章以墻面反射材料為研究對象，從鋪設范圍、材料選擇和材料反射比3個方面來論述墻面反射材料的研究現(xiàn)狀。

1 墻面反射材料鋪設范圍

CIE 88—1990和CIE 88—2004中均指出，考慮隧道照明質量，隧道內墻面2 m高范圍內應保證足夠的照明水平。CIE 88—2004還推薦隧道內2 m高范圍內墻面的平均亮度至少應達到路面平均亮度水平的60%?！豆匪淼勒彰髟O計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)中同樣指出，路面兩側2 m高范圍內墻面宜鋪設反射率高的材料。

馮守中指出，發(fā)光涂料有效激發(fā)光譜在200～450 nm之間。試驗表明，發(fā)光涂料與照明光源(高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、LED燈等)組合照明可增加亮度，同時，發(fā)光涂料對自然光增亮效果更為明顯。筆者結合工程試驗提出長度小于250 m的高速公路隧道可直接用發(fā)光涂料照明而不再設置照明燈具(表1)，對于中、長隧道采用照明與發(fā)光涂料組合的照明方式，在保證照明效果的前提下還可節(jié)能20%～25%。但是依據(jù)隧道照明相關規(guī)范，隧道內最低亮度不得低于1.0 cd/m2，因此，直接通過發(fā)光涂料實現(xiàn)照明的舉措還需作進一步的研究。

表1 隧道涂料照明白天實測亮度數(shù)據(jù)

郭春等利用DIALux照明軟件研究發(fā)光涂料鋪設范圍對公路隧道照明的影響。在模擬時參數(shù)設定為：路面材料反射比0.15，墻面材料反射比0.58。如果使用發(fā)光節(jié)能涂料，根據(jù)要求最低反射比為0.85，頂棚材料反射比0.1。隧道內墻壁發(fā)光涂料鋪設范圍分為不鋪設、鋪設至兩側2 m、3 m、4.54 m、5.71 m、6.5 m、7 m高度及全截面8種情況。通過模擬發(fā)現(xiàn)，能效值隨鋪設范圍增大而減小，綜合考慮平均照度、平均亮度和亮度均勻度，發(fā)現(xiàn)鋪設至墻壁兩側3 m高范圍內能同時滿足安全與節(jié)能的要求。

2 墻面反射材料選擇

劉明高等分析歸納了隧道內裝飾材料應用現(xiàn)狀,并分析了內裝飾材料選用標準與要求。要確保隧道內行車環(huán)境,除了對照明光源及路面材料反光性作專門設計外,利用隧道內裝飾材料來改善行車環(huán)境也是有效的方法。眾多工程實踐表明,側墻部位內裝飾材料應采用淺色,使隧道有限空間顯得寬敞，表面光滑的淺色材料反射系數(shù)高,不僅能起到反射燈光、提高路面照度的作用,而且能加強車輛與側墻間在亮度上的反差,使司機看清車輛或障礙物輪廓,從而確保行車安全。

梁波等分析了反光材料的增光照明原理，錐狀細胞和桿狀細胞同時起作用，人眼最敏感的光波波長從明視覺狀態(tài)下的555 nm，變化為暗視覺狀態(tài)下的507 nm。此時，人眼視網(wǎng)膜上的神經(jīng)節(jié)細胞對短波長的光輻射更為敏感，并且富含短波長的光有利于瞳孔收縮，更利于提高可見度，具有更高的光譜光視效率。反光材料的反射光光譜正處于短波長范圍,因而，當隧道壁采用反光材料后更加清晰可見，利于分辨路面目標。梁波等通過調研發(fā)現(xiàn)反光材料在公路交通標志、標牌、標線中使用比較廣泛，而現(xiàn)階段反光材料在隧道交通中主要應用于誘導性交通標志，如，洞門的反光誘導、洞內的交通標牌、標線以及反光道釘。

梁波等選擇背景亮度為1.0 cd/m2、1.5 cd/m2、2 cd/m2、2.5 cd/m2、3 cd/m2、3.5 cd/m2、4 cd/m2幾種情況，墻面材料分水泥砂漿和反光油漆2種，設定反光材料輔助照明環(huán)境下和隧道燈具直接照明環(huán)境2種情況,采用視覺功效法在反應時間測試儀中測試10名受試者視看小目標的反應時間。通過處理分析實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，人眼在反光材料輔助照明環(huán)境下比隧道燈具直接照明環(huán)境下的反應時間更短(具體結果如表2所示)，說明視覺功效更高,這說明反光材料輔助照明環(huán)境更節(jié)能。

表2 不同內壁材料和光源下反應時間測試值

孫順杰在研究中指出，長余輝發(fā)光材料是一類吸收光能并貯存，激發(fā)停止后再把貯存的能量以光的形式慢慢釋放，可持續(xù)幾個甚至十幾個小時發(fā)光的材料。長余輝發(fā)光材料表面處理后應用到涂料中，可制備出耐久性優(yōu)異、施工方便的發(fā)光涂料，可廣泛應用于公路隧道(圖1)、應急通道、地下通道和地下室等部位的指示照明，具有廣闊的應用前景。

圖1 涂刷發(fā)光涂料的隧道

潘國兵等研究分析了現(xiàn)行照明質量標準和照明評價方法，調研現(xiàn)有照明光源、隧道內裝材料和西南山區(qū)隧道照明技術現(xiàn)狀。通過軟件模擬、1∶10隧道模型模擬試驗、1∶1隧道實體試驗和現(xiàn)場試驗探討隧道照明節(jié)能規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隧道側壁采用反光蓄光材料可提高路面照明質量，當墻面反射率達到70%時路面照度至少可提高10%。反光蓄光涂料下的小目標發(fā)現(xiàn)距離比防火涂料下的小目標發(fā)現(xiàn)距離平均增大4～6 m，即用反光蓄光涂料鋪設的隧道墻面更有利于駕駛員的安全行車。在隧道入口段和出口段，自發(fā)光材料下的駕駛員瞳孔直徑變化幅度小，說明駕駛員在反光蓄光涂料下的視覺負荷要小于水泥砂漿和防火涂料下的，有利于駕駛員在隧道內行車的安全性及舒適性。

曾俊翔把自發(fā)光材料與其他傳統(tǒng)內飾材料(水泥砂漿、白色防火涂料)進行對比試驗，分析路面、墻面照明質量指標(照度、亮度、總均勻度、縱向均勻度)的變化規(guī)律。通過對隧道內飾材料的改進，利用蓄能型自發(fā)光材料具有的高反射特性來鋪設隧道側壁，達到優(yōu)化隧道路面、墻面輔助照明的目的。利用眼動儀研究駕駛員發(fā)覺小目標物時的發(fā)現(xiàn)距離、瞳孔直徑變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在新型內飾材料下，駕駛員發(fā)覺小目標物時的發(fā)現(xiàn)距離最大，瞳孔直徑變化較小，說明在此材料下人眼視覺功效最高，行車安全性及舒適性最好。

李文淵等利用自發(fā)光材料蓄能釋光的特性，通過模型隧道試驗對7種光源條件下自發(fā)光材料的余輝亮度進行測試，光源停止照射10 min后，自發(fā)光材料余輝亮度衰減至初始亮度的10%。此外，依托云南保騰高速公路鹿山隧道現(xiàn)場實測LED燈條件下的余輝亮度，發(fā)現(xiàn)斷電30 min后墻面的視覺誘導作用仍較明顯，突發(fā)事件中對隧道內人員的緊急避險和安全救援可起到積極作用。

3 墻面反射材料的反射系數(shù)

Boyce指出，隧道內墻面反射比不得低于0.5。van Bommel在《Road Lighting—Fundamentals Technology and Application》一書中指出，隧道照明中逆光照明下的對比顯示系數(shù)值不小于0.6，對稱照明下對比顯示系數(shù)值則為0.2。但是這些值并未考慮小目標物所在區(qū)域路面反射對目標物垂直面照度的間接影響，而漫反射性能更好的表面會增加這種間接反射對垂直面照度的影響。綜合多方面因素墻面反射比在0.6～0.7為宜。

楊韜依據(jù)在重慶、貴州 23 條隧道實地調研得到的成果制作了1∶10隧道照明模型來研究隧道照明反射增量系數(shù)。通過實驗測量和數(shù)據(jù)分析，得到墻面反射比、路面反射比、光通量分配比與反射增量系數(shù)間的關系，具體結果為：

路面材質為瀝青時，

Y=0.212x+0.997a=5.0

Y=0.194x+0.998a=5.3

Y=0.164x+0.998a=6.3

路面材質為混凝土時，

Y=0.236x+0.996a=5.0

Y=0.217x+0.997a=5.3

Y=0.203x+0.986a=6.3

式中：Y為反射增量系數(shù)，x為墻面反射系數(shù)，a為光通量分配比。在此基礎上利用隧道照明反射增量系數(shù)優(yōu)化隧道照明計算方法，即在隧道照明設計時，將隧道內表面對光線的反射作用考慮在內。使用優(yōu)化后的照明計算公式對實際隧道照明進行計算驗證得出，瀝青路面可節(jié)能11%～ 14%，混凝土路面可節(jié)能12%～16%。

林勇提出在研究隧道內表面光線反射提高路面照明質量時，應將隧道壁面視為沿隧道軸向連續(xù)的表面。鑒于隧道內部多次光反射計算的紛繁復雜，通過編程得到計算軟件，通過參數(shù)設定可得到路面反射比、墻面反射比、光通分配比在不同情況下的反射增量系數(shù)(圖2)。除此之外，還可通過對比顯示系數(shù)計算軟件得到隧道內各界面反射比在不同情況下的對比顯示系數(shù)值，而對比顯示系數(shù)是評價隧道照明質量指標之一。

圖2 隧道照明反射增量系數(shù)計算示例

史玲娜等結合高速公路工程實例,通過計算機模擬分析不同側壁反光性能對隧道照明的影響。在隧道內表面兩側3 m高度范圍內對墻面涂不同反射率的反光材料與未涂反光材料時(即純混凝土表面情況下)的路面照明情況進行測試。發(fā)現(xiàn)在相同光通量條件下，當隧道內表面兩側3 m高度范圍內涂上具有50%反射率的漫反射反光材料時,路面平均照度和照度均勻度明顯提高，節(jié)約光能約為13%,從而達到了降低能耗的作用。通過隧道模型實驗研究發(fā)現(xiàn)，當隧道側壁反射率達到90%時,節(jié)能效果在22%以上。

《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)指出，墻面的反射與襯托作用在隧道照明中非常重要，不容忽視。當墻面反射率達到0.7時，路面亮度可提高10%。

肖堯等考慮不同隧道頂棚反射系數(shù)對路面平均照度的影響，利用照明軟件DIALux研究不同反射系數(shù)頂棚材料對路面平均照度的影響。通過模擬實驗，分別得到在瀝青路面和混凝土路面下，隧道頂棚材料反射系數(shù)與隧道反射增量系數(shù)之間的關系。結果表明，通過選擇高反射性能(0.5～0.7)的頂棚材料，可以提高路面平均照度，達到降低能耗目的。以某1 km長隧道作為實測樣本，實測發(fā)現(xiàn)在開燈率為70%、80%、90%時，頂棚反射系數(shù)的合理范圍分別為0.5～0.7、0.5～0.65、0.5～0.55。

4 結 論

從材料鋪設范圍、材料選擇和材料反射比3方面分析隧道照明墻面反射材料相關的研究文獻。根據(jù)隧道照明安全、舒適、節(jié)能的要求，隧道內墻面材料應結合光源的選擇、照明安裝方式綜合考慮。蓄光反射材料具有廣闊的應用前景。墻面材料鋪設高度宜為2 m(也有研究指出應為3 m)。墻面反射材料反射比不低于0.5，一般在0.7以上，而且墻面材料反射比應結合隧道照明反射增量系數(shù)、墻面反射比、光通量分配比綜合考慮?，F(xiàn)有研究經(jīng)過多次軟件模擬和隧道實測，均證實隧道墻面材料改進后照明節(jié)能的效果顯著。

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TheResearchSummaryonWallReflectiveMaterialsinTunnelLighting

CAIXianyun,WENGJi,ZHANGQingwen,DUFeng

(Faculty of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400045，P.R.China)

In this paper, wall reflective materials in tunnel lighting was taken as the research object. Synthetically considering tunnel lighting visual effect, lighting quality evaluation index and energy saving, relevant research literature at home and abroad were analyzed and discussed. And the research literature including laying range of wall reflective materials, material selection and material reflectance ratio. Synthetically considering the literature research content, tunnel lighting design will be optimized from the perspective of laying range, material selection and material reflectance ratio.

wall reflective materials；laying range；material selection；material reflectance ratio

2017-01-20

國家自然科學基金(51278507)

蔡賢云(1986-)，重慶大學建筑城規(guī)學院博士研究生，主要從事建筑光環(huán)境研究。