导光管照明技术在隧道照明中的应用前景

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年９月　灯与照明　第３２卷第３期　照明研究　×　×　０：　）０＜××××××＞０ｃ０　导光管照明技术在隧道照明中的应用前景　张青文，陈仲林，余　洪，罗　玮　（重庆大学建筑城规学院，重庆４０００４５）　摘　要：作为一种既经济节能，又能提高质量的照明系统，导光管照明技术已成功运用于建筑室内、地　下空间和一些易燃易爆的危险场所，但在隧道照明工程中却还有待于开发。本文提出了如何利用导　光管照明技术将天然光引入隧道和采用大功率光源与天然光互补照明的思路。并根据导光管照明系　统的技术特性及工程应用实例，结合了隧道照明的特点及规范要求。并以实际隧道为范例，以较强的　可行性，阐明了导光管照明技术应用于隧道照明中的广阔前景。　关键词：导光管照明技术；有缝导光管；极轴式定日镜；天然光资源；视觉效应　Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　Ａｐｐｌｙｉｎｇ　Ｌｉｇｈｔ　Ｇｕｉｄｅ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎ　ｔｈｅ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ｚｈａｎｇ　Ｑｉｎｇｗｅｎ，Ｃｈｅｎ　Ｚｈｏｎｇｌｉｎ，Ｙｕ　Ｈｏｎｇ，Ｌｕｏ　Ｗｅｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＡｒｃｈｈｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｕｒｂａｎ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｈｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４５）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａｎ　ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｌｉｇｈｔ　ｇｕｉｄｅ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｄｏｏｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｓｐａｃｅ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｉｎｆｌａｍｍａｂｌｅ　ａｎｄ　ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ　ｐｌａｃｅｓ，ｂｕｔ　ｌａｃｋ　ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ　ｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｇｕｉｄｅ　ｎａｔｕｒａｌ　ｌｉｇｈｔ　ｂｙ　ｌｉｈｇｔ　ｇｕｉｄｅ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｕｎ－　ｎｅｌ　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｅ　ｈｉｈｇ—ｐｏｗｅｒ　ｌｉｈｇｔ　ｓｏｕｒｃｅｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｌｉｈｇｔ　ｇｕｉｄｅ　ｌｉｈｇｔｉｎｇ　ｓｔｙ　ｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍ・　ｐｌｅ　ｏｆ　ｔｒｕｅ　ｔｕｎｎｅｌｓ，ｃｌａｒｉｆｉｅｄ　ｔａｌｋｉｎｇ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｂｒｏａｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｌｉｇｈｔ　ｇｕｉｄｅ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｈｇｔｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｉｇｈｔ　ｇｕｉｄｅ　ｌｉｈｇｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｓｌｉｔ　ｌｉｈｇｔ　ｇｕｉｄｅ；ｈｅｌｉｏｓｔａｔ　ｗｉｔｈ　ｐｏｌａｒ　ａｘｉｓ；ｎａｔｕｒａｌ　ｌｉｈｇｔｉｎｇ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ；　ｖｉｓｕａｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　０　引言　空心导光管是一种特殊的照明技术，它可将人　工光源或天然光产生的光通量进行传输并相当均匀　随着我国道路交通事业的迅猛发展，隧道数量　地分布在很大的范围内。光线沿导光管进行镜面反　也日趋增多。由此带来了隧道照明设施的经费投入　射或经棱镜曲面的完全内反射，并能按所需取向分　及运营电费不断增高等一系列问题。能否选用一种　配光通。导光管照明起源于ｌ８世纪。但大规模的投　既经济节能。又能提高行车安全及舒适的隧道照明　产却是在１００年以后。从１９８０年至今，分别由俄罗　系统。已显得尤为重要。　斯、乌克兰和北美等国生产的各类导光管共有　收稿日期：２００７。０８．２２　作者简介：张青文（１９５３一），男，高级工程师，主要研究方向为建筑照明与采光。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年９月　灯与照明　第３２卷第３期　１１２０００多套，其中多为冲压铝系统或采用分光膜及　聚乙稀对酞酸盐反射膜的导光管系统，这些系统可　分别将人工光源或由定日镜所跟踪采集的日光经导　光管传输并分配于照明场所，除用于一些易燃易爆　的危险区域和灯具维修费用耗资较大的场所外，亦　用于建筑物内部和地下空间的天然光照明…。导光　管的光效虽不是太高，但它具有节能、降低维护费　用、延长使用寿命和照度分布均匀及低眩光效应的　特点。如今，有Ｉ２个国家的Ｉ５家公司在生产导光　管系统，其中美国、加拿大、瑞士、俄罗斯和乌克兰等　国正在继续对该领域的进行研究，并希望用于更多　的照明场所。　尽管导光管照明技术已日趋成熟，但在隧道照　明中的应用却有待开发。隧道照明不同于一般场所　的功能照明，它在昼夜照明的条件下，必须考虑驾驶　员在隧道内不同区段的视觉适应性，因此，对各区段　路面亮度有不同要求　。设计时，通常以控制光源　的数量，即不同的安装密度来实现各分段的光通量　分配，这样当灯具安装间距稀疏时，就很难保证路面　亮度的均匀性。而对路面亮度要求较高的入口和出　口段，也只有安装更多的光源来满足照明需要，却无　法有效地利用天然光资源。利用导光管照明技术不　仅可均匀分配所传播的光通量，还能通过日光跟踪　系统，将采集到的天然光经导光管传播至洞口内　部。不仅如此，导光管在隧道照明中的运用还可降　低采用常规灯具所需的电能、材料、安装及维护费　用，从而起到经济、节能和提高行车安全及舒适度　的作用。　１　隧道照明的特点及要求　由于隧道特殊的构造，隧道照明不同于一般的　道路照明，当驾驶员在白昼驶入或驶出隧道时，会分　别由“黑洞”和“白洞”现象引起不良的视觉效应，即　由亮环境至暗环境或由暗环境至亮环境所产生的人　眼适应滞后现象。因此，人眼需要一定的适应时间，　以恢复对路面状况的识别，从而防止事故的引发　。　这样，也就要求将隧道分为不同的照明区段，以亮度　的过渡来满足视觉适应的需要。因此，特将隧道照　明系统主要分为人ＩＳｌ段照明、过渡段照明、中间段照　明和出口段照明４个部分。　入口和出口段照明应具有消除“黑洞”与“白洞”　现象引起的人眼适应滞后的作用，因此，这两段除基　本照明外，均应设置加强照明，以保证有足够的亮度　来消除“黑、白洞”现象。有研究表明，对于长度Ｌ≤　３　０００　ｍ的中、长隧道中，加强照明所需的用电量约　・　２　・　占整个隧道照明用电量的５０％，耗能较高。过渡段　照明亦根据人眼的视觉适应特点，要求亮度呈逐渐　下降趋势，直至过渡到中间段照明。中间段照明又　称基本照明，它在人眼已适应洞内照明环境的基础　上，应保证驾驶员在特定的车速下，能够正确识别路　面状况，以对突发事件作出最快的反应。无论在何　种照明区段内，都应保证良好的照明均匀度并防止　眩光对驾驶员所造成的视觉干扰。　２　导光管照明系统的工作原理及　ｔ件台譬　导光管照明系统主要由人工光源或定日镜（日　光采集器）和导光管构成，导光管可将来自于光源或　定日镜的光通量传播至照明场所，因此，导光管的性　能决定着照明质量的优劣，它在整个系统中起着重　要的作用。目前，世界上生产的导光管主要有两种　类型：有缝导光管和棱镜导光管。　２．１有缝导光管　这种导光管截面呈圆筒状，内表面喷涂有高反　射率的金属镜面反射涂层，圆筒下方开有长长的出　光缝，光线由此逸出，并传播至照明区域，故又称其　为圆柱形金属镜面反射导光管（见图１）。该导光管　可用刚性或柔性材料制成，其管径多为１．２～０．４５　ｍ，管长可达８０　ｍ，管壁厚度为２０～５０　ｍ，适用于大　面积的照明场所。这种导光管的优点在于可通过圆　柱体的旋转或改变出光缝的宽度来控制光分布，它　在导光管中具有最低的造价。但是，由于这种导光　管利用多次反射的原理，造成光在传播过程中损失　较大，使得导光效率相对较低¨　。　一３　４　　图１有缝导光冒　１一辐射导人装置；２一导光管透明端面；３一辐射导人　装置的光学系统；４一光源；５一有缝导光管的圆柱形直管　道；６一有缝导光管壁面的镜面反射部分；７一有缝导光管的　透光部分“光学缝”。　２．２棱镜薄膜空心导光管　这种导光管根据光辐射在光密介质中的全反射　原理而制造（见图２）。其棱镜薄膜用透明的有机玻　璃或聚碳酸脂制成，薄膜厚０．５　ｍ／ｎ，其两侧分别为　平滑表面和具有均匀分布的纵向波纹面。这些波纹　的截面是顶角为９０。的三角形棱镜，当光线射到平滑　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年９月　灯－９照明　第３２卷第３期　表面上而不被反射时，就会射人材料内部，若将棱镜　薄膜作成圆柱空心管，沿管道轴线方向入射的光线　就可通过导光管断面进入，并经多次反射后到达管　道的另一端。这种导光管具有优良的亮度均匀性，　但由于工艺技术水平的限制，目前很难制作大尺度　的棱镜导光管，从而难以解决大面积照明区域的光　通量传播Ｈ　。　００ｏ　图２棱镜导光管　２．３定日镜　定日镜是一种跟踪太阳并将阳光反射汇聚到固　定位置的聚光装置。定日镜种类虽多，但大致可分　为采用双轴跟踪方式的传统定日镜和采用单轴跟踪　方式的极轴式定日镜　】。前者分别利用与地球自转　轴平行的赤经轴和位于赤道平行平面内的赤纬轴相　互垂直旋转跟踪太阳，使太阳光始终照射在随两轴　旋转的平面镜上，并经其反射至光学汇聚系统，再通　过导光装置，传播到所需的照明场所。虽然，在跟踪　过程中镜面法线的方向在时刻变化，但反射光的方　向却不会改变。目前，工程中多采用极轴式定日镜　（见图３），这种定日镜只需单轴转动跟踪太阳时角，　由于太阳赤纬角的日变化量很小（约０．４。），只需定　期调整即可，它克服了传统定日镜跟踪装置结构复　杂，造价高的缺点，如美国明尼苏达大学的Ｃ／ＭＥ大　楼，就曾采用极轴式定日镜跟踪阳光，并成功地将其　导人室内空问深处和３３．５　ｍ深处的地下大厦。该　工程采用了１Ｏ个定日镜和一套光导系统，每面定日　镜约有面积为１．５　Ｉｎ２的椭圆形太阳反射面，其反射　率可达８０％，即使整个传递过程中损失掉７５％的光　通量，每面定日镜亦能把３．３　Ｉｎ２的面积照亮到１０７６　ｌｘ，即每平方米定日镜反射光照明２５　Ｉｎ２面积所产生　的照度比当时的办公室照度标准还高２０％　】。　３　导光管照明系统应用于隧道内　的可行性分析　以某公路隧道为例，对其采用导光管照明系统　进行了可行性分析。该隧道的单行车道为东西走　向，纵断面为直线性，其出人口处地形狭窄，有山地　树林环绕，隧道总长３ｏｏ　ｍ，洞顶高７．０　ｍ，左右人行　道均宽１．０　ｍ，路面宽７．０　ｍ，洞口立面见图４。　图３极轴式定日镜　图４某公路隧道入口立面图　整个隧道内共分为人口段、过渡段、中间段和出　口段４个照明区间。根据“公路隧道通风照明设计　规范（ＪＴＪＯ２６．１—１９９９）”中的人口段亮度计算式Ｌｌ　：　ｋ・　（ｓ）；（ｋ以双车道单向交通，车流量每小时≤　７ｏｏ辆，车速为６０　ｋ　ｈ取值，　按洞外实际环境条　件查表取值），可求得Ｌｌｌ－为５６　ｅｄ／ｍ２，其余照明段的　亮度标准及各照明段长度均按规范要求查表或计算　取值，各区段的路面亮度总均匀度不得小于０．４，亮　度纵向均匀度不得小于０．５。图５为各区段照明指　标直方图。　３．１　入口和出口段的导光管照明设计思路及方法　由于人口和出口段距洞外最近，因此，它们具有　利用天然光照明的最佳条件。采用极轴式定日镜自　动跟踪直射日光，将定日镜反射后的日光经光学系　统汇聚后，再由有缝导光管传往隧道内的照明空间，　应是目前效率较高，相对经济的隧道天然采光方法。　由图５可知，出、人口段具有相对较高的照明标准，　因此，应按标准要求，以定日镜的反射效率及导光管　的利用系数为计算依据，根据隧道照明计算公式：　Ｅ＝Ｎ・　・Ｕ・Ｋ・Ｋ　／Ｂ・Ｓ（１）算得欲达到相应照度标　准所需的总光通量：　＝Ｅ；・Ｂ・Ｓ／Ｎ・Ｕ・Ｋ・Ｋ，　（２）　由此确定定日镜及导光管的规格、数量、尺度及安装　方式等（本例中采用的导光管利用系数来源于某工　厂车间的导光管照明装置）。　・　３　・　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年９月　灯－９照明　第３２卷第３期　亮度（ｅｄ／ｍ　６０　５０　４０　３Ｏ　２０　ｊＯ　２　ｍ　６５ｍ　１　【Ｊｍ　６０ｍ　区段长度　图５各区段照明指标直方图　上面计算式中Ｅ一平均照度；　一来自于照明器　管体、管体旋转装置、出光口控制器等主要部件构　或定日镜的总光通量；Ｕ一车道上的直射光照明利用　成。日光汇聚箱内设有光学汇聚系统，灯箱内则可　系数；Ｋ一减光系数；Ｎ一按排列方式确定灯数（１或　安装大功率投光灯（灯具可特制），如高压钠灯或金　２）；Ｋ。一因相互反射作用使照度上升的系数；Ｂ一车　卤灯，其光通量均可直接传往导光管。灯箱内的电　道宽度；ｓ一车道长度；　一由相应的照度标准算得　光源照明设施应具有自动调节的功能，当天然光照　各区段所需的照明总光通量。　度不足时，电光源照明系统便自动启动，使被照区域　如何在既能满足隧道照明标准的前提下，又可　始终保持合适的照度。以上面的计算结果为依据，　达到良好的照度均匀度，是保证照明质量的关键。　该入、出口段应分别选用三组和两组导光管，导光管　一般来说，在隧道照明中，其路面均匀度的优劣主　直径约４５　ｃｍ，管体为全密封式（出光口装有透光玻　要取决于灯具的配光及安装方式，灯具间距过大，往　璃罩），可有效防止灰尘和空气氧化对管内反射膜的　往是降低均匀度的主要因素。而有缝导光管具有较　影响。入口段分别采用两侧和顶部安装方式，出口　长的连续光带，不仅避免了常规灯具所难以克服的　段仅采用两侧安装方式（见图４、图６和图７），入、出　间距影响，还可通过对导光管管体的旋转和改变出　口段的导光管单位长度分别以１０　ｍ和１８　ｍ为一段，　光缝的宽度来调整光通量的分布，使被照面达到良　其短管连接可采用法码盘或嵌入式，管内可用龙骨　好的照度均匀度。　结构或直接加接筘件，以保证光管成型并具有一定　入口和出口段的有缝导光管系统可由日光汇聚　的强度。　箱、灯箱（灯箱用于无直射阳光或夜间照明时需要）、　图６入口段有缝导光管平面布置示意图　５４（１（】ｆ）　图７　出口段有缝导光管平面布置示意图　・４・　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年９月　灯与照明　第３２卷第３期　３．２过渡段和中间段导光管照明设计思路及方法　段的照明标准有所差异，因此，应以实际所需的总光　过渡段和中间段距洞口较远，天然光传输衰减　通量为依据，由光源功率、导光管数量及安装方式的　较大，难以满足隧道深处的照明要求，且过渡段和中　不同予以控制。鉴于此，本例中的过渡段和中间段　间段对亮度要求不高，故这两区域可完全采用人工　可分别采用两组和单组导光管照明系统（见图８、图　光源的导光管照明方式，即用大功率的高压钠灯或　９），并分别按两侧和吊顶方式安装。过渡段和中间　金卤灯作为导光管的光源。这种方式较常规照明灯　段的导光管长度各为１６　ｍ和２０　ｍ一段，其规格及利　具，不仅有利于照明质量的提高，更具有节能和降低　用系数与人口和出口段所选用的相同。　材料、安装及维护费用等优点。由于过渡段和中间　图８过渡段有缝导光管平面布置示意图　１　０００　２００００　２００００　４０　）（）２００００　２００００　图９中间段有缝导光臂平面布置示忌图　上述可行性分析来源于国内外导光管照明的应　范要求，并以实际隧道为范例，以较强的可行性，阐　用实例，如我国天文界、能源研究部门和中科院建筑　明了导光管照明技术应用于隧道照明中的广阔前　物理研究所等部门，早在九十年代初就进行过“将日　景，以求为广大的照明科技工作者在隧道照明的节　光引人煤矿井下”的研究项目，并取得较好的效果。　能研发中，起到抛砖引玉的作用，能为我国的节能减　美国、俄罗斯和欧洲等国也早已成功地应用导光管　排事业发挥力量。　间，正是这些应用成果为实现隧道内的天然光照明　。，　耄　参考文献：～　“　　奠定了基础。　［１］宁华，杨蔚然．导光管的应用与展［Ｊ］．中国照明电器：　４　结论　［２］周２００科０　（），３　２　道７～　２９照明设计浅谈［Ｊ］．山西建筑：２００７，３３（７），　导光管照明技术已日趋成熟，但在隧道照明中　２０；　９９　Ｏ０　的应用却有待于开发。尤其是在当今世界能源短　［。　‘竺　隧道节能照明设计研究［　］・灯与照明：２００　缺，尤为重要。作为取之不竭，用之不尽，清洁环保的太　环境污染严重的情况下，人类的可持续发展显得　［４］三　明电器Ｉ，７时刚．导光管绿色照明探讨［Ｊ］．中国照　：１９９８年第１０期；１６　１　阳能则是最好的能源，因此，如何在降低成本，提高　Ｅｓ］魏秀东，卢振武，刘华．一种新型极轴跟踪式定日镜的　效益的前提下，将其利用于隧道照明中，应是我们的　研究［Ｊ］．太阳能学报：２００６．６第２８卷第６期，５７３　５７５　重要研究内容。尽管导光管照明技术已有了一定的　［６］张青文．国内外地下空间天然采光概况［Ｊ］．地下空间：　应用基础，但在隧道照明中，如何作到真正意义上的　１９９０年第３期；２２７—２３１　经济实用，却还需进行大量的工作。本文根据国内　Ｅ７］韩风，张启东，赵亿堂，等．建筑电器设计手册［Ｍ］．北　外导光管照明技术的发展现状，导光管产品的技术　京：中国建筑工业出版社，１９９４　性能及工程应用实例，结合了隧道照明的特点及规　・　５　・