王玉文, 劉 鵬, 馬 非, 夏楊于雨, 廖志鵬

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司， 廣州 510623； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

連續(xù)照明多用于城市景觀、消防通道、路口引道和廣告牌等照明[1-4]，如霓虹燈或LED燈帶等。借此照明形式，本文提出一種LED燈連續(xù)布置式照明，以改善隧道內(nèi)的視覺誘導(dǎo)性和路面均勻性等照明指標(biāo)[5-7]。目前，傳統(tǒng)的LED隧道燈還達(dá)不到一體式燈帶的照明效果，為滿足使用要求，需采用一種適用于隧道照明的條形LED燈來實(shí)現(xiàn)連續(xù)照明。

國內(nèi)學(xué)者已開展了提高隧道照明環(huán)境的相關(guān)研究，主要集中在布燈參數(shù)和配光優(yōu)化2個方面。通過調(diào)整燈具仰角、間距、高度和布燈方式等參數(shù)[8-10]，提升了照明均勻性和光效利用率，但若僅通過優(yōu)化布燈參數(shù)提升照明環(huán)境，潛力有限。也有學(xué)者以提高照明效益、降低眩光等負(fù)面效應(yīng)為題進(jìn)行配光優(yōu)化研究[11-13]，雖然指標(biāo)增益明顯，但研究較側(cè)重亮度指標(biāo)的提升，均勻性僅停留在滿足規(guī)范限值要求階段。因此，開展以更好地改善隧道內(nèi)視覺環(huán)境為主要目的研究非常必要。

1 舒適性評價指標(biāo)

在隧道照明環(huán)境中，駕駛舒適度主要體現(xiàn)在視覺眩光(GR)、路面亮度均勻性和視覺誘導(dǎo)性等[14]。根據(jù)國際照明協(xié)會(CIE)相關(guān)定義，不舒適眩光是由眩光源的散射光線射入人眼而導(dǎo)致的不舒適性所引起。GR值越小，則眩光控制就越好，在正常行駛交通時GR值不應(yīng)高于45[15]，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Lvl為燈具產(chǎn)生的光幕亮度，cd/m2；Lve為環(huán)境產(chǎn)生在光幕亮度，cd/m2。

出于光效應(yīng)考慮，隧道路面及其上方2 m高的墻壁必須有良好的亮度均勻性。因隧道路面和墻壁較低的部分共同構(gòu)成駕駛者視野內(nèi)的背景，所以背景均勻度越好，視覺主觀色彩影響性越低。亮度總均勻度U0和縱向均勻度U1計(jì)算公式分別為：

(2)

(3)

2 仿真模型

2.1 模型參數(shù)

仿真模型為2車道隧道，路面凈寬8.5 m，拱頂高7.5 m，隧道模型縱向長度為150 m，隧道內(nèi)表面及兩側(cè)檢修道的材質(zhì)為水泥，反射率為30%，路面類型為瀝青混凝土，反射特性為R3，如圖1所示。

圖1 隧道計(jì)算模型

2.2 布燈模型與參數(shù)

基于已建隧道模型，布燈方案設(shè)置了連續(xù)照明和點(diǎn)式照明(7 m間距)2種布燈模型，連續(xù)照明布燈平面如圖2所示，點(diǎn)式照明為路面兩側(cè)等間距對稱布置，布燈高度均為5.2 m。目前，僅適用于隧道連續(xù)照明的配光曲線如圖3(a)所示；點(diǎn)式照明中，選取了對稱型和偏光型2種具有代表性的LED隧道燈，配光曲線如圖3(b)、(c)所示。其中，隧道連續(xù)照明的LED燈的幾何尺寸長度為1 m，寬0.13 m，整燈光效為108 lm/W。點(diǎn)式照明的隧道燈中，對稱型配光曲線1(圖3(b))的整燈光效為112 lm/W，偏光型配光曲線2(圖3(c))的整燈光效為100 lm/W。照明系統(tǒng)總體維護(hù)系數(shù)均取0.75。

圖2 布燈平面

2.3 GR觀察點(diǎn)分布

模型中GR觀察點(diǎn)設(shè)置于單車道中心線正上方1.5 m高度處，觀察點(diǎn)與路面注視點(diǎn)的夾角為-2.0°，觀察角度范圍取0°～180°。為盡可能地了解照明的GR值變化，沿路面縱向7 m(點(diǎn)式照明的一個燈間距)范圍內(nèi)等間距設(shè)置5個觀察點(diǎn)，連續(xù)照明和點(diǎn)式照明設(shè)置相同。因隧道燈雙側(cè)對稱布置，故只在右側(cè)車道設(shè)置了觀察點(diǎn)，并從行車方向依次命名為觀察點(diǎn)1～ 5，如圖4所示。

(a) 連續(xù)照明配光曲線

(b) 點(diǎn)式照明配光曲線1

(c) 點(diǎn)式照明配光曲線2

圖4 GR觀察點(diǎn)布設(shè)示意

3 仿真計(jì)算

3.1 舒適性評價

3.1.1 均勻性分析

連續(xù)照明和點(diǎn)式照明模型保持相對等同，點(diǎn)式照明燈具光通量均取5 600 lm(7 m布燈間距)，連續(xù)照明燈具光通量取800 lm。此外，為保證各配光類型燈以最佳照明功效進(jìn)行比較，通過數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)得出，該連續(xù)照明用燈最佳仰角為30°，點(diǎn)式照明配光類型1最佳仰角為35°，點(diǎn)式照明配光類型2最佳仰角為25°。不同功效條件下計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 連續(xù)照明和點(diǎn)式照明均勻度計(jì)算

表1計(jì)算結(jié)果顯示，連續(xù)照明路面中線縱向均勻度分別比點(diǎn)式照明配光1和配光2提升了16.3%、12.4%；連續(xù)照明路面總均勻度分別比點(diǎn)式照明配光1和配光2分別提升了45%、11.5%。從現(xiàn)提供的配光曲線照明來看，連續(xù)照明均勻性提升效果明顯。照明環(huán)境視覺對比如圖5所示。

圖5光環(huán)境云圖顯示，連續(xù)照明路面亮度均勻性非常好，幾乎沒有明暗亮度梯度，而點(diǎn)式照明路面明顯存在光斑、光帶等明暗差現(xiàn)象，均勻性一般；點(diǎn)式照明隧道壁亮度較低，同樣存在明暗差，連續(xù)照明隧道壁亮度較高，均勻性好，視覺誘導(dǎo)性明顯。

3.1.2 眩光評價

連續(xù)照明和點(diǎn)式照明在路面縱向上的單位長度照射光通量相等，單位長度光通量取 800 lm/m，GR觀察點(diǎn)布置如圖4所示。GR值計(jì)算結(jié)果見表2，對比如圖6所示。

(a) 連續(xù)照明計(jì)算云圖

(b) 點(diǎn)式照明配光1計(jì)算云圖

(c) 點(diǎn)式照明配光2計(jì)算云圖

圖6 連續(xù)照明和點(diǎn)式照明GR值對比

從圖6和表2計(jì)算值綜合分析可知，連續(xù)照明GR值比點(diǎn)式照明配光類型1的GR值普遍偏高，最大相差13，GR平均值高出22.8%；連續(xù)照明與點(diǎn)式照明配光類型2的GR值差別較小，最大差值約5%，GR平均值計(jì)算相等。從變化趨勢來看，僅點(diǎn)式對稱照明(配光曲線1)GR值變化波動較大，另外2種照明的GR值變化相對穩(wěn)定，即點(diǎn)式照明的GR值相對連續(xù)照明來說并無突出特點(diǎn)。

3.2 照明能耗分析

通過模擬控制相同的路面平均亮度等級來調(diào)整連續(xù)照明和點(diǎn)式照明時燈具光通量，即將燈具光通量和路面平均亮度指標(biāo)作為照明能耗分析的基礎(chǔ)。本次模擬選取了3個層次的亮度等級，分別為2.5 cd/m2、3.5 cd/m2和4.5 cd/m2進(jìn)行照明能耗分析。

由于模擬分析采用了不同性能參數(shù)的LED燈，模擬控制路面平均亮度難以達(dá)到完全等同，所以本次模擬時路面平均亮度差控制在0.5%以內(nèi)，模擬結(jié)果見表3。

表2 連續(xù)照明和點(diǎn)式照明GR值計(jì)算結(jié)果

由表3可知，控制亮度等級為2.5 cd/m2時，連續(xù)照明比點(diǎn)式照明配光1和配光2需求的光通量多2%和14.7%；控制亮度等級為3.5 cd/m2時，連續(xù)照明比點(diǎn)式照明配光1和配光2需求的光通量多1.4%和12.3%；控制亮度等級為4.5 cd/m2時，連續(xù)照明需求光通量分別比點(diǎn)式照明配光1和配光2需求光通量多1.1%和9.8%。綜上對比分析得出，當(dāng)路面平均亮度等級相同時，連續(xù)照明需求光通量反而要高，照明經(jīng)濟(jì)效益不明顯；而隨著亮度需求等級越高，連續(xù)照明與點(diǎn)式照明各自需求光通量的差距在減小。

表3 連續(xù)照明和點(diǎn)式照明能耗對比

4 結(jié)論

1) 連續(xù)照明比傳統(tǒng)點(diǎn)式照明的路面總均勻度和縱向均勻度都較好，模擬時最大分別可提升45%和16.3%；連續(xù)照明比點(diǎn)式照明的隧道側(cè)壁亮度要高，路面幾乎不存在明顯的亮度梯度，光環(huán)境視覺誘導(dǎo)性好。

2) 連續(xù)照明GR值相比點(diǎn)式照明來說無明顯突出特點(diǎn)，連續(xù)照明GR平均值比點(diǎn)式照明對稱型配光類型1要高出22.8%，而與偏光型配光類型2卻相差無幾。

3) 照明能耗對比分析得出，在相同路面亮度等級下，點(diǎn)式照明中配光類型1和配光類型2需求的光通量相比連續(xù)照明最高可減少2%和14.7%，即連續(xù)照明比點(diǎn)式照明需求的光通量要高，照明節(jié)能性不明顯。