書????名 | 隧道照明 | 作????者 | 馬非、吳夢軍、謝洪斌 |
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出版社 | 科學出版社 | 出版時間 | 2018年8月 |
ISBN | 9787030583833 |
前言
第1章光及光學指標
第2章人的視覺特性
第3章隧道照明的理論基礎
第4章隧道照明燈具
第5章隧道加強照明
第6章隧道中間段照明
第7章隧道照明計算
第8章隧道照明系統(tǒng)測量
彩圖
隧道照明中必須考慮某些特殊的視覺現(xiàn)象,為了對隧道照明進行優(yōu)化設計,就有必要先了解些基本的視覺問題。在白天,駕駛員進入隧道時會遇到如下視覺問題:剛進入隧道由于白天隧道外的亮度相對于隧道內(nèi)的高很多,如果隧道足夠長,駕駛員看到的是黑乎乎的一個洞,這就是"黑洞"現(xiàn)象;如果隧道很短的話,在駕駛員面前就出一個"黑框"。進入隧道后由明亮的外部進入一個較暗的隧道,視覺會有一定的適應時間,然后才能看清隧道內(nèi)部的情況,這種現(xiàn)象稱為"適應的滯后現(xiàn)象 "。在隧道中間段,由于汽車排出的廢氣集聚,形成煙霧,汽車前照燈的光會被這些煙霧吸收和散射,形成光幕和降低前方障礙物與其背景(路面,墻面)之間的亮度對比度,影響障礙物的能見度,給視覺功能帶來不利影響。隧道出口處會出現(xiàn)一個很亮的出口,對駕駛員會產(chǎn)生強烈的眩光,從而看不清路況,容易發(fā)生車禍。為此隧道照明通常分為入口照明,內(nèi)部照明和出口照明。其中對入口照明的要求更加嚴格,要求從與外界相仿的亮度逐漸降低。具體而言,白天隧道入口照明的亮度要根據(jù)隧道外的亮度,車速,入口處的視場和隧道的長度來確定的。
本書系統(tǒng)介紹了隧道照明的基本概念、基礎理論和研究歷程,對影響隧道照明的光學、材料學、電子學、生理學和心理學等因素進行了詳細分析,闡述了不同隧道照明燈具的光學及電氣特性、隧道入口加強照明計算方法、隧道中間段燈具配置參數(shù)對路面亮度均勻度的影響、計算機技術(shù)在隧道照明計算中的應用以及隧道照明的測量方法等,提出了提高隧道照明質(zhì)量的相關(guān)理念和措施。
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光效高優(yōu)質(zhì)高亮度LED光源
配光科學合理,滿足隧道各個路段的照明均勻度和防眩光要求
光源模塊化設計,每一塊模塊可單獨安裝拆卸,維護方便快捷,降低了一系列費用
系列產(chǎn)品種類豐富,可滿足隧道的引入段、過渡段、根本段和出口段燈四個區(qū)段照明要求
無極燈,也稱無電極燈、感應燈。是一種沒有電極和燈絲的照明設備,它通過燈管外的磁環(huán)產(chǎn)生電磁波激發(fā)燈管內(nèi)的物質(zhì)工作。例如低壓氣體無極燈內(nèi)充填的是汞蒸氣和稀有氣體的混合氣體,汞原子被電離、激發(fā)后釋放出紫外線照射到燈管壁的熒光物質(zhì)上,熒光物質(zhì)發(fā)出可見光。雖然也填充了汞,但其固汞含量要低于熒光燈。其工作頻率通常達到數(shù)百萬赫茲,遠高于普通的白熾燈和節(jié)能燈。由于省去了燈絲和電極,可以制成環(huán)形、螺旋形或管狀等各種形狀。其工作壽命可達近10萬小時,工作效率也很高。
鈉燈,是指以金屬鈉蒸氣為工作物質(zhì)的照明裝置。鈉燈的燈管內(nèi)也會充填汞和稀有氣體,但實際上起作用的是鈉蒸氣。鈉被電離、激發(fā)后會發(fā)射出589nm的黃色光線,這些光線直接用于照明,而不是像熒光燈那樣激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)出白色的可見光。
低壓鈉燈:工作時其電弧管內(nèi)的蒸汽壓為0.7~1.5帕,光近乎單色,集中在580納米和589.6納米,對人眼較敏感的黃光區(qū)域,所以發(fā)光頻率高達150流明/瓦以上,但顯色性太差,只用于不需分辨顏色的場合,特別是街道照明。
高壓鈉燈:提高納的蒸汽壓,并加入少量汞,光線的譜線更寬,所以顯色性比低壓鈉燈好,色溫為2100開,光效為72~130帕流/瓦,是道路照明的主要光源,也用于舞臺等場合的照明。
國際照明委員會將隧道入口照明分為(從隧道口開始)閾值段和過渡段。而日本的隧道照明標準中更進一步將隧道入口照明分為引入段,適應段,過渡段。閾值段是為了消除"黑洞"現(xiàn)象,讓駕駛員能在洞口辨認障礙物。隧道過渡段照明是為了避免閾值段照明與內(nèi)部基本照明之間的強烈變化而設置的照明段,其照明水平進一步逐漸下降。
當前我國高速公路路網(wǎng)正在不斷完善中,成為國家現(xiàn)代化的一個重要標志,伴隨著高速路路網(wǎng)的飛速發(fā)展,高速公路隧道照明成為人們關(guān)注的一個熱點問題。隧道照明,簡而言之就是采用光源確保隧道內(nèi)行車視線的清晰,目的是為了給駕駛?cè)颂峁┝己玫囊曈X環(huán)境,保證駕駛?cè)税踩?,快速,舒適地駕駛車輛隧道。那么如何保證隧道的照明用電穩(wěn)定呢?
利泰新電源生產(chǎn)的隧道照明用電專用穩(wěn)壓器采用補償調(diào)壓技術(shù),是解決電源問題的最佳架構(gòu), 如市電高、 低壓、電壓瞬間跌落, 減幅振蕩 , 以及浪涌電壓和諧波干流等;可以對照明供電實時監(jiān)控與跟蹤,自動干滑調(diào)節(jié)照明電路電壓,進而降低燈具和線路的工作溫度,達到節(jié)電目的;設有過載、過壓、欠壓、缺相、短路、過熱保護、防雷和故障診斷等功能;確保照明質(zhì)量和行車安全的前提下,實現(xiàn)既節(jié)省電費,又延長燈具使用壽命的效用;具有自動,手動旁路功能,一旦出現(xiàn)故障可自動切換到電網(wǎng)供電,切換過程中不會引發(fā)瞬間滅燈現(xiàn)象,保證行車安全。
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照明設施隧道照明指隧道內(nèi)的基本照明和洞口附近的緩和照明?;菊彰魇窃谒淼乐胁浚瑸楸WC以設計車速行駛的車輛和行人安全通過隧道所需要的最低照明標準。駕駛?cè)藛T由亮視場突然進入暗視場時,視覺機能有一個適應過程。為保證視覺機能的連續(xù)性,在洞外連接洞口的引道及駕駛員視野范圍內(nèi),白天需要采取遮光措施,在洞內(nèi)連接洞口的一段長度里需要進行緩和照明。同時,引道與洞內(nèi)緩和段之間的亮度變化率,應有一個界限,以保證視覺連續(xù)和暗適應的過度。緩和照明段的長度決定于停車視距或駕駛?cè)藛T的暗適應時間與設計車速的乘積。
隧道的應急設施指隧道內(nèi)發(fā)生災害性事故時,為防止釀成更大的次生性災害而設置的各種設施。如通報裝置、緊急警報裝置、消防設備以及其他設施等。通報裝置能使事故發(fā)現(xiàn)者立即在現(xiàn)場或附近向隧道管理站報告;緊急警報裝置能向后續(xù)車輛和對行車輛的駕駛者發(fā)出緊急信號;消防設備指在隧道內(nèi)設置的滅火器、消火栓和噴霧設備等;其他設施包括待避引導設備、備用電源和監(jiān)視電視等。應急設施費用頗高,只有那些重要的、交通量大的長隧道才考慮使用。
一般隧道照明的主要目的是通過提供隧道路面上物體的最大可見度,來防止事故發(fā)生,并為穿過或進入隧道的駕駛員增強安全性和舒適性。
CIE 88-“公路隧道和地下通道照明指南”為隧道照明提供了一個指導方針,是許多國家法規(guī)的基礎。它根據(jù)每一個的具體要求將隧道分成不同的區(qū)域。
首先,入口段需要非常高的亮度值,以便于駕駛員的眼睛能適應隧道中較暗的照明條件。入口段的長度由隧道中的最高限速來決定,因為越高的限速要求更長的入口段。
其次,在過渡段,路面上的亮度緩慢降低,直到達到隧道內(nèi)部區(qū)域的照明水平,從而提供從入口處到中間段平滑的適應。在入口段的前半部分中,考慮維護因子為0.67,照明約為150-300 cd/m2,而內(nèi)部區(qū)域通常限制在2-6 cd/m2。
目前公認的道路隧道照明的質(zhì)量參數(shù)包括:總體和縱向道路表面照明的均勻性(理想的是沒有頻閃)、隧道墻面的照明、避免眩光以及色溫和顯色指數(shù)。近年來,半導體技術(shù)發(fā)展,LED逐漸取代傳統(tǒng)隧道鈉燈。許多國家標準將上述參數(shù)的要求進行了更新。
新的LED定制標準
除了例如瑞士ASTRA(BundesamtfürStra?en)提出的規(guī)定之外,奧地利ASFINAG的計劃手冊(PLaPB 800.562)是首個專門針對LED隧道照明系統(tǒng)的標準之一。
這個標準將集群引入到不同的隧道照明類別中,不僅詳細說明了每個集群的不同照明要求,而且還規(guī)定了從18米(集群標準)到連續(xù)照明帶之間燈具的不同距離。而且它還對能源效率、照明顏色及顯色性作了不同的要求。
雖然顯色性在隧道照明中似乎不是最重要的指數(shù),但是鑒于道路隧道內(nèi)不同信號顏色的數(shù)量不斷增加,對于司機來說,快速區(qū)分黃色和紅色、或藍色和綠色至關(guān)重要。
而且,與傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)相比,LED系統(tǒng)的優(yōu)勢還體現(xiàn)在真正的彩色照明、高光效和高效的透鏡分布。LED系統(tǒng)可以在隧道內(nèi)部和入口區(qū)域提供模擬調(diào)光,從而消除了關(guān)閉整組燈具引起的路面亮度均勻性問題。
目前的LED隧道系統(tǒng)已經(jīng)變成智能解決方案,可以將燈具的當前狀態(tài)與司機實現(xiàn)交流。但是,關(guān)于將支援和控制電子設備需要在哪里集成,仍然在討論中。一些隧道市場要求在燈具內(nèi)安裝智能驅(qū)動,而另一些則要求將所有電子設備安裝在隧道內(nèi)的維護間或入口處的控制建筑內(nèi)。這兩種解決方案都有優(yōu)點,后者減少了維護工作。
基本上,在德國、奧地利以及瑞士,隧道燈具的一般特性和要求從CRI 20-30的鈉燈轉(zhuǎn)變?yōu)镃RI為70甚至80、4000 - 4500 K的LED,甚至一些目前的項目需要功效甚至超過110 lm/W、系統(tǒng)壽命大于80,000小時(在此期間失敗率少于10%)的系統(tǒng)。
圖1 隧道亮度的適應曲線
燈具規(guī)格之外的要求
但是一些要求,盡管很重要,單靠照明設備是不能滿足的。特別是早期的LED燈具比傳統(tǒng)的燈具更耀眼,因此避免眩光就變得越來越重要。
一些規(guī)定已經(jīng)要求閾值增量為8%甚至只有6%,因為較低的閾值增量意味著較少的眩光。閾值增量是光幕亮度與路面亮度的相對關(guān)系,越低的光幕亮度或較高的路面亮度都能減少眩光。光幕亮度本身取決于燈具的光通量和光分布。
燈具制造商可以開發(fā)出能最大限度提高路面亮度、同時還可以提供相對較低的光幕亮度的燈具,但是有一個關(guān)鍵因素是無法控制的。這就是路面的亮度系數(shù)q0,它決定了照度(lx)和亮度(cd/m2)之間的關(guān)系。根據(jù)路面等級,亮度系數(shù)通常在0.05和0.07之間變化。所以,q0可以改變道路上的亮度值約30%。反過來,燈具的光通量必須增加30%,這樣會導致更高的光幕亮度和更高的閾值增量。
圖2 舒適的隧道照明集群
圖3 連續(xù)的隧道照明集群
功效要求及如何實現(xiàn)
一個有意義、但不一定能達到預期結(jié)果的要求就是發(fā)光效率,即lm / W。該值完美地描述了LED的效率,更高的發(fā)光效率代表更高的能源效率。對于所有具有對稱光分布的隧道燈具來說,情況也是如此,這普遍適用于隧道的內(nèi)部區(qū)域。由于市場上不同光學系統(tǒng)的透射率值差不多,幾乎接近90%,而且光分布也提供了類似的路面亮度,因此發(fā)光效率是確定整個燈具能效的最佳選擇。但是,入口段和過渡區(qū)的燈具呢?
通常,這些燈具會配備反光元件,可以將光線以非常水平的角度反射給駕駛員。
與對稱光分布的燈具相比,反光的燈具提供了更好的亮度值。因此,反光的燈具在過去一直是隧道入口區(qū)的選擇,既經(jīng)濟又高效。但是,這些燈具只能用于入口段和過渡區(qū)域,因為在這些區(qū)域,燈具距離較小。在中間段,反光的燈具在8-15m的照明距離會產(chǎn)生太多的眩光,同時也產(chǎn)生光線的均勻性問題。
如圖4所示,反光燈具的峰值強度處于60°以上的垂直角度,更重要的是,光線幾乎全部分布在一個方向上。這種“光線彎曲”會導致反射損失,從而降低透射率,導致燈具的發(fā)光效率降低。對于入口段和過渡段的燈具來說,發(fā)光效率值并未考慮在內(nèi)。假設相同流明輸入的情況下,60°以上峰值的反光燈具會在路面上產(chǎn)生相當高的亮度值,而55°的會小,盡管后者可能具有更高的透射率值和更高的發(fā)光效率。
圖4 反射光線分布
圖5 對稱的光分布
這里還需要注意的是,在垂直角度更高處具有峰值強度的燈具不一定會產(chǎn)生更多的眩光。
因此,具體的表面功率密度更適于描述和要求隧道入口照明的能量效率,其包括已知的亮度值、入口段和過渡區(qū)的長度、以及所有安裝的入口(反光)燈具的功耗。
結(jié) 論
幾乎所有LED燈具的新標準都朝著正確的方向前進,會讓照明質(zhì)量穩(wěn)步提升,當然也會讓燈具更安全、更高的能源效率和更可持續(xù)性。
目前最先進的高科技照明燈具,由高檔技術(shù)玻璃制成,可在8-12米的燈具距離內(nèi)提供超過0.95的縱向均勻度。這意味著行車道中間的亮度值在隧道中幾乎不會發(fā)生變化,從而實際上消除了路面上的所有頻閃。
最新一代的燈管系統(tǒng)可提供高達125流明/瓦的功率,并將駕駛區(qū)內(nèi)的燈具與維護室內(nèi)的電源和控制電子設備完全分開。但是,還要面臨一些挑戰(zhàn),不僅是技術(shù)上,而且法規(guī)也在不斷發(fā)展中。