智能功率模塊在公路隧道照明中的應(yīng)用

周 宏 福

(山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006)

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智能功率模塊在公路隧道照明中的應(yīng)用

周 宏 福

(山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006)

在傳統(tǒng)公路隧道照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加裝了智能功率模塊節(jié)能設(shè)備，并計(jì)算分析了IPM節(jié)能設(shè)備的使用效果和節(jié)電率，指出該節(jié)能設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)了按需照明的目標(biāo)，達(dá)到了節(jié)能減排的要求。

隧道，照明系統(tǒng)，IPM，節(jié)能設(shè)備

0 引言

隨著全國公路里程的不斷增加，公路隧道的數(shù)量越來越多，隧道照明系統(tǒng)的作用也顯得更加重要，它為廣大汽車駕駛?cè)藛T提供安全、舒適行車環(huán)境的同時(shí)，也成為隧道機(jī)電中能耗較大的一個(gè)系統(tǒng)。

按需照明一直是照明科技領(lǐng)域追求的理想形式，由于傳統(tǒng)光源亮度難以控制，而設(shè)計(jì)時(shí)又必須考慮足夠的設(shè)計(jì)冗余，因此公路隧道普遍存在過度照明、電能浪費(fèi)巨大的現(xiàn)象，過度照明能耗高達(dá)50%以上。本文通過在原有隧道照明系統(tǒng)中加裝智能功率模塊(IPM)節(jié)能設(shè)備來實(shí)現(xiàn)隧道的按需照明，達(dá)到節(jié)能減排的目的，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 隧道照明現(xiàn)狀

山西省內(nèi)某高速公路隧道雙車道單向交通，左洞全長1 160 m，右洞全長1 285 m，原照明系統(tǒng)采用照度反饋控制，根據(jù)外界環(huán)境的照度，采用分級(jí)調(diào)光方式，分為晴天/云天/陰天/重陰天/夜間/深夜6個(gè)回路來調(diào)節(jié)燈具的開閉，這種方法只分到6級(jí)，即白天4級(jí)，夜晚2級(jí)。這種簡單分級(jí)方式存在較為嚴(yán)重的過度照明，造成照明電能的較大浪費(fèi)。

根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》，入口段亮度可按式(1)計(jì)算：

Lth1=k×L20(S)

(1)

其中，Lth1為入口段亮度，k為入口段亮度折減系數(shù)，L20(S)為洞外亮度[1]。在隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，要求按照夏天中午時(shí)的最大洞外亮度取值，進(jìn)行加強(qiáng)照明的亮度計(jì)算，并考慮到足夠的冗余，以確保運(yùn)營期間的每一天且燈具的亮度衰減到額定值的下限時(shí)，洞內(nèi)照明強(qiáng)度依舊能夠滿足規(guī)范要求。

在實(shí)際運(yùn)營期間，洞外亮度會(huì)隨著季節(jié)、天氣和時(shí)辰等因素的變化不停的變化，即式(1)中的L20(S)時(shí)刻在變化，它會(huì)從幾十坎德拉變化到幾千坎德拉。L20(S)變化了，Lth1也應(yīng)隨之變化，這種照明方式才是合理的。如果L20(S)變化而Lth1不變或者僅簡單

地分幾個(gè)等級(jí)進(jìn)行變化，都會(huì)造成巨大的電能浪費(fèi)[2]。圖1表示出了白天隧道洞外亮度的變化情況。

2 原有照明系統(tǒng)加裝IPM節(jié)能設(shè)備

2.1 IPM節(jié)能設(shè)備安裝方案

針對(duì)該高速公路隧道照明系統(tǒng)的實(shí)際情況，加裝IPM節(jié)能設(shè)備來解決白天亮度控制粗放，浪費(fèi)電能的問題。

1)在不改造現(xiàn)有柜體的情況下進(jìn)行改造。在不改動(dòng)現(xiàn)有柜體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，需要將隧道的2個(gè)照明開關(guān)柜下面主回路的每個(gè)支路配電箱(除了EPS和UPS之外)下安裝一套IPM節(jié)能設(shè)備，如圖2，圖3所示。

2)對(duì)現(xiàn)有柜體進(jìn)行部分改造的情況下進(jìn)行改造?？紤]到空間限制或者設(shè)備使用效率等問題，可以對(duì)現(xiàn)有照明開關(guān)柜的主配電回路進(jìn)行部分改造，把能合并的幾個(gè)回路合并成一個(gè)大的支路，送至IPM后再由IPM根據(jù)需要進(jìn)行回路再分配，如圖4，圖5所示。

2.2 IPM節(jié)能設(shè)備控制方案

根據(jù)式Lth1=k×L20(S)，洞外亮度L20(S)和入口段亮度Lth1成正比例變化，這就意味著隧道洞內(nèi)加強(qiáng)段的照明亮度是需要根據(jù)洞外的自然光的明暗變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整的。實(shí)際設(shè)計(jì)中由于考慮到使用系數(shù)0.9和維修系數(shù)0.7，導(dǎo)致在白天的照明投入功率過高，達(dá)到夏至正午最高亮度所需功率的1/0.9/0.7=1.58倍，造成了電能的大量浪費(fèi)，該隧道屬于新開通的隧道，這種照明功率浪費(fèi)的情況尤為嚴(yán)重，白天照明預(yù)計(jì)能達(dá)到60%左右。加裝了IPM節(jié)能設(shè)備后，將會(huì)使得隧道內(nèi)照明所需的亮度與洞外亮度檢測儀檢測到的自然光線進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配，無極調(diào)光，按需照明，去除晴天/陰天/云天/重陰天的檔位變化，只保留白天/夜晚兩個(gè)檔位。白天根據(jù)洞口的自然光線進(jìn)行無極調(diào)光照明，夜晚分回路恒定照明。綜合節(jié)電率前兩年在理論上能達(dá)到50%左右，兩年以后，考慮燈具光衰的影響，節(jié)電率也能達(dá)到30%左右。

圖6表示出了隧道現(xiàn)有分級(jí)調(diào)光模式與加裝IPM節(jié)能裝置進(jìn)行無級(jí)調(diào)光后的調(diào)光功率、能耗對(duì)比。從圖6中可以看出，深灰色和淺灰色填充部分為隧道照明實(shí)際需要的功率，而其上部的點(diǎn)狀填充部分即為隧道照明浪費(fèi)掉的電能，由圖6可知，不加裝IPM節(jié)能設(shè)備前，隧道照明全天浪費(fèi)的電能可達(dá)到60%以上，節(jié)能空間是非常大的。

3 IPM節(jié)能設(shè)備的使用效果

1)IPM節(jié)能設(shè)備去除了30%的照明冗余。IPM通過減少照明燈具的功率，使得新燈具在照度衰減前的冗余照度得到控制(維護(hù)系數(shù)0.7)，避免隧道新開通的前兩年中燈具過亮，浪費(fèi)電能，僅這一項(xiàng)估計(jì)會(huì)在前兩年之內(nèi)綜合節(jié)電30%。

2)IPM通過對(duì)照度的控制節(jié)電。IPM根據(jù)隧道外洞外亮度調(diào)整洞內(nèi)燈具的輸出功率，達(dá)到在陰天和云天雨天節(jié)電的目的。而且因?yàn)槭钦w調(diào)節(jié)亮度，避免了原有控制方式的部分回路燈具關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生頻閃效應(yīng)，影響駕駛員的行車安全等問題出現(xiàn)。

3)IPM通過穩(wěn)壓來節(jié)電。原照明設(shè)計(jì)方案中，夜間燈具使用量減少，變壓器負(fù)載降低，出現(xiàn)變壓器供電電壓過高的情況，甚至有時(shí)電壓能升到240 V以上。在這種電壓下，燈具的壽命會(huì)大幅折減，幾乎不足額定壽命的30%，同時(shí)也會(huì)造成電能的浪費(fèi)，而IPM節(jié)能設(shè)備的穩(wěn)壓作用會(huì)保持照明電壓在夜間恒定為220 V或更低的設(shè)定電壓，達(dá)到保護(hù)燈具和節(jié)能的效果。

4)IPM減小了照明系統(tǒng)的諧波。IPM通過降壓亦可減少10%～30%的照明系統(tǒng)諧波電流，降低諧波造成的變壓器噪聲、溫升和線損及對(duì)線路內(nèi)其他設(shè)備的干擾等問題。

4 IPM的綜合節(jié)電率計(jì)算

按照山西省的歷史氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，每天晴天取8 h，陰天、云天、重陰天取4 h，夜晚和深夜各取6 h計(jì)算，則現(xiàn)有的照明電能使用情況如表1，表2所示。

表1 隧道左洞照明功耗統(tǒng)計(jì)表

表2 隧道右洞照明功耗統(tǒng)計(jì)表

由表1，表2可以計(jì)算出該隧道每年的總耗電量達(dá)到55萬度左右(注：這里沒有把鎮(zhèn)流器消耗的功率計(jì)算在內(nèi))。經(jīng)過前面的分析可知，IPM節(jié)能設(shè)備會(huì)根據(jù)洞外的自然光照條件實(shí)時(shí)調(diào)整照明功率，預(yù)計(jì)IPM節(jié)能設(shè)備投入使用后的前兩年，綜合節(jié)電率可以達(dá)到50%，兩年以后也可達(dá)到30%以上。

下面是使用IPM節(jié)能設(shè)備后對(duì)節(jié)能率的計(jì)算以及經(jīng)濟(jì)效益分析：

晴天隧道照明投入功率為：0.5×(56.2+53.8)=55 kW。

陰天隧道照明投入功率為：0.5×(35.7+33.3)=34.5 kW。

夜間隧道照明投入功率可以考慮通過IPM調(diào)光減小維護(hù)系數(shù)造成的光衰，按照節(jié)能30%計(jì)算，則實(shí)際投入功率為0.7×(18.3+19.1)=26.18 kW。

深夜隧道照明投入功率為：0.7×(10.8+10.4)=14.84 kW。

一天的耗電量為各個(gè)時(shí)段內(nèi)的功耗之和：55×8+34.5×4+26.18×6+14.84×6=824.12 kWh。

全年的耗電量為：824.12×365=300 804 kWh。

全年節(jié)能量為：548 814-300 804=248 010 kWh。

相對(duì)于未投入之前的綜合節(jié)能率為：248 010/548 814=45.2%。

按照每度電1.0元計(jì)算，每年可以節(jié)約電費(fèi)為：248 010×1.0=248 010元。

IPM節(jié)能設(shè)備總投資為36萬元左右，可知只需要不到兩年即可收回投資，如果采用第二種改造方案，設(shè)備投入費(fèi)用將會(huì)更低。在IPM節(jié)能設(shè)備使用壽命的8年內(nèi)，每年可以實(shí)現(xiàn)至少30%的節(jié)能收益。

5 結(jié)語

本文對(duì)山西境內(nèi)某高速公路隧道的照明系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能改造設(shè)計(jì)。在原有照明開關(guān)柜中增加了IPM節(jié)能設(shè)備，把原有的照明控制方式從分級(jí)調(diào)光優(yōu)化成無級(jí)調(diào)光，解決了傳統(tǒng)照明燈具的亮度不可控的問題，實(shí)現(xiàn)了隧道的按需照明，在保證行車安全的前提下，最大限度的降低了能耗。

[1] JTG/T D70/2—01—2014,公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[2] 韓 直.公路隧道LED照明調(diào)光控制技術(shù)研究[J].中國交通信息產(chǎn)業(yè)，2009(10)：99.

Application on intelligent power model in highway tunnel lighting

Zhou Hongfu

(ShanxiAcademyofTrafficScience,Taiyuan030006,China)

Based on traditional highway tunnel lighting system, the paper assembles intelligent power model energy saving equipment, calculates and analyzes using effect and energy saving rate of IPM energy saving equipment, and finally points out that: the above-mentioned energy saving equipment really realizes the goals of lighting according the need and achieves the energy saving and emission reducing demands.

tunnel, lighting system, IPM, energy saving equipment

2016-11-22

周宏福(1986- )，男，工程碩士，工程師

1009-6825(2017)04-0211-03

TU113.665

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