城市軌道交通車輛照明系統(tǒng)節(jié)能方案研究

段洪亮

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司總體研發(fā)部，130062長(zhǎng)春∥高級(jí)工程師）

在國(guó)內(nèi)，近年來以LED（發(fā)光二極管）為光源的節(jié)能燈逐漸在新的城市軌道交通車輛上開始使用，但其供電及控制方案大多采用熒光燈方式。采用集中供電和根據(jù)環(huán)境照度自適應(yīng)調(diào)光控制的設(shè)計(jì)屬于比較新穎的一個(gè)設(shè)計(jì)，既能凸顯LED燈的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，又能提高系統(tǒng)的可靠性。

在國(guó)外，以LED為光源的節(jié)能燈在國(guó)外地鐵列車上已普遍使用，自適應(yīng)調(diào)光等節(jié)能控制也有出現(xiàn)，但到目前為止，尚未出現(xiàn)采用LED照明集中供電和光控技術(shù)的照明方案共同運(yùn)用的項(xiàng)目。

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展和倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、節(jié)能的理念，迫切需要一種高效、可靠、節(jié)能、環(huán)保的照明系統(tǒng)方案。本文將基于目前國(guó)內(nèi)外軌道交通車輛采用的照明系統(tǒng)方案，進(jìn)行節(jié)能效果分析，為后續(xù)軌道交通車輛照明方案設(shè)計(jì)提供選擇依據(jù)。

1　節(jié)能方案設(shè)計(jì)

針對(duì)目前在城市軌道交通車輛上普遍采用的熒光燈照明、LED分散驅(qū)動(dòng)電源供電的照明、LED集中驅(qū)動(dòng)電源供電、照度自適應(yīng)的LED照明系統(tǒng)等照明方案進(jìn)行對(duì)比，對(duì)各方案中存在的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。開展LED集中供電和根據(jù)環(huán)境照度自適應(yīng)調(diào)光控制技術(shù)的研究，進(jìn)行LED為光源的節(jié)能燈與傳統(tǒng)熒光燈的節(jié)能效果對(duì)比，完成集中供電控制的LED節(jié)能燈對(duì)照傳統(tǒng)供電方式的節(jié)能效果和可靠性分析、LED照度分布及能耗的模擬仿真及效果測(cè)試，以及根據(jù)環(huán)境照度自適應(yīng)調(diào)光控制方案的節(jié)能效果分析。

1.1　照明方案

目前，城市軌道交通車輛上采用的照明系統(tǒng)方案主要有4種。

1.1.1熒光燈照明方案

客室照明電路由2條正常照明電路和1條緊急照明電路組成。沿客室天花板縱向排列的2條燈帶由正常照明和緊急照明交叉排列組成。如果1條照明電路故障，貫穿全車廂的另1條照明電路仍可正常工作，且照明是均勻分布的。緊急照明燈具位于每個(gè)門區(qū)，能為通道以及乘客重要出入處提供照明。相關(guān)電氣連接圖如圖1所示。

1.1.2LED分散驅(qū)動(dòng)電源供電照明方案

分散驅(qū)動(dòng)電源供電的照明系統(tǒng)基于傳統(tǒng)熒光燈照明方案，與熒光燈照明相比，主要不同點(diǎn)在于將發(fā)光的熒光燈光源替換為L(zhǎng)ED光源，其余配置完全不變。此方案中每盞燈自帶驅(qū)動(dòng)電源，客室燈帶分3路分別供電，每路燈帶交叉布置，每對(duì)門區(qū)間隔布置至少1盞緊急照明燈。緊急照明時(shí)，除了由蓄電池提供DC110 V供電門驅(qū)的緊急照明，其余照明燈具皆熄滅，以保證在緊急情況下的照明需求，同時(shí)降低對(duì)蓄電池電能的消耗。相關(guān)電氣連接圖如圖2所示。

圖1　車輛熒光燈照明方案電氣連接圖

圖2　車輛LED分散供電照明方案電氣連接圖

1.1.3LED集中驅(qū)動(dòng)電源供電照明方案

整車照明采用DC110 V供電，每側(cè)燈帶分兩路照明，每側(cè)燈帶兩端各由一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，1輛車共4臺(tái)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)驅(qū)動(dòng)。每臺(tái)驅(qū)動(dòng)器最大輸出功率約150 W，整車最大照明功率不超過650 W（考慮了電源效率），整車平均照度≥350 lx。

緊急照明時(shí)，可通過由車輛給4臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的緊急信號(hào)輸入端同時(shí)輸入緊急照明信號(hào)（與正常照明電平相反的高電平或低電平），即可使整車照明自動(dòng)降低至30%輸出功率（暫定），進(jìn)入緊急照明工作狀態(tài)，在保證照明需求的同時(shí)可降低對(duì)蓄電池電能的消耗。相關(guān)電氣連接圖如圖3所示。

圖3　車輛LED集中供電照明方案電氣連接圖

1.1.4LED集中供電及自適應(yīng)照明方案

該方案在1.1.3方案的基礎(chǔ)上增加了感光器和調(diào)光控制器。其中，感光器位于每列車兩端，在每個(gè)頭車的一位端和二位端分別設(shè)置了1個(gè)感光器；在每節(jié)車上設(shè)置有2個(gè)調(diào)光控制器。調(diào)光方案的原理如圖4所示。圖4中為1輛車一側(cè)客室照明系統(tǒng)線路及設(shè)備配置，其中：每輛車仍然維持4個(gè)集中驅(qū)動(dòng)的照明電源，每側(cè)2個(gè)并聯(lián)輸入到LED調(diào)光控制器中；調(diào)光控制器另外有3路信號(hào)輸入，分別為無級(jí)調(diào)光信號(hào)、調(diào)光屏蔽信號(hào)和緊急照明信號(hào)。

無級(jí)調(diào)光信號(hào)與控制器之間的通信采用CAN總線，一旦無級(jí)調(diào)光功能被啟用，則LED調(diào)光控制器將自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出，客室照度也將隨之維持在設(shè)定的數(shù)值范圍內(nèi)。司機(jī)可手動(dòng)對(duì)無級(jí)調(diào)光信號(hào)進(jìn)行屏蔽，屏蔽后本方案將與1.1.3方案基本相同。

圖4　車輛LED集中供電照明調(diào)光方案

1.2　仿真計(jì)算

1.2.1車輛空間輸入條件

以B型地鐵列車中間車的空間條件進(jìn)行4種方案的照度仿真。仿真計(jì)算空間條件如圖5所示，等照度和點(diǎn)照度仿真如圖6所示。

1.2.2照度仿真數(shù)據(jù)分析

照度仿真數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。所有的照度模擬分析是基于沒有外界光線影響的前提下進(jìn)行的。由于LED集中供電及自適應(yīng)的照明方案屬于智能調(diào)光方案，即LED調(diào)光控制器通過檢測(cè)外界的光強(qiáng)信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出，使車廂照度維持在設(shè)定數(shù)值范圍內(nèi)，所以其所消耗的功率也會(huì)隨著外界光強(qiáng)的增大而降低，總功率會(huì)小于集中供電LED方案。

2　方案測(cè)試分析

對(duì)4種照明技術(shù)方案的單位時(shí)間能耗和照度進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算和對(duì)比4種方案在產(chǎn)生相同光照情況下的能耗。

2.1　照度計(jì)布置

按照EN 13272—2012《地鐵應(yīng)用：公共交通系統(tǒng)車輛電氣照明》標(biāo)準(zhǔn)要求，在離地板800 mm高處進(jìn)行照度測(cè)量，并確保4種照明方案都在相同的測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)量。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

圖5　車輛照度仿真計(jì)算空間條件

表1　車輛照明度仿真數(shù)據(jù)匯總

圖6　車輛等照度和點(diǎn)照度仿真圖

2.2　傳感器布置

測(cè)試工具包括1個(gè)電壓表、1個(gè)電流表、1個(gè)數(shù)據(jù)采集器和1臺(tái)筆記本電腦。其中，電壓表用于測(cè)試照明電源輸入端電壓，電流表用于測(cè)試照明燈具輸入端電流，數(shù)據(jù)采集器用于將電流和電壓信號(hào)集成后送入筆記本電腦，并經(jīng)過計(jì)算最終得出某一節(jié)車的照明能耗。

2.3　測(cè)試持續(xù)時(shí)間

測(cè)試需模擬列車的實(shí)際運(yùn)行情況，照度測(cè)試至少需要測(cè)試15 d的數(shù)據(jù)。關(guān)于能耗測(cè)試，需要模擬列車實(shí)際往返運(yùn)行情況，并持續(xù)記錄5 d。

2.4　測(cè)試結(jié)果對(duì)比

（1）分散供電的LED燈具照明與列車熒光燈照明能耗對(duì)比如表2所示。根據(jù)表2可以看出，采用分散供電的LED燈具照明節(jié)能效果是熒光燈照明的1.7倍。

（2）采用集中供電的LED燈具照明與列車靜態(tài)熒光燈照明能耗對(duì)比如表3所示。根據(jù)表3可以看出，采用集中供電的LED燈具照明節(jié)能效果是熒光燈照明的1.8倍。

（3）采用集中供電的LED燈具照明與列車采用分散供電的LED燈具照明能耗對(duì)比如表4所示。根據(jù)表4可以看出，采用集中供電的LED燈具照明相比采用分散供電的LED燈具照明，平均節(jié)能4.5%左右。

2.5　測(cè)試結(jié)論

圖7　車體照度測(cè)點(diǎn)布置

表2　分散供電LED與熒光燈具能耗對(duì)比

表3　集中供電LED與熒光燈具能耗對(duì)比

表4　集中供電與分散供電LED燈具能耗對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出，采用集中供電的的LED照明能效最高，其次是采用分散供電的LED照明，最后是采用熒光燈照明。3種照明方案能效比約為1.8∶1.7∶1。另外，自適應(yīng)調(diào)光方案與非自適應(yīng)調(diào)光的集中供電LED方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如下：普通集中供電方案的平均照度530 lx，平均功率470 W；采用自適應(yīng)調(diào)光方案，實(shí)際運(yùn)行區(qū)間全部為隧道時(shí)，平均照度390 lx，平均功率350 W；通過模擬列車在高架和隧道內(nèi)運(yùn)行的工況（高架和隧道比率約為1∶3）對(duì)自適應(yīng)調(diào)光方案進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得平均照度570 lx，平均功率330 W。

當(dāng)線路為全隧道時(shí)，采用自適應(yīng)調(diào)光方案與非自適應(yīng)調(diào)光方案的能效比約為0.99∶1，即兩種方案差別不大，反而無調(diào)光功能的方案能效比高一些。其主要是因?yàn)檎{(diào)光功能模塊本身也需要耗電，但由于始終在隧道內(nèi)工作，實(shí)際沒有發(fā)揮調(diào)光的功能。

當(dāng)線路為高架加隧道時(shí)，采用自適應(yīng)調(diào)光方案與非自適應(yīng)調(diào)光方案的能效比約為1.53∶1，此時(shí)，采用自適應(yīng)調(diào)光方案明顯比非自適應(yīng)調(diào)光的方案更有優(yōu)勢(shì)。

3　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上研究結(jié)果說明，幾種LED照明方案在照度和節(jié)能方面均優(yōu)于熒光燈照明。具體而言，使用集中供電的LED照明能效最高，其次是采用分散供電的LED燈具，最后是采用熒光燈照明。3種照明方案能效比約為1.8∶1.7∶1。對(duì)于高架和隧道混合的線路，采用自適應(yīng)調(diào)光方案，整體能效優(yōu)于采用非自適應(yīng)調(diào)光的LED照明方案。

本文研究通過從方案設(shè)計(jì)到仿真分析再到試驗(yàn)驗(yàn)證，從全過程對(duì)當(dāng)前主流的幾種照明方案的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比研究，為不同照明方案的節(jié)能性能提供了數(shù)據(jù)支撐，為后續(xù)城市軌道車輛項(xiàng)目照明方案的選擇提供了依據(jù)。研究結(jié)果除用于地鐵項(xiàng)目以外，對(duì)輕軌、單軌、城際鐵路和動(dòng)車等各種軌道交通車輛的照明設(shè)計(jì)都具有廣泛的參考價(jià)值。

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