地鐵車站照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究

程明

摘 要：對車站的智能照明和直流照明進(jìn)行研究，并對地鐵照明系統(tǒng)的節(jié)能問題進(jìn)行探討。照明系統(tǒng)不僅可以起到照亮及裝飾車站的效果，還可以影響乘客的情緒和客運的安全。設(shè)計不僅要滿足車站基本運行功能如照度和功率密度等基本要求，還應(yīng)設(shè)計出滿足乘客安全和感覺舒適的車站照明。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；節(jié)能；智能照明；直流照明；LED

中圖分類號：TU8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）07-0096-03

0 引言

同時地鐵車站的建設(shè)規(guī)模非常龐大，站內(nèi)各種用電設(shè)備種類繁多、數(shù)量多，用電能耗非常大。一座標(biāo)準(zhǔn)的地鐵車站的用電負(fù)荷的能耗比例如下：弱電系統(tǒng)占2%～3%，門梯系統(tǒng)占4%～5%，環(huán)控系統(tǒng)占24%～30%，照明系統(tǒng)占10%～12.5%，牽引供電系統(tǒng)占50%～60%，其中非牽引能耗占比為占40%～50%。在非牽引能耗占比中，照明負(fù)荷用電量僅次于環(huán)控負(fù)荷。如果不采取有效的節(jié)能措施，那么電能的損耗是一種很大的浪費。

查閱了相關(guān)文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)世界各國不少學(xué)者和研究人員對地鐵的節(jié)能進(jìn)行了相關(guān)研究。盧海洋、尹華等對地鐵車站節(jié)能現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，對比不同技術(shù)和裝置的節(jié)能效果，指出當(dāng)前地鐵車站節(jié)能存在的問題及未來的發(fā)展趨勢[1]。帥品格研究了地鐵車站照明系統(tǒng)節(jié)能研究與應(yīng)用，提出了地鐵車站照明節(jié)能方面存在的問題，并對關(guān)鍵位置設(shè)置應(yīng)急照明，充分利用廣告照明，改善照明燈具布局和控制方法等具體節(jié)能措施進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和說明[2]。許瓊果等研究了軌道交通直流照明系統(tǒng)各部分在實際應(yīng)用中存在的優(yōu)缺點，從直流照明系統(tǒng)的整流方案、電氣保護(hù)設(shè)備、照明驅(qū)動電路、運行可靠性、接口類型等方面進(jìn)行多方面的論述，并提出了未來軌道交通直流照明系統(tǒng)在故障診斷、健康狀態(tài)評估以及完善標(biāo)準(zhǔn)方面提出新的研究方向[3]。

地鐵照明負(fù)荷主要分為正常照明、應(yīng)急照明和廣告照明。應(yīng)急照明為一級負(fù)荷，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或市電斷電等緊急情況下，能自動切換到后備電源供電，為站內(nèi)人員疏散和應(yīng)急事件處置提供照明。

地鐵的正常照明主要為正常運營和人員檢修作業(yè)等提供照明，當(dāng)車站發(fā)生火災(zāi)的時候通過消防切非切除正常照明電源。廣告照明為三級負(fù)荷，主要為公益廣告和商業(yè)等提供照明。目前廣州地鐵正在推廣采用智能照明和直流照明等照明新技術(shù)。

1 智能照明

智能照明是利用電力載波通訊技術(shù)、嵌入式計算機智能化信息處理、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、節(jié)能控制技術(shù)以及等有線/無線通訊技術(shù)組成的照明控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對照明設(shè)備的智能化控制。每個車站設(shè)置一套智能照明控制系統(tǒng)。智能照明控制系統(tǒng)主要由主機、調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、網(wǎng)關(guān)及面板、通信網(wǎng)絡(luò)、照度傳感器、紅外傳奇器以及其他功能和應(yīng)用軟件。智能照明輸出單元主要由開關(guān)控制模塊和調(diào)光控制模塊組成。開關(guān)控制模塊依據(jù)總線控制信號，由內(nèi)部繼電器控制各回路的通斷。調(diào)光控制模塊控制輸出電壓平均幅度，調(diào)節(jié)光源亮度，通常都具備開關(guān)功能。

系統(tǒng)單元主要由供電、總線、交換機、PC管理機等部分組成。電源模塊用于給系統(tǒng)中各控制模塊供電，保證正常工作。各類交換機實現(xiàn)不同通信標(biāo)準(zhǔn)間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。PC機通過計算機上的控制軟件，實現(xiàn)對整個照明系統(tǒng)的控制與監(jiān)測。

智能照明控制系統(tǒng)能對大多數(shù)LED燈具進(jìn)行智能調(diào)光，在地鐵車站內(nèi)公共區(qū)和設(shè)備區(qū)大量使用LED光源，通過智能照明可以對特定地方，在特定時間對照明進(jìn)行調(diào)光。采用智能照明控制技術(shù)將有助于車站照明的智能控制和節(jié)能，一般可以節(jié)約20%～40%的電能，從而有效減輕了供電的壓力。

智能照明可按照不同的區(qū)域、不同的運營時段、不同的客流量等不同需求設(shè)置照明模式。通過智能照明控制系統(tǒng)，可進(jìn)行時間控制。車站的照明模式表可分為白天正常模式、夜間正常模式、白天節(jié)電模式、夜間節(jié)電模式、火災(zāi)模式、停運模式等不同的模式，采用不同模式控制車站內(nèi)各個區(qū)域的開啟的照明數(shù)量和亮度。正常照明模式是公共區(qū)的工作照明、節(jié)電照明和廣告照明全開。節(jié)電模式是關(guān)閉工作照明和廣告照明，只開啟節(jié)電照明。公共區(qū)的應(yīng)急照明處于常亮狀態(tài)。智能照明系統(tǒng)處于全自動控制，工作人員可以隨時靈活更改所有控制程序。

2 直流照明

直流照明系統(tǒng)是指采用直流供配電的照明系統(tǒng)。直流照明目前已經(jīng)在市政道路照明、軌道交通、城市隧道等場景中應(yīng)用。直流照明系統(tǒng)從配電到末端燈具均為直流，因此系統(tǒng)中的電源、燈具、線路等均需滿足直流配電要求。直流照明系統(tǒng)通常包括直流電源總控制柜、配電線路、燈具及附屬裝置，根據(jù)實際需要可配置直流電源分配電箱（柜）和監(jiān)控系統(tǒng)[4]。

軌道交通照明系統(tǒng)采用直流供電方式有以下5點技術(shù)優(yōu)勢：①直流供電線路與大地隔離，可防止故障電流與大地形成回路，安全性較高。②照明燈具采用的大部分為LED照明燈具，燈具不需要整流模塊，通過在變電所內(nèi)設(shè)置有源濾波裝置，大幅減少了諧波含量，有利于照明節(jié)能。③直流照明無交流頻閃，照明質(zhì)量更優(yōu)，乘客乘車更加舒適。④直流配電采用兩芯線供電，減少了電線和電纜的投資，不存在相序問題，便于智能控制。⑤直流照明線路中無電抗損耗，不需要無功補償。

目前地鐵新線建設(shè)中有2種軌道交通直流照明系統(tǒng)方案：一種是在0.4 kV低壓開關(guān)柜室的每段母線設(shè)置一面整流柜，使用模塊化的整流裝置集中整流。將交流電整流成直流后接入照明配電室，在照明配電室對照明進(jìn)行控制。另一種是分散的整流方案，即將交流電從變電所接入照明配電室。這種方案可不改變0.4 kV低壓開關(guān)柜的系統(tǒng)型式，在各照明配電室內(nèi)的照明配電箱中設(shè)置整流裝置，實現(xiàn)集中整流、配電、控制和監(jiān)測。

2.1 0.4kV低壓開關(guān)柜室集中整流方案

目前在軌道交通的變電所低壓柜設(shè)計中，一般將整流裝置設(shè)計于低壓柜中，將交流電整流為直流電之后再分配至各照明配電室。變電所集中整流系統(tǒng)圖如圖1所示。

軌道交通直流照明利用集中式供電方案，在變電所內(nèi)開關(guān)柜中安裝整流裝置，便于變電所集中諧波治理，可以提高檢修作業(yè)的獨立性，提升軌道交通照明系統(tǒng)的可靠性和靈活性。目前，在廣州、深圳等地鐵線路中采用了集中式整流照明供電方案。

廣州地鐵8號線東延線的照明配電采用變電所集中整流方案，將集中式照明整流柜設(shè)置在車站地下二層0.4 kV變電所內(nèi)，在0.4 kV變電所內(nèi)每段母線上設(shè)置APF有源濾波裝置進(jìn)行諧波處理。通過0.4 kV變電所的電纜連接到車站的照明配電室的直流照明配電箱，最后配電至末端的LED燈具。設(shè)備區(qū)照明的LED燈具采用耐火或阻燃電線，車站公共區(qū)照明采用直流母線配電，以便于調(diào)光。直流LED燈具無頻閃，對電網(wǎng)無諧波污染，燈具壽命長，整體光效高，光衰小，成本低。

2.2 分散式整流照明供電方案

分散整流方案就是在照明配電室的照明配電箱中設(shè)置整流配電裝置實現(xiàn)整流。通過0.4 kV低壓開關(guān)柜室引出交流電源，到照明配電室中的直流集中整流柜，從直流集中整流柜，引電至公共區(qū)照明配電總箱和設(shè)備區(qū)照明配電箱。不同于0.4 kV變電所集中整流，該方案是在照明配電室設(shè)置直流照明整流柜，將交流電整流為直流電，再分配到末端的照明配電箱和LED燈具。

分散整流方案缺點在于每面整流柜需要1 m寬，可能需要照明配電室增加面積，土建的投資可能相應(yīng)需要增加。廣州地鐵12號線照明配電采用了分散式整流照明供電方案，在站廳和站臺的A、B兩端照明配電室分別安裝了直流配電箱。由0.4 kV低壓開關(guān)柜室提供的交流電源，經(jīng)過照明配電室的直流照明整流柜的AC/DC整流模塊輸出直流電源，為設(shè)備區(qū)、公共區(qū)、出入口的LED燈具提供直流電。分散整流照明供電方案如圖2所示。

3 照明設(shè)計的節(jié)能問題

在進(jìn)行施工圖設(shè)計時，設(shè)計師可以從以下兩點考慮照明系統(tǒng)的節(jié)能問題。第一，應(yīng)急照明和節(jié)電照明都應(yīng)合理設(shè)置在所有關(guān)鍵位置，在上下樓梯和自動扶梯處、出入口、閘機、屏蔽門等關(guān)鍵位置應(yīng)重點考慮設(shè)置應(yīng)急照明。第二，要充分利用站內(nèi)運營的廣告照明，否則將會造成廣告照明照度的浪費。通過對公共區(qū)照明的合理布局，最大限度地減少一般照明的開啟數(shù)量或開啟亮度，達(dá)到最大節(jié)能的目的。

設(shè)備房間照明通常由就地翹板開關(guān)控制，房間內(nèi)燈具數(shù)量若超過2個，要考慮設(shè)置多聯(lián)開關(guān)對照明進(jìn)行控制，運營人員可以通過手動開啟或關(guān)閉一定數(shù)量的燈具，達(dá)到節(jié)能的目的。設(shè)備區(qū)的應(yīng)急照明在應(yīng)急模式下由FAS強啟，此時開關(guān)無法控制燈具。在以往的設(shè)計中，走廊的照明燈都是采用就地翹板開關(guān)控制的，采用智能照明后，通過設(shè)置在走廊的控制面板可以實現(xiàn)設(shè)備區(qū)走廊照明的智能控制，提高了管理水平，減少了維護(hù)費用。

目前新建地鐵的照明燈具絕大多數(shù)使用的是LED燈具，LED燈具有以下8個優(yōu)點：①LED燈發(fā)光效率高。與熒光燈相比可以達(dá)到30%～50%的節(jié)能效果。②LED燈具使用壽命長，壽命可達(dá)50000 h，且體積小，可以大大降低燈具的維護(hù)費用。③安全可靠性高，發(fā)熱量低，無熱輻射。④為全固體發(fā)光體，不含汞有利于環(huán)保。⑤響應(yīng)時間短，起點快捷可靠。⑥防潮、耐低溫，抗振動。⑦調(diào)光方便，結(jié)合地鐵的智能照明和綜合監(jiān)控技術(shù)可實現(xiàn)自動調(diào)光，滿足節(jié)能和照度調(diào)節(jié)的需要。⑧LED光源尺寸小，為定向發(fā)光，便于燈具配套和提高燈具效率[6]。

4 結(jié)束語

目前在照明領(lǐng)域各種新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，不管采用哪種照明技術(shù)，設(shè)計師都需要嚴(yán)格按照規(guī)范中對照度和功率密度的要求進(jìn)行照明設(shè)計。根據(jù)《城市軌道交通照明》GB/T 16275-2008，設(shè)計應(yīng)滿足8.1、8.2中的關(guān)于城市軌道交通節(jié)能的要求。地鐵中各場所的照明功率密度值應(yīng)符合《城市軌道交通照明》GB/T 16275-2008中的規(guī)定，同時需要滿足規(guī)范中關(guān)于城市軌道交通各類場所正常照明的標(biāo)準(zhǔn)值的照度要求。照明光源的選擇應(yīng)符合規(guī)范中4.2的要求。照明燈具應(yīng)滿足4.3的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧海洋，尹華，郭華芳.地鐵車站節(jié)能研究現(xiàn)狀[J].新能源進(jìn)展，2019，7（4）：333-345.

[2] 帥品格.地鐵車站照明系統(tǒng)節(jié)能研究與應(yīng)用[J].低碳世界，2020，10（6）：153-154.

[3] 許瓊果，劉光偉，周斌.軌道交通直流照明系統(tǒng)研究綜述[J].廣東電力，2023，36（1）：20-28.

[4] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程T/CECS 705-2020[S].2020.

[5] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.城市軌道交通照明：GB/T 16275-2008[S].

[6] 北京照明學(xué)會照明設(shè)計專業(yè)委員會.照明設(shè)計手冊：第3版[M].北京：中國電力出版社，2016.