段洪亮

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

在國內(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)計屬于比較新穎的一個設(shè)計，既能凸顯LED燈的節(jié)能優(yōu)勢，又能提高系統(tǒng)的可靠性。

在國外，以LED為光源的節(jié)能燈在國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)的照明方案共同運用的項目。

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)計提供選擇依據(jù)。

1　節(jié)能方案設(shè)計

針對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)動電源供電的照明、LED集中驅(qū)動電源供電、照度自適應(yīng)的LED照明系統(tǒng)等照明方案進(jìn)行對比，對各方案中存在的優(yōu)缺點進(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)能效果對比，完成集中供電控制的LED節(jié)能燈對照傳統(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)動電源供電照明方案

分散驅(qū)動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，主要不同點在于將發(fā)光的熒光燈光源替換為LED光源，其余配置完全不變。此方案中每盞燈自帶驅(qū)動電源，客室燈帶分3路分別供電，每路燈帶交叉布置，每對門區(qū)間隔布置至少1盞緊急照明燈。緊急照明時，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，同時降低對蓄電池電能的消耗。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)燈帶兩端各由一臺驅(qū)動器驅(qū)動，1輛車共4臺驅(qū)動器同時驅(qū)動。每臺驅(qū)動器最大輸出功率約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，可通過由車輛給4臺驅(qū)動器的緊急信號輸入端同時輸入緊急照明信號（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可降低對蓄電池電能的消耗。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，在每個頭車的一位端和二位端分別設(shè)置了1個感光器；在每節(jié)車上設(shè)置有2個調(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個集中驅(qū)動的照明電源，每側(cè)2個并聯(lián)輸入到LED調(diào)光控制器中；調(diào)光控制器另外有3路信號輸入，分別為無級調(diào)光信號、調(diào)光屏蔽信號和緊急照明信號。

無級調(diào)光信號與控制器之間的通信采用CAN總線，一旦無級調(diào)光功能被啟用，則LED調(diào)光控制器將自動調(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)。司機可手動對無級調(diào)光信號進(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。仿真計算空間條件如圖5所示，等照度和點照度仿真如圖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)光控制器通過檢測外界的光強信息，自動調(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隨著外界光強的增大而降低，總功率會小于集中供電LED方案。

2　方案測試分析

對4種照明技術(shù)方案的單位時間能耗和照度進(jìn)行測試，計算和對比4種方案在產(chǎn)生相同光照情況下的能耗。

2.1　照度計布置

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)行照度測量，并確保4種照明方案都在相同的測點位置進(jìn)行測量。具體測點布置如圖7所示。

圖5　車輛照度仿真計算空間條件

表1　車輛照明度仿真數(shù)據(jù)匯總

圖6　車輛等照度和點照度仿真圖

2.2　傳感器布置

測試工具包括1個電壓表、1個電流表、1個數(shù)據(jù)采集器和1臺筆記本電腦。其中，電壓表用于測試照明電源輸入端電壓，電流表用于測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集成后送入筆記本電腦，并經(jīng)過計算最終得出某一節(jié)車的照明能耗。

2.3　測試持續(xù)時間

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

2.4　測試結(jié)果對比

（1）分散供電的LED燈具照明與列車熒光燈照明能耗對比如表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　測試結(jié)論

圖7　車體照度測點布置

表2　分散供電LED與熒光燈具能耗對比

表3　集中供電LED與熒光燈具能耗對比

表4　集中供電與分散供電LED燈具能耗對比

根據(jù)試驗數(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方案試驗數(shù)據(jù)對比如下：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，實際運行區(qū)間全部為隧道時，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)運行的工況（高架和隧道比率約為1∶3）對自適應(yīng)調(diào)光方案進(jìn)行測試，測得平均照度570 lx，平均功率330 W。

當(dāng)線路為全隧道時，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。其主要是因為調(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，實際沒有發(fā)揮調(diào)光的功能。

當(dāng)線路為高架加隧道時，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，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。

3　結(jié)語

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)計到仿真分析再到試驗驗證，從全過程對當(dāng)前主流的幾種照明方案的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比研究，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)果除用于地鐵項目以外，對輕軌、單軌、城際鐵路和動車等各種軌道交通車輛的照明設(shè)計都具有廣泛的參考價值。

［1］張振英.集中供電控制方式的LED照明技術(shù)在地鐵車輛上的應(yīng)用［J］．黑龍江科技信息，2014（23）：158．

［2］王慶峰.LED照明在地鐵車輛中的應(yīng)用［J］.節(jié)能,2013(5)：57.

［3］楊思甜.LED照明在地鐵節(jié)能工作中的應(yīng)用［J］.山西建筑,2010，36（2）：185.