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        基于城市隧道照明與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制的研究

        2016-05-14 15:40:43李海文
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年6期
        關(guān)鍵詞:節(jié)能控制照明通風(fēng)

        李海文

        摘 要:針對(duì)城市隧道數(shù)量不斷增加,隧道照明與通風(fēng)能耗較大,運(yùn)營(yíng)成本較高的現(xiàn)象,討論了城市隧道照明與通風(fēng)之間的關(guān)系,提出了照明系統(tǒng)與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制的思想,闡述了照明與通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成以及系統(tǒng)的控制原理與控制方式。

        關(guān)鍵詞:城市隧道;照明;通風(fēng);節(jié)能控制

        1 概述

        近幾年,隨著國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快,城市人口越來越多,城市規(guī)模越來越大,交通阻塞現(xiàn)象日益嚴(yán)重,為滿足各種出行需求,城市隧道的數(shù)量急劇增加,以某隧橋管理公司為例,僅2013至2014年,不到兩年的時(shí)間,該公司養(yǎng)護(hù)隧道就增加了11座。隨著隧道數(shù)量的增加,城市道路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用大幅攀升,其中隧道照明及通風(fēng)占據(jù)了較大的部分。

        目前,有很多專家學(xué)者對(duì)城市隧道的控制方式進(jìn)行了研究,控制方式多種多樣,但通常將照明與通風(fēng)系統(tǒng)分別進(jìn)行控制。

        照明系統(tǒng)最常見的控制方式分為時(shí)序控制與手動(dòng)控制兩種[2]。時(shí)序控制是指根據(jù)季節(jié)的不同,通過時(shí)間控制器,按照預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間開啟或關(guān)閉各回路的燈具,盡可能滿足隧道內(nèi)車輛安全通行的最低亮度需求,手動(dòng)控制是指通過人的感官,進(jìn)行手動(dòng)開啟或關(guān)閉各回路燈具。

        通風(fēng)系統(tǒng)控制方式通常分為兩種[3]:一種是正常情況下的通風(fēng)控制方案,即在隧道內(nèi)交通量數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)的數(shù)值正常時(shí),為正常隧道換氣開啟風(fēng)機(jī);另一種是在火災(zāi)情況下,根據(jù)采集到的CO、NO2濃度、能見度(VI)等數(shù)據(jù)控制風(fēng)機(jī)的開啟和關(guān)閉。

        隧道的結(jié)構(gòu)相對(duì)封閉,車輛通行引起的揚(yáng)塵及尾氣不易擴(kuò)散,使得煙塵濃度較高,這對(duì)隧道內(nèi)照明會(huì)有一定影響[4]。1987年,在布魯塞爾舉行的第十八屆國(guó)際道路會(huì)議PIARC上,隧道委員會(huì)的《技術(shù)報(bào)告》中說明了煙塵濃度和亮度要求之間的關(guān)系,見表1。

        如表1所示,隨著停車視距的增大,煙塵濃度對(duì)亮度要求的影響也隨之增大,當(dāng)停車視距為100m時(shí),如果煙塵濃度從5×10-3m-1增加到9×10-3m-1,那么亮度是原來的3倍才能滿足要求。

        隧道通風(fēng)與照明系統(tǒng)分別進(jìn)行控制,為保證照度,通常情況下隧道照明系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)會(huì)以煙塵濃度較高的點(diǎn)作為參照,使得隧道內(nèi)有些路段或時(shí)段照度過高,不但降低了隧道內(nèi)的行車舒適度,而且造成能源的浪費(fèi),不利于環(huán)保。因此,文章提出隧道通風(fēng)與照明系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制的思想[5],在保證照度與空氣質(zhì)量的前提下,改善原來粗放型的控制方式,適應(yīng)時(shí)代的需求,節(jié)約能源,減少浪費(fèi),為綠色交通助力。

        2 系統(tǒng)原理

        如前所述,隧道是一個(gè)相對(duì)封閉的空間,汽車尾氣及行駛揚(yáng)塵導(dǎo)致空氣相對(duì)污濁,對(duì)隧道照明產(chǎn)生一定的影響,同時(shí)降低行車舒適度。當(dāng)隧道內(nèi)空氣中顆粒物逐漸增多時(shí),隧道中能見度將不斷下降,為使車輛安全舒適行駛,需要增加照明功率或提高光通量。增加照明功率不但引起能耗的增加,而且當(dāng)煙霧濃度達(dá)到一定值時(shí),增加照明功率并不能滿足安全行車的能見度要求;如果保持風(fēng)機(jī)開啟來降低煙霧濃度,增加光通量,同樣會(huì)增加電能消耗。為協(xié)調(diào)照明與通風(fēng)的相互關(guān)系,下面將介紹通透率τ與能耗比ρ的概念[6]。

        2.1 通透率

        中央控制室計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)計(jì)算出來的通透率的值τ與預(yù)先設(shè)定好的閾值τ0作比較,根據(jù)結(jié)果判斷風(fēng)機(jī)的開啟與關(guān)閉及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

        2.2 能耗比

        能耗比是在CO、NO2濃度低于閾值,且能見度高于閾值,為節(jié)省能耗,在保證照度的前提下提出的。如果調(diào)整照明功率,風(fēng)機(jī)保持運(yùn)行狀態(tài)不變所需的電能為W1;如果開啟風(fēng)機(jī)或增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,保持照明功率不變所需的電能為W2。

        當(dāng)時(shí),控制計(jì)算機(jī)發(fā)出命令調(diào)整隧道照明燈具功率;當(dāng)時(shí),控制計(jì)算機(jī)發(fā)出命令開啟風(fēng)機(jī),并通過使能耗比盡可能小的方式,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

        本系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)的方法,該方法與機(jī)械節(jié)流方式相比,效率較高,節(jié)約能源。風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié)是利用變頻器改變定子的供電頻率,從而控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[7]。

        LED燈的無級(jí)控制是以0~5V的直流模擬信號(hào)形式輸出控制命令至電壓控制電流源,控制端電壓隨命令發(fā)生變化,引起輸出電流發(fā)生變化,又引起LED亮度的變化,從而控制隧道內(nèi)的照度[8]。

        3 系統(tǒng)構(gòu)成

        照明與通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)由七個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,其具體功能如圖1所示。

        通風(fēng)子系統(tǒng):該系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)采用可變頻的軸流風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)一般可通過改變安裝角度、調(diào)整轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)性能,與其他風(fēng)機(jī)相比,軸流風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、調(diào)節(jié)幅度大。

        照明子系統(tǒng):本系統(tǒng)中的照明采用LED燈,與其他光源相比,相同功率下亮度較高,使用壽命較長(zhǎng),同時(shí)其工作電流在一定范圍內(nèi)可以進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)亮度無級(jí)控制[9]。

        檢測(cè)子系統(tǒng)采用各種功能的檢測(cè)器,采集隧道內(nèi)能見度、CO與NO2濃度等數(shù)據(jù),通過車輛檢測(cè)器判斷是否有車輛通過,并采集隧道入口的光強(qiáng)度。

        信息傳輸子系統(tǒng):本系統(tǒng)的信息傳輸采用光纖環(huán)網(wǎng),其傳輸速率較高,傳輸距離較遠(yuǎn),采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),可靠性相對(duì)較好[10]。該系統(tǒng)除將經(jīng)過區(qū)域控制器預(yù)處理后的各種檢測(cè)器的數(shù)據(jù)向中心控制計(jì)算機(jī)傳輸外,還要完成中央控制計(jì)算機(jī)發(fā)出控制命令向區(qū)域控制器的傳輸。

        數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng):中央控制計(jì)算機(jī)接收并處理區(qū)域控制器傳來的數(shù)據(jù),根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序做出分析判斷,得出控制命令。區(qū)域控制若收到中央控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令,則執(zhí)行該命令,若沒有,則同樣按預(yù)先設(shè)定好的程序,對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,以控制照明燈具和風(fēng)機(jī)。

        區(qū)域控制子系統(tǒng):隧道內(nèi)的區(qū)域控制器除了要完成CO、NO2和能見度等檢測(cè)器設(shè)備采集到數(shù)據(jù)的預(yù)處理,對(duì)風(fēng)機(jī)及燈具進(jìn)行控制,還要接收中心控制計(jì)算機(jī)的控制命令并執(zhí)行,中心控制計(jì)算機(jī)的命令優(yōu)先級(jí)高于區(qū)域控制器自身處理數(shù)據(jù)得到的命令。

        中心控制系統(tǒng):該系統(tǒng)的核心部分是中心控制計(jì)算機(jī),它要接收和存儲(chǔ)區(qū)域控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,發(fā)出控制命令。

        4 控制方式

        照明與通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)為二級(jí)系統(tǒng),中央控制計(jì)算機(jī)的命令優(yōu)先級(jí)高于區(qū)域控制器的命令。中央控制計(jì)算機(jī)通過處理區(qū)域控制器傳來的檢測(cè)數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析,得出控制命令,反饋給區(qū)域控制器,區(qū)域控制器接收該命令,并優(yōu)先執(zhí)行,若區(qū)域控制器未收到中央控制計(jì)算機(jī)的命令,則根據(jù)自身內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好的程序?qū)δ芤姸葯z測(cè)器、CO檢測(cè)器、NO2檢測(cè)器等采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并做出相應(yīng)判斷,來控制區(qū)域內(nèi)的風(fēng)機(jī)與燈具。聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

        4.1 中央控制計(jì)算機(jī)控制

        中央控制計(jì)算機(jī)接收各區(qū)域控制器發(fā)出的數(shù)據(jù),并進(jìn)行一系列的分析判斷,其過程如下:

        (1)根據(jù)車輛檢測(cè)器的數(shù)據(jù)判斷是否有車輛經(jīng)過,如果沒有車輛經(jīng)過,則降低隧道內(nèi)照度到預(yù)定的值,并在保證隧道基本通風(fēng)換氣的條件下,控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行;如果有車輛經(jīng)過,則進(jìn)行下一步判斷。

        (2)通過對(duì)光敏電阻數(shù)據(jù)的分析得到光敏電阻所在區(qū)域當(dāng)前通透率,與設(shè)定好的閾值τ0進(jìn)行比較,如果通透率低于閾值,則開啟風(fēng)機(jī)或增大風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,否則結(jié)束。

        (3)當(dāng)接收到區(qū)域控制器傳來的新數(shù)據(jù),則循環(huán)執(zhí)行上述過程。

        4.2 區(qū)域控制器控制

        當(dāng)區(qū)域控制器未接收到中央控制計(jì)算機(jī)的控制命令時(shí),會(huì)根據(jù)自身內(nèi)部程序,對(duì)檢測(cè)器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,按照一定頻率進(jìn)行判斷并得出控制命令,其控制流程如下:

        (1)判斷區(qū)域控制器所控制的區(qū)域內(nèi)CO、NO2的濃度是否高于閾值,如果高于閾值則發(fā)出開啟風(fēng)機(jī)的命令,否則進(jìn)行下一步判斷。

        (2)判斷區(qū)域控制器所控制的區(qū)域內(nèi)能見度是否低于閾值,如果低于閾值則開啟風(fēng)機(jī)或提高燈具亮度,否則進(jìn)行下一步判斷。

        (3)判斷CO、NO2的濃度是否低于閾值,且能見度高于閾值,如果不能滿足該條件,則保持風(fēng)機(jī)及照明燈具的工作狀態(tài),否則進(jìn)行下一步判斷。

        (4)將能耗比ρ與1進(jìn)行比較,如果,則調(diào)整燈具的亮度;如果,則開啟風(fēng)機(jī)或調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        伴隨我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展的推進(jìn),交通需求逐漸加大,城市隧道運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)費(fèi)用大幅攀升。城市隧道照明與通風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制,將大幅降低隧道運(yùn)營(yíng)管理的能耗,延長(zhǎng)燈具及電源的使用壽命,為實(shí)現(xiàn)隧道運(yùn)營(yíng)節(jié)能環(huán)保開辟了新的途徑。

        參考文獻(xiàn)

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        [3]廖慶華.高速公路隧道聯(lián)動(dòng)控制方案討論[J].中國(guó)交通信息產(chǎn)業(yè),2006(2).

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