顧耀君

上海軌道交通4號線列車客室照明節(jié)能改造研究

顧耀君

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，201804，上海//碩士研究生）

以上海軌道交通4號線列車客室照明作為節(jié)能改造的研究對象，介紹了4號線列車客室照明系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)與4號線沿線典型運(yùn)營條件。提出了采用LED（發(fā)光二極管）燈具替代熒光燈具以及在照明控制電路中嵌入光敏節(jié)能控制器的改造方案，可實(shí)現(xiàn)4號線列車客室照明系統(tǒng)55%以上的節(jié)能率。

上海軌道交通4號線；客室照明；LED燈具；智能光敏節(jié)能控制器；節(jié)能改造

Author′s addressSchoolof Automotive Studiesof TongjiU－niversity，201804，Shanghai，China

城市軌道交通作為一種安全、快捷、舒適、環(huán)保的交通方式，逐漸成為有效解決各大城市交通擁堵問題的有效途徑。隨著上海軌道交通的快速發(fā)展，投運(yùn)列車數(shù)量逐年增加，如何有效降低軌道交通列車車載用電設(shè)備的電能消耗成為運(yùn)營企業(yè)的重大課題之一。

本文以上海軌道交通4號線列車客室照明作為節(jié)能改造的研究對象，介紹了4號線列車客室照明系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)與4號線沿線典型的運(yùn)營條件，綜合分析了不利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有關(guān)問題，提出了采用LED（發(fā)光二極管）燈具替代熒光燈具和在照明控制電路中嵌入智能光敏控制器的節(jié)能改造方案，可實(shí)現(xiàn)4號線列車客室照明系統(tǒng)55%以上的節(jié)能率。

1 客室照明LED節(jié)能替代方案設(shè)計(jì)

1.1LED光源替代傳統(tǒng)照明光源

目前，軌道交通列車的照明大部分仍采用傳統(tǒng)的熒光燈作為照明燈具，雖然其成本低廉，但發(fā)光效率低、需要配合鎮(zhèn)流器使用、維護(hù)成本高、能耗大,不符合節(jié)能減排的要求。近年來，LED作為新型的光源形式，以其壽命超長、抗衰減性、低能耗、抗震動(dòng)沖擊等優(yōu)勢，正逐漸取代傳統(tǒng)熒光燈成為軌道交通列車客室的主要照明光源。

1.2客室照明LED燈管替代改造方案

上海軌道交通4號線列車是由Tc車（帶司機(jī)室的拖車）、Mp車（帶受電弓的動(dòng)車）及M車（不帶受電弓的動(dòng)車）3種車型組成的6節(jié)編組列車，列車客室照明采用2路常用照明與1路緊急照明的布置型式，且以熒光燈作為照明光源。本文以Mp車作為研究對象（M車與M p車客室照明布置完全相同，而Tc車僅比Mp車在車廂端墻處少2根18W燈管）。Mp車客室照明布置圖如圖1所示，Mp車在車廂兩側(cè)各布置20根36W常用照明和10根36W緊急照明熒光燈管，另在車廂一側(cè)的盡頭位置安裝2根18W常用照明短燈管。6節(jié)車廂的熒光燈管的總功率為7 kW。

GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定：地鐵車輛客室內(nèi)離地板面0.8m以上的位置照度不得低于250 lx。因此，若要進(jìn)行LED燈管替換改造，必須對所選LED燈管替代后客室照度進(jìn)行核算。

4號線車輛客室照明LED替代改造方案選用國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的內(nèi)置式雙端進(jìn)電T8燈管。其中，T8W 20型燈管功率為20W，其尺寸及安裝方式與原有的36W的熒光燈管相同，光通量為2 000 lm；T8W 10型燈管功率為10W，其外形尺寸與安裝接口方式與原有18W熒光燈管相同，光通量為1 000 lm。

圖1 Mp車客室照明布置圖

1.3客室照度計(jì)算

目前，計(jì)算地鐵車輛室內(nèi)照度最常用的方法為利用系數(shù)法，其計(jì)算公式如下：

式中：

RCR——客室空間比；

a——客室寬度，m；

b——客室長度，m；

h——燈具距離工作面的高度，m；

Eav——規(guī)定表面平均照度，lx；

K——維護(hù)系數(shù)；

U——列車的利用系數(shù)；

RC——燈具透光率；

Φ——總通光量，lm/w；

A——計(jì)算照度所在的工作面面積，m2。

根據(jù)M p車車體資料可以確定a為2.8 m，b為21.88m，h為1.3m。利用式（1）可求出RCR為2.62。據(jù)RCR和客室內(nèi)頂板、墻面、地板的反射率，查利用系數(shù)表可知4號線Mp車的U為0.8，K為0.7；4號線車輛客室照明采用塑料半透明燈罩，RC可取0.6；M p車的Φ為62 000 lm/W；A為61.264m2。由公式（2）可知，Mp車客室內(nèi)照度為340 lx，滿足GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定的地鐵車輛客室內(nèi)離地板面0.8 m以上位置的照度不低于250 lx的要求；同理，Tc車和M車采用LED燈管后客室照度同樣滿足該規(guī)范的要求。

1.4節(jié)能率計(jì)算

LED燈管全部替代熒光燈管后，全列車客室照明的額定功率為3.68 kW，與熒光燈管的全車額定功率7 kW相比，節(jié)能率達(dá)到47.4%。

2 客室照明光敏控制節(jié)能改造方案設(shè)計(jì)

2.1光敏節(jié)能控制方式

除了采用LED光源替代傳統(tǒng)的熒光燈光源外，軌道交通列車客室照明的另一種主要改造方式為采用光敏控制，即根據(jù)外界照度的強(qiáng)弱對客室照明進(jìn)行開關(guān)控制或亮度調(diào)節(jié)，從而起到節(jié)能減排的作用。上海軌道交通16號線列車客室照明采用LED作為光源，可以大幅降低照明用電的能耗；其次，通過光敏控制及集中驅(qū)動(dòng)電源的方式，列車可以根據(jù)外界照度的強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)對LED燈具電流大小的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能與客室照度需求的平衡。2013年，廣州地鐵4號線列車客室照明實(shí)現(xiàn)了節(jié)能改造，采用LED燈具并設(shè)置合理的控制閾值，且根據(jù)外界照度變化自動(dòng)控制客室照明開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)電效果。綜上所述，通過采用合理的控制方式和控制策略，結(jié)合LED燈具替代改造，可以較好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

2.24號線列車客室照明控制原理

4號線列車將客室照明設(shè)計(jì)為3路獨(dú)立供電：1路為應(yīng)急照明、另外2路為常用照明。圖2為4號線客室照明控制原理圖。如圖2所示，列車采用西門子SIBAS 32系統(tǒng)控制，KLIP（執(zhí)行采集外部信號功能的遠(yuǎn)程輸入/輸出可擴(kuò)展模塊）分站收到主控端Tc車司機(jī)室發(fā)出的客室照明控制信號，通過SIBAS 32總線傳輸至車輛控制單元（VCU），再通過SIBAS 32總線控制每節(jié)車的KLIP電源模塊，輸出電源接通常用照明控制接觸器，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制客室常用照明。應(yīng)急照明則是由硬線控制，直接由照明控制旋鈕開關(guān)給出的接通信號使接觸器得電或失電。

圖2 4號線客室照明控制原理圖

2.3客室照明光敏節(jié)能控制改造電路設(shè)計(jì)

圖3為4號線列車客室照明光敏節(jié)能控制改造電路圖。由圖3可知，模式轉(zhuǎn)換開關(guān)52-S02、光敏節(jié)能控制器52-A101以及隔離二極管V01和V02為光敏節(jié)能控制改造增加的部件。光敏節(jié)能控制對象為KLIP分站41-A101采集的照明控制信號。光敏節(jié)能控制器52-A101內(nèi)部由光敏三極管T檢測外界光照強(qiáng)度，發(fā)出控制客室照明開關(guān)的控制指令，即導(dǎo)通或關(guān)斷場效應(yīng)管（MOSFET）K1或K2。光敏節(jié)能控制器需在激活司機(jī)室有效，故在其工作電源前串聯(lián)司機(jī)室激活繼電器22-K153常開觸點(diǎn)。

在自動(dòng)模式下，司機(jī)啟動(dòng)列車并激活司機(jī)室主控制器，22-K153繼電器觸點(diǎn)閉合。列車客室照明模式轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇在“自動(dòng)”檔即13/14觸點(diǎn)閉合，光敏節(jié)能控制器52-A101得電工作。司機(jī)通過自復(fù)位旋鈕開關(guān)52-S01打開應(yīng)急照明與常用照明后，常用照明由52-A101控制，即照度大于預(yù)設(shè)的節(jié)能控制閾值，K1關(guān)斷、K2接通，關(guān)閉常用照明。反之，則K1接通、K2關(guān)斷，打開常用照明。

為了保證列車客室照明安全需求，無論外界照度如何須始終保持應(yīng)急照明常開。因此，在KLIP分站信號輸入端加裝隔離二極管V01與V02，光敏節(jié)能控制器信號不參與應(yīng)急照明控制。另外，如果光敏節(jié)能控制器失效，可將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)52-S02轉(zhuǎn)換至“手動(dòng)”模式即13/14觸點(diǎn)斷開，恢復(fù)列車客室照明的原有控制方式。

2.4光敏節(jié)能控制策略

由于正線上列車運(yùn)營的位置不同，環(huán)境照度隨之頻繁變化。因此，需要通過抓住各關(guān)鍵位置照度變化的特征，確定節(jié)能控制實(shí)時(shí)監(jiān)測的參數(shù)及設(shè)定控制閾值，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。從正線采集的照度數(shù)據(jù)分析中可發(fā)現(xiàn)，根據(jù)照度大小及持續(xù)時(shí)間可判斷列車所處的運(yùn)營位置或工況。且根據(jù)實(shí)測的正線照度的變化規(guī)律，可以制定有效的節(jié)能控制策略：

（1）4號線列車在照度條件較好的白天運(yùn)行在地面線路上時(shí)，僅打開客室緊急照明即可保證最低的照度要求，即照度大于節(jié)能控制照度閾值時(shí)可進(jìn)行節(jié)能控制；列車在駛?cè)氲孛嬲九_(tái)過程中，照度明顯下降，且持續(xù)時(shí)間較短，為保證乘客的視覺舒適度，通過設(shè)置延時(shí)保持客室常用照明關(guān)閉。

（2）當(dāng)列車駛?cè)胨淼篮?，照度短時(shí)內(nèi)下降至較低照度，此時(shí)需要立即關(guān)閉節(jié)能信號，打開客室常用照明；當(dāng)列車進(jìn)入地下站臺(tái)過程中，照度明顯上升，但未達(dá)到可以進(jìn)行節(jié)能控制的照度閾值。因此整個(gè)地下線路運(yùn)營過程中無需進(jìn)行節(jié)能控制。

（3）當(dāng)列車駛出隧道時(shí)，由于車身完全駛出需要一定的時(shí)間，因此即使照度達(dá)到節(jié)能控制照度閾值，也需進(jìn)行延時(shí)控制，從而保證列車完全駛出隧道后再關(guān)閉常用照明。

圖3 4號線列車客室照明光敏節(jié)能控制改造電路圖

（4）列車節(jié)能控制中需忽略列車短時(shí)通過沿線建筑或高架橋時(shí)照度降低的影響。同時(shí)，對極端天氣造成的照度下降，需能夠辨別并做出應(yīng)對。

圖4為照度-時(shí)間曲線與常用照明控制信號關(guān)系圖。從圖4可看出，“ON 1”時(shí)間段內(nèi)，客室常用照明控制信號為“1”，即開啟狀態(tài)。列車從照度低于L1的隧道內(nèi)駛出到地面區(qū)間后，此時(shí)光敏節(jié)能控制器檢測到照度大于節(jié)能控制閾值L3并持續(xù)t1之后輸出關(guān)閉客室常用照明信號，即控制信號為“0”。

“OFF 1”時(shí)間段內(nèi)，由于地面區(qū)間的照度滿足節(jié)能控制條件，故客室常用照明控制信號為“0”，即關(guān)閉狀態(tài)。列車在經(jīng)過高架橋等建筑時(shí)，照度出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)低于L1的現(xiàn)象，通過設(shè)置延時(shí)t2，可保持客室常用照明控制信號為“0”。同時(shí)，列車駛?cè)氲孛嬲九_(tái)時(shí)出現(xiàn)照度的短時(shí)下降，亦通過L2和t3的設(shè)置保持客室常用照明控制信號輸出為“0”。當(dāng)光敏節(jié)能控制器檢測到天氣變化引起的照度明顯下降至L2并持續(xù)t3之后，客室常用照明控制信號輸出為“1”。

“ON 2”時(shí)間段內(nèi)，外界照度恢復(fù)到大于節(jié)能控制閾值L3且持續(xù)t1之前客室常用照明控制信號保持為“1”。

“OFF 2”時(shí)間段內(nèi)，列車從地面區(qū)間駛?cè)胨淼?，即光敏?jié)能控制器檢測到照度低于L1并持續(xù)t2之前，客室常用照明保持關(guān)閉信號。

“ON 3”時(shí)間段內(nèi)，列車駛?cè)胨淼篮蠊饷艄?jié)能控制器檢測到照度低于L1并持續(xù)t2以上，客室常用照明控制信號為“1”。

因此，選擇合適的光敏節(jié)能控制器，可實(shí)現(xiàn)上述節(jié)能控制策略，能更好地適應(yīng)4號線復(fù)雜的照度變化環(huán)境、保證客室的照度要求、實(shí)現(xiàn)客室照明節(jié)能目標(biāo)。

2.5節(jié)能率計(jì)算

上海軌道交通4號線是一條環(huán)狀線路，總運(yùn)營里程為33.8 km，其中地面線路長度為13.3 km，占總里程的39.3%。根據(jù)4號線運(yùn)營圖安排，4號線列車在地面線路上行駛的時(shí)間占全線總行駛時(shí)間的比例為40%。理論上，客室照明經(jīng)過光敏節(jié)能控制改造后可實(shí)現(xiàn)40%的節(jié)能率。但是，由于夜間運(yùn)營及天氣變化等因素造成的外界照度低于節(jié)能控制閾值的時(shí)間段內(nèi)，客室照明無法實(shí)現(xiàn)光敏節(jié)能。根據(jù)運(yùn)營列車試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，4號線列車光敏節(jié)能的實(shí)際節(jié)能率為28%。

圖4 照度-時(shí)間曲線與常用照明控制信號示意圖

3 結(jié)語

本文根據(jù)上海軌道交通4號線列車及其線路運(yùn)營的特點(diǎn)，通過采用LED光源、開發(fā)智能化光敏節(jié)能控制器、進(jìn)行客室照明電路節(jié)能改造等方法，在保證客室照度要求的前提下實(shí)現(xiàn)了很好的節(jié)能效果。目前該方案已在4號線列車上實(shí)現(xiàn)并投入運(yùn)營。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算，4號線客室照明系統(tǒng)通過采用LED光源以及光敏控制節(jié)能改造后的綜合節(jié)能率達(dá)到56.4%，具有較好的應(yīng)用前景。目前，上海軌道交通11號線列車亦采用該方案進(jìn)行客室照明節(jié)能改造，結(jié)果表明節(jié)能效果良好。

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Energy-saving M odification of Vehicle Com partment Lighting on ShanghaiM etro Line 4

GU Yaojun

The vehicle compartment lighting and control method of Shanghaimetro Line 4 are studied.Technical characters of traditional fluorescent lighting and the typical operation conditions along metro Line 4 are introduced.Then，a modification plan is proposed，which replaces the traditional fluorescent lighting w ith LED lighting and installs photosensitive energy-saving controllers in compartment lighting control circuit.This plan can enhance the comprehensive energy-saving rate to about 55%for Shanghaimetro Line 4 vehicle compartment lighting.

Shanghai metro Line 4；compartment lighting；LED lighting；intelligent photosensitive energy-saving controller；energy-savingmodification

U270.38+1；U231.91

10.16037/j.1007-869x.2017.07.026

2016-07-18）