城市軌道交通車輛照明系統節能方案研究

段洪亮

（中車長春軌道客車股份有限公司總體研發部，130062長春∥高級工程師）

在國內，近年來以LED（發光二極管）為光源的節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環境照度自適應調光控制的設計屬于比較新穎的一個設計，既能凸顯LED燈的節能優勢，又能提高系統的可靠性。

在國外，以LED為光源的節能燈在國外地鐵列車上已普遍使用，自適應調光等節能控制也有出現，但到目前為止，尚未出現采用LED照明集中供電和光控技術的照明方案共同運用的項目。

隨著城市軌道交通的快速發展和倡導綠色、環保、節能的理念，迫切需要一種高效、可靠、節能、環保的照明系統方案。本文將基于目前國內外軌道交通車輛采用的照明系統方案，進行節能效果分析，為后續軌道交通車輛照明方案設計提供選擇依據。

1　節能方案設計

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分散驅動電源供電的照明、LED集中驅動電源供電、照度自適應的LED照明系統等照明方案進行對比，對各方案中存在的優缺點進行詳細分析。開展LED集中供電和根據環境照度自適應調光控制技術的研究，進行LED為光源的節能燈與傳統熒光燈的節能效果對比，完成集中供電控制的LED節能燈對照傳統供電方式的節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，以及根據環境照度自適應調光控制方案的節能效果分析。

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，能為通道以及乘客重要出入處提供照明。相關電氣連接圖如圖1所示。

1.1.2LED分散驅動電源供電照明方案

分散驅動電源供電的照明系統基于傳統熒光燈照明方案，與熒光燈照明相比，主要不同點在于將發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集中驅動電源供電照明方案

整車照明采用DC110 V供電，每側燈帶分兩路照明，每側燈帶兩端各由一臺驅動器驅動，1輛車共4臺驅動器同時驅動。每臺驅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），進入緊急照明工作狀態，在保證照明需求的同時可降低對蓄電池電能的消耗。相關電氣連接圖如圖3所示。

圖3　車輛LED集中供電照明方案電氣連接圖

1.1.4LED集中供電及自適應照明方案

該方案在1.1.3方案的基礎上增加了感光器和調光控制器。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置了1個感光器；在每節車上設置有2個調光控制器。調光方案的原理如圖4所示。圖4中為1輛車一側客室照明系統線路及設備配置，其中：每輛車仍然維持4個集中驅動的照明電源，每側2個并聯輸入到LED調光控制器中；調光控制器另外有3路信號輸入，分別為無級調光信號、調光屏蔽信號和緊急照明信號。

無級調光信號與控制器之間的通信采用CAN總線，一旦無級調光功能被啟用，則LED調光控制器將自動調節輸出，客室照度也將隨之維持在設定的數值范圍內。司機可手動對無級調光信號進行屏蔽，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照度仿真數據分析

照度仿真數據匯總如表1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行的。由于LED集中供電及自適應的照明方案屬于智能調光方案，即LED調光控制器通過檢測外界的光強信息，自動調節輸出，使車廂照度維持在設定數值范圍內，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種照明技術方案的單位時間能耗和照度進行測試，計算和對比4種方案在產生相同光照情況下的能耗。

2.1　照度計布置

按照EN 13272—2012《地鐵應用：公共交通系統車輛電氣照明》標準要求，在離地板800 mm高處進行照度測量，并確保4種照明方案都在相同的測點位置進行測量。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　車輛照明度仿真數據匯總

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個數據采集器和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，數據采集器用于將電流和電壓信號集成后送入筆記本電腦，并經過計算最終得出某一節車的照明能耗。

2.3　測試持續時間

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的數據。關于能耗測試，需要模擬列車實際往返運行情況，并持續記錄5 d。

2.4　測試結果對比

（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。根據表2可以看出，采用分散供電的LED燈具照明節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熒光燈照明能耗對比如表3所示。根據表3可以看出，采用集中供電的LED燈具照明節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，平均節能4.5%左右。

2.5　測試結論

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

根據試驗數據分析可以得出，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，自適應調光方案與非自適應調光的集中供電LED方案試驗數據對比如下：普通集中供電方案的平均照度530 lx，平均功率470 W；采用自適應調光方案，實際運行區間全部為隧道時，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運行的工況（高架和隧道比率約為1∶3）對自適應調光方案進行測試，測得平均照度570 lx，平均功率330 W。

當線路為全隧道時，采用自適應調光方案與非自適應調光方案的能效比約為0.99∶1，即兩種方案差別不大，反而無調光功能的方案能效比高一些。其主要是因為調光功能模塊本身也需要耗電，但由于始終在隧道內工作，實際沒有發揮調光的功能。

當線路為高架加隧道時，采用自適應調光方案與非自適應調光方案的能效比約為1.53∶1，此時，采用自適應調光方案明顯比非自適應調光的方案更有優勢。

3　結語

根據以上研究結果說明，幾種LED照明方案在照度和節能方面均優于熒光燈照明。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，采用自適應調光方案，整體能效優于采用非自適應調光的LED照明方案。

本文研究通過從方案設計到仿真分析再到試驗驗證，從全過程對當前主流的幾種照明方案的能耗數據進行了對比研究，為不同照明方案的節能性能提供了數據支撐，為后續城市軌道車輛項目照明方案的選擇提供了依據。研究結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照明技術在地鐵車輛上的應用［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用［J］.節能,2013(5)：57.

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