城市轨道交通车辆照明系统节能方案研究

段洪亮

（中车长春轨道客车股份有限公司总体研发部，130062长春∥高级工程师）

在国内，近年来以LED（发光二极管）为光源的节能灯逐渐在新的城市轨道交通车辆上开始使用，但其供电及控制方案大多采用荧光灯方式。采用集中供电和根据环境照度自适应调光控制的设计属于比较新颖的一个设计，既能凸显LED灯的节能优势，又能提高系统的可靠性。

在国外，以LED为光源的节能灯在国外地铁列车上已普遍使用，自适应调光等节能控制也有出现，但到目前为止，尚未出现采用LED照明集中供电和光控技术的照明方案共同运用的项目。

随着城市轨道交通的快速发展和倡导绿色、环保、节能的理念，迫切需要一种高效、可靠、节能、环保的照明系统方案。本文将基于目前国内外轨道交通车辆采用的照明系统方案，进行节能效果分析，为后续轨道交通车辆照明方案设计提供选择依据。

1　节能方案设计

针对目前在城市轨道交通车辆上普遍采用的荧光灯照明、LED分散驱动电源供电的照明、LED集中驱动电源供电、照度自适应的LED照明系统等照明方案进行对比，对各方案中存在的优缺点进行详细分析。开展LED集中供电和根据环境照度自适应调光控制技术的研究，进行LED为光源的节能灯与传统荧光灯的节能效果对比，完成集中供电控制的LED节能灯对照传统供电方式的节能效果和可靠性分析、LED照度分布及能耗的模拟仿真及效果测试，以及根据环境照度自适应调光控制方案的节能效果分析。

1.1　照明方案

目前，城市轨道交通车辆上采用的照明系统方案主要有4种。

1.1.1荧光灯照明方案

客室照明电路由2条正常照明电路和1条紧急照明电路组成。沿客室天花板纵向排列的2条灯带由正常照明和紧急照明交叉排列组成。如果1条照明电路故障，贯穿全车厢的另1条照明电路仍可正常工作，且照明是均匀分布的。紧急照明灯具位于每个门区，能为通道以及乘客重要出入处提供照明。相关电气连接图如图1所示。

1.1.2LED分散驱动电源供电照明方案

分散驱动电源供电的照明系统基于传统荧光灯照明方案，与荧光灯照明相比，主要不同点在于将发光的荧光灯光源替换为LED光源，其余配置完全不变。此方案中每盏灯自带驱动电源，客室灯带分3路分别供电，每路灯带交叉布置，每对门区间隔布置至少1盏紧急照明灯。紧急照明时，除了由蓄电池提供DC110 V供电门驱的紧急照明，其余照明灯具皆熄灭，以保证在紧急情况下的照明需求，同时降低对蓄电池电能的消耗。相关电气连接图如图2所示。

图1　车辆荧光灯照明方案电气连接图

图2　车辆LED分散供电照明方案电气连接图

1.1.3LED集中驱动电源供电照明方案

整车照明采用DC110 V供电，每侧灯带分两路照明，每侧灯带两端各由一台驱动器驱动，1辆车共4台驱动器同时驱动。每台驱动器最大输出功率约150 W，整车最大照明功率不超过650 W（考虑了电源效率），整车平均照度≥350 lx。

紧急照明时，可通过由车辆给4台驱动器的紧急信号输入端同时输入紧急照明信号（与正常照明电平相反的高电平或低电平），即可使整车照明自动降低至30%输出功率（暂定），进入紧急照明工作状态，在保证照明需求的同时可降低对蓄电池电能的消耗。相关电气连接图如图3所示。

图3　车辆LED集中供电照明方案电气连接图

1.1.4LED集中供电及自适应照明方案

该方案在1.1.3方案的基础上增加了感光器和调光控制器。其中，感光器位于每列车两端，在每个头车的一位端和二位端分别设置了1个感光器；在每节车上设置有2个调光控制器。调光方案的原理如图4所示。图4中为1辆车一侧客室照明系统线路及设备配置，其中：每辆车仍然维持4个集中驱动的照明电源，每侧2个并联输入到LED调光控制器中；调光控制器另外有3路信号输入，分别为无级调光信号、调光屏蔽信号和紧急照明信号。

无级调光信号与控制器之间的通信采用CAN总线，一旦无级调光功能被启用，则LED调光控制器将自动调节输出，客室照度也将随之维持在设定的数值范围内。司机可手动对无级调光信号进行屏蔽，屏蔽后本方案将与1.1.3方案基本相同。

图4　车辆LED集中供电照明调光方案

1.2　仿真计算

1.2.1车辆空间输入条件

以B型地铁列车中间车的空间条件进行4种方案的照度仿真。仿真计算空间条件如图5所示，等照度和点照度仿真如图6所示。

1.2.2照度仿真数据分析

照度仿真数据汇总如表1所示。所有的照度模拟分析是基于没有外界光线影响的前提下进行的。由于LED集中供电及自适应的照明方案属于智能调光方案，即LED调光控制器通过检测外界的光强信息，自动调节输出，使车厢照度维持在设定数值范围内，所以其所消耗的功率也会随着外界光强的增大而降低，总功率会小于集中供电LED方案。

2　方案测试分析

对4种照明技术方案的单位时间能耗和照度进行测试，计算和对比4种方案在产生相同光照情况下的能耗。

2.1　照度计布置

按照EN 13272—2012《地铁应用：公共交通系统车辆电气照明》标准要求，在离地板800 mm高处进行照度测量，并确保4种照明方案都在相同的测点位置进行测量。具体测点布置如图7所示。

图5　车辆照度仿真计算空间条件

表1　车辆照明度仿真数据汇总

图6　车辆等照度和点照度仿真图

2.2　传感器布置

测试工具包括1个电压表、1个电流表、1个数据采集器和1台笔记本电脑。其中，电压表用于测试照明电源输入端电压，电流表用于测试照明灯具输入端电流，数据采集器用于将电流和电压信号集成后送入笔记本电脑，并经过计算最终得出某一节车的照明能耗。

2.3　测试持续时间

测试需模拟列车的实际运行情况，照度测试至少需要测试15 d的数据。关于能耗测试，需要模拟列车实际往返运行情况，并持续记录5 d。

2.4　测试结果对比

（1）分散供电的LED灯具照明与列车荧光灯照明能耗对比如表2所示。根据表2可以看出，采用分散供电的LED灯具照明节能效果是荧光灯照明的1.7倍。

（2）采用集中供电的LED灯具照明与列车静态荧光灯照明能耗对比如表3所示。根据表3可以看出，采用集中供电的LED灯具照明节能效果是荧光灯照明的1.8倍。

（3）采用集中供电的LED灯具照明与列车采用分散供电的LED灯具照明能耗对比如表4所示。根据表4可以看出，采用集中供电的LED灯具照明相比采用分散供电的LED灯具照明，平均节能4.5%左右。

2.5　测试结论

图7　车体照度测点布置

表2　分散供电LED与荧光灯具能耗对比

表3　集中供电LED与荧光灯具能耗对比

表4　集中供电与分散供电LED灯具能耗对比

根据试验数据分析可以得出，采用集中供电的的LED照明能效最高，其次是采用分散供电的LED照明，最后是采用荧光灯照明。3种照明方案能效比约为1.8∶1.7∶1。另外，自适应调光方案与非自适应调光的集中供电LED方案试验数据对比如下：普通集中供电方案的平均照度530 lx，平均功率470 W；采用自适应调光方案，实际运行区间全部为隧道时，平均照度390 lx，平均功率350 W；通过模拟列车在高架和隧道内运行的工况（高架和隧道比率约为1∶3）对自适应调光方案进行测试，测得平均照度570 lx，平均功率330 W。

当线路为全隧道时，采用自适应调光方案与非自适应调光方案的能效比约为0.99∶1，即两种方案差别不大，反而无调光功能的方案能效比高一些。其主要是因为调光功能模块本身也需要耗电，但由于始终在隧道内工作，实际没有发挥调光的功能。

当线路为高架加隧道时，采用自适应调光方案与非自适应调光方案的能效比约为1.53∶1，此时，采用自适应调光方案明显比非自适应调光的方案更有优势。

3　结语

根据以上研究结果说明，几种LED照明方案在照度和节能方面均优于荧光灯照明。具体而言，使用集中供电的LED照明能效最高，其次是采用分散供电的LED灯具，最后是采用荧光灯照明。3种照明方案能效比约为1.8∶1.7∶1。对于高架和隧道混合的线路，采用自适应调光方案，整体能效优于采用非自适应调光的LED照明方案。

本文研究通过从方案设计到仿真分析再到试验验证，从全过程对当前主流的几种照明方案的能耗数据进行了对比研究，为不同照明方案的节能性能提供了数据支撑，为后续城市轨道车辆项目照明方案的选择提供了依据。研究结果除用于地铁项目以外，对轻轨、单轨、城际铁路和动车等各种轨道交通车辆的照明设计都具有广泛的参考价值。

［1］张振英.集中供电控制方式的LED照明技术在地铁车辆上的应用［J］．黑龙江科技信息，2014（23）：158．

［2］王庆峰.LED照明在地铁车辆中的应用［J］.节能,2013(5)：57.

［3］杨思甜.LED照明在地铁节能工作中的应用［J］.山西建筑,2010，36（2）：185.