上海軌道交通4號線列車客室照明節能改造研究

顧耀君

上海軌道交通4號線列車客室照明節能改造研究

顧耀君

（同濟大學汽車學院，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能改造的研究對象，介紹了4號線列車客室照明系統的技術特點與4號線沿線典型運營條件。提出了采用LED（發光二極管）燈具替代熒光燈具以及在照明控制電路中嵌入光敏節能控制器的改造方案，可實現4號線列車客室照明系統55%以上的節能率。

上海軌道交通4號線；客室照明；LED燈具；智能光敏節能控制器；節能改造

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展，投運列車數量逐年增加，如何有效降低軌道交通列車車載用電設備的電能消耗成為運營企業的重大課題之一。

本文以上海軌道交通4號線列車客室照明作為節能改造的研究對象，介紹了4號線列車客室照明系統的技術特點與4號線沿線典型的運營條件，綜合分析了不利于實現節能減排的有關問題，提出了采用LED（發光二極管）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能改造方案，可實現4號線列車客室照明系統55%以上的節能率。

1 客室照明LED節能替代方案設計

1.1LED光源替代傳統照明光源

目前，軌道交通列車的照明大部分仍采用傳統的熒光燈作為照明燈具，雖然其成本低廉，但發光效率低、需要配合鎮流器使用、維護成本高、能耗大,不符合節能減排的要求。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、抗震動沖擊等優勢，正逐漸取代傳統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（帶司機室的拖車）、Mp車（帶受電弓的動車）及M車（不帶受電弓的動車）3種車型組成的6節編組列車，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，另在車廂一側的盡頭位置安裝2根18W常用照明短燈管。6節車廂的熒光燈管的總功率為7 kW。

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

4號線車輛客室照明LED替代改造方案選用國內某廠家生產的內置式雙端進電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客室照度計算

目前，計算地鐵車輛室內照度最常用的方法為利用系數法，其計算公式如下：

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——規定表面平均照度，lx；

K——維護系數；

U——列車的利用系數；

RC——燈具透光率；

Φ——總通光量，lm/w；

A——計算照度所在的工作面面積，m2。

根據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RCR和客室內頂板、墻面、地板的反射率，查利用系數表可知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車客室內照度為340 lx，滿足GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術條件》規定的地鐵車輛客室內離地板面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范的要求。

1.4節能率計算

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，節能率達到47.4%。

2 客室照明光敏控制節能改造方案設計

2.1光敏節能控制方式

除了采用LED光源替代傳統的熒光燈光源外，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，即根據外界照度的強弱對客室照明進行開關控制或亮度調節，從而起到節能減排的作用。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動電源的方式，列車可以根據外界照度的強弱實現對LED燈具電流大小的自動調節，從而實現節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現了節能改造，采用LED燈具并設置合理的控制閾值，且根據外界照度變化自動控制客室照明開關，實現了較好的節電效果。綜上所述，通過采用合理的控制方式和控制策略，結合LED燈具替代改造，可以較好地實現節能效果。

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計為3路獨立供電：1路為應急照明、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系統控制，KLIP（執行采集外部信號功能的遠程輸入/輸出可擴展模塊）分站收到主控端Tc車司機室發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總線控制每節車的KLIP電源模塊，輸出電源接通常用照明控制接觸器，實現了遠程控制客室常用照明。應急照明則是由硬線控制，直接由照明控制旋鈕開關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客室照明光敏節能控制改造電路設計

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

在自動模式下，司機啟動列車并激活司機室主控制器，22-K153繼電器觸點閉合。列車客室照明模式轉換開關選擇在“自動”檔即13/14觸點閉合，光敏節能控制器52-A101得電工作。司機通過自復位旋鈕開關52-S01打開應急照明與常用照明后，常用照明由52-A101控制，即照度大于預設的節能控制閾值，K1關斷、K2接通，關閉常用照明。反之，則K1接通、K2關斷，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，光敏節能控制器信號不參與應急照明控制。另外，如果光敏節能控制器失效，可將模式轉換開關52-S02轉換至“手動”模式即13/14觸點斷開，恢復列車客室照明的原有控制方式。

2.4光敏節能控制策略

由于正線上列車運營的位置不同，環境照度隨之頻繁變化。因此，需要通過抓住各關鍵位置照度變化的特征，確定節能控制實時監測的參數及設定控制閾值，才能實現節能控制。從正線采集的照度數據分析中可發現，根據照度大小及持續時間可判斷列車所處的運營位置或工況。且根據實測的正線照度的變化規律，可以制定有效的節能控制策略：

（1）4號線列車在照度條件較好的白天運行在地面線路上時，僅打開客室緊急照明即可保證最低的照度要求，即照度大于節能控制照度閾值時可進行節能控制；列車在駛入地面站臺過程中，照度明顯下降，且持續時間較短，為保證乘客的視覺舒適度，通過設置延時保持客室常用照明關閉。

（2）當列車駛入隧道后，照度短時內下降至較低照度，此時需要立即關閉節能信號，打開客室常用照明；當列車進入地下站臺過程中，照度明顯上升，但未達到可以進行節能控制的照度閾值。因此整個地下線路運營過程中無需進行節能控制。

（3）當列車駛出隧道時，由于車身完全駛出需要一定的時間，因此即使照度達到節能控制照度閾值，也需進行延時控制，從而保證列車完全駛出隧道后再關閉常用照明。

圖3 4號線列車客室照明光敏節能控制改造電路圖

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

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

“OFF 1”時間段內，由于地面區間的照度滿足節能控制條件，故客室常用照明控制信號為“0”，即關閉狀態。列車在經過高架橋等建筑時，照度出現短時間內低于L1的現象，通過設置延時t2，可保持客室常用照明控制信號為“0”。同時，列車駛入地面站臺時出現照度的短時下降，亦通過L2和t3的設置保持客室常用照明控制信號輸出為“0”。當光敏節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t3之后，客室常用照明控制信號輸出為“1”。

“ON 2”時間段內，外界照度恢復到大于節能控制閾值L3且持續t1之前客室常用照明控制信號保持為“1”。

“OFF 2”時間段內，列車從地面區間駛入隧道，即光敏節能控制器檢測到照度低于L1并持續t2之前，客室常用照明保持關閉信號。

“ON 3”時間段內，列車駛入隧道后光敏節能控制器檢測到照度低于L1并持續t2以上，客室常用照明控制信號為“1”。

因此，選擇合適的光敏節能控制器，可實現上述節能控制策略，能更好地適應4號線復雜的照度變化環境、保證客室的照度要求、實現客室照明節能目標。

2.5節能率計算

上海軌道交通4號線是一條環狀線路，總運營里程為33.8 km，其中地面線路長度為13.3 km，占總里程的39.3%。根據4號線運營圖安排，4號線列車在地面線路上行駛的時間占全線總行駛時間的比例為40%。理論上，客室照明經過光敏節能控制改造后可實現40%的節能率。但是，由于夜間運營及天氣變化等因素造成的外界照度低于節能控制閾值的時間段內，客室照明無法實現光敏節能。根據運營列車試驗數據統計，4號線列車光敏節能的實際節能率為28%。

圖4 照度-時間曲線與常用照明控制信號示意圖

3 結語

本文根據上海軌道交通4號線列車及其線路運營的特點，通過采用LED光源、開發智能化光敏節能控制器、進行客室照明電路節能改造等方法，在保證客室照度要求的前提下實現了很好的節能效果。目前該方案已在4號線列車上實現并投入運營。根據實測數據計算，4號線客室照明系統通過采用LED光源以及光敏控制節能改造后的綜合節能率達到56.4%，具有較好的應用前景。目前，上海軌道交通11號線列車亦采用該方案進行客室照明節能改造，結果表明節能效果良好。

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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）