上海地铁3号线列车客室照明节能方案设计_张国富

第25卷第1期2011年3月上　海　工　程　技　术　大　学　学　报JOURNA L OF S HANGH AI UNIVE RSIT Y OF ENGINEE RING SCIENCEVol .25No .1M ar .2011 文章编号:1009-444X (2011)01-0019-04收稿日期:2010-11-13基金项目:上海工程技术大学大学生创新活动计划资助项目(cs 0910006)作者简介:张国富(1988-),男,本科在读,研究方向为城市轨道交通车辆.E -m ail :g olf zh ang @指导教师:方　宇(1974-),男,副教授,博士,研究方向为城市轨道车辆制动节能技术、特种加工及机电控制技术.E -mail :fangyu hit @上海地铁3号线列车客室照明节能方案设计张国富a ,方　宇a ,郭　谦b ,程方媛a(上海工程技术大学a .城市轨道交通学院;b .电子电气工程学院,上海201620)摘要:分析了上海地铁3号线阿尔斯通AC03型电动客车的客室照明系统,指出该系统存在的电能浪费及造成照明设备严重损耗等问题.提出了采用发光二极管(LED )日光灯代替荧光灯作为客室照明灯和安装无级调光控制器改进控制方法,使客室照明有效节能的设计方案.关键词:上海地铁;客室照明;发光二极管(LED )日光灯;节能中图分类号:U 271.92 文献标志码:AApproach Design of Energy Saving for Train PassengerCarriage Lighting of Shanghai Metro Line 3ZHANG Guo -fu a ,FANG Yu a ,GUO Qian b ,CH ENG Fang -y uan a(a .College of U rb an Railw ay Transportation ;b .College of E lectronic and Electrical Engineering ,Shanghai University of Engineering Science ,S hanghai 201620,China )A bstract :T he carriag e lighting sy stem installed o n A lston AC03passenger train running o n o f Shanghai Metro Line 3w as analy zed .The problem s of electrical ene rgy w asting and seve re com sumptio n of lig ht -ing devices w ere presented .Design plans o f saving energy fo r the carriage lighting ,replacing no rm al fluo -re scent lamps w ith LED fluorescent lam ps for the carriage lig hting ,and installing stepless dimm er to improve the co ntrolling metho d were proposed .Key words :Shanghai M etro ;passenger carriag e lig hting ;LED (Lig ht Emitting Diode )fluo rescent lam p ;energy saving 截至2010年4月20日,上海轨道交通线网已开通运营了11条线、266座车站,运营里程达410km (不含磁悬浮示范线及世博13号线),总长度位居世界第二[1].而与此同时,对电力资源的巨大需求,以及相关设备在使用过程中对电能的严重浪费情况,也成为上海地铁运营高度网络化和电气化所面临的重要问题之一.本文以上海地铁3号线阿尔斯通AC03型电动客车的客室照明控制系统为例,在综合分析其当前使用中出现的相关问题的基础上,提出了对现有照明系统的节能改进设计方案. 上海工程技术大学学报第25卷　1　上海地铁3号线运营现状1.1　上海地铁3号线的线路特点上海地铁3号线,又称明珠线,起始站为上海南站站,终点站为江杨北路站,线路全长40.9km ,单程行驶时间68min .其最大特点是列车单程在隧道内的行驶时间仅为3min ,而在高架桥及地面轨道段行驶时间为65min .本研究选择上海地铁3号线0309号列车进行了多次客室照明数据实地测试.测量综合分析结果显示:天气晴朗时,列车客室外最大自然光照强度约为63klx .此时,列车在高架桥及地面轨道行驶阶段,从车窗及车门玻璃透进客室内部的光线十分充足,客室内最低光照强度为0.649klx ,完全可以满足乘客的正常需求(上海地铁客室照明强度标准:客室内照度在距地板面上方1.0m 以上任何位置不得低于0.300klx ).所以,白天天气晴朗时,列车在高架桥及地面轨道行驶过程中,开启客室内照明灯是没有必要的,否则造成电能的浪费.1.2　上海地铁3号线列车客室照明的控制系统上海地铁3号线现阶段运行车辆型号为阿尔斯通AC03型电动客车,6节编组,其客室照明控制分自动控制和手动控制两种模式,如图1所示.图1　客室照明开关Fig .1　Switch of passenger carriage lighting1.2.1　自动控制模式1)控制方法将控制旋钮置于“自动”位置,则列车客室照明灯根据光电管(如图2所示,位于司机室前侧外部)检测客室外部自然光线的强弱,来控制全车共96盏客室主照明灯,另外有60盏紧急照明灯不受其控制,始终处于全部开启状态.2)采用自动控制模式时存在的问题问题1　现阶段列车客室照明采用荧光灯,在自动模式下进出地面或高架车站,以及进出长度较短的隧道时,客室照明灯会在短时间内频繁开启或关闭,造成灯管损耗加剧,寿命严重缩短.有关专家研究表明,使用荧光灯要注意避免频繁启动,荧光灯寿命一般为5000h ,其条件是每启动1次连续点燃3h ;若启动1次,只让灯点燃1h ,灯管的寿命会缩短到70%以下[2].所以,使用荧光灯时要尽量避免频繁启动.图2　光电管位置示意图Fig .2　Sketch of phototube position 问题2　目前,列车前后两个司机室前侧外部各装有一个光电管,但在现有自动模式下只有列车前进方向车头的光电管起作用.这就会导致,当列车由隧道驶上地面轨道或高架桥段时,列车车头首先驶出隧道,位于车头的光电管检测到的光线强度增强,96盏主照明灯会迅速全部关闭,仅剩下60盏紧急照明灯提供照明.此时,列车除车头之外的其他车厢处于隧道内黑暗环境中,这部分车厢就会出现短时间的光照不足,而且有时候还会出现因局部光照不均匀(如车头处的光电管位置恰好被物体遮挡)所导致的控制误判等情况.1.2.2　手动控制模式1)控制方法将控制旋钮置于“手动”位置,则客室照明灯全部开启(96盏主照明灯和60盏紧急照明灯).此后,列车司机以自己对列车外光照强弱的感受为依据,手动控制客室主照明灯.紧急照明灯不受其控制,始终处于全部开启状态.2)采用手动控制模式时存在的问题问题1　据实测得知,阿尔斯通AC03型电动客车的司机驾驶室和客室内部空间体积分别约为6m 3和150m 3,两者的玻璃车窗采光面积分别约为3m 2和30m 2.据此计算,采光面积与空间体积·20·　第1期张国富,等:上海地铁3号线列车客室照明节能方案设计 比分别为50%和20%,所以,在同样的外部光照情况下,乘客在客室内和司机在驾驶室的感受相差甚远.如果考虑到客室内乘客身体对光线的遮挡作用,则这一差距将进一步增大.因此,在某些情况下,司机对客室照明灯的控制,不能满足乘客对舒适度及工作学习的要求.问题2　考虑到上海地铁3号线的具体线路特点,在手动模式下,为了节约电能,目前采用的操作方式是司机在列车由自然光线充足的地面轨道或高架桥段驶入隧道时,开启全部客室照明灯.然后,在3min 后列车驶出隧道时,关闭96盏主照明灯.这样,在1d 内,这些荧光灯将要被开启20次左右,灯管寿命势必会严重下降,最终导致维修成本增加.1.3　上海地铁3号线列车客室照明系统存在问题的原因现阶段上海地铁3号线阿尔斯通AC03型电动客车客室照明系统存在问题的主要原因:原因1　以光电管为核心控制设备的自动控制系统存在严重的缺陷.列车现有客室照明自动控制系统是以光电管为核心控制设备的.列车前后两个司机室前侧外部各装有一个光电管,但在自动模式下只有列车前进方向车头的光电管起作用.这就会导致列车驶出隧道时,部分车厢短时间光照不足,以及局部光照不均匀(如车头处的光电管位置恰好被物体遮挡)所导致的控制误判等问题.原因2　采用荧光灯管作为客室照明灯具不利于节电控制方案的实施.目前,无论是手动控制还是自动控制模式,要实现客室照明节电都需要通过控制照明电路继电器的频繁闭合和断开来开启或关闭部分荧光灯,造成灯管寿命严重减短,维修成本增加,虽然节约了电费,却增加了维修费用.因此,采用荧光灯作为客室照明灯是现存问题的症结所在.2　上海地铁3号线列车客室照明系统节能改进方案对上海地铁3号线列车客室照明系统进行节能改造设计方案,主要从以下3个方面入手:1)用功率为18W 的发光二极管(Ligh tEmitting Diode ,LED )日光灯管代替所有36W 的荧光灯作为客室照明灯.理由1　LED 日光灯发光效率远高于荧光灯.据测算:1盏功率为36W 的荧光灯产生的有效流明数为1814.4lm ,而1盏功率为18W 的LED 日光灯就可以达到1800lm [3].也就是说采用1盏18W 的LED 日光灯就可以取代1盏36W 的荧光灯.因此,列车客室照明总功率就将由现在的5616W 降至2808W .理由2　LED 日光灯可实现无级调光,而且技术成熟,调光不会影响灯具寿命.LED 日光灯的核心发光器件为发光二极管,发光二极管的发光亮度随着外部电压的变化基本呈线性变化.因此,可以通过改变电压来实现对其亮度的无级调节,且技术成熟.理由3　使用LED 日光灯节能效益高.目前,LED 日光灯唯一的缺点就是价格高.不过,尽管LED 日光灯的价格大约是荧光灯的10倍,如果考虑到它的寿命长、节电和无污染等优点,仍然是合算的.因为如果和寿命为5000h 的荧光灯相比,寿命为50000h 的LED 日光灯就值得花10倍的价格去买,因为在其间所节省的电能就已经完全变成了纯收益[4].2)采用无级调光技术对LED 日光灯进行智能化亮度调节,以替代现有光电管与继电器组合式调光技术.采用无级调光技术对LED 日光灯亮度进行智能化调节是一项已经很成熟的技术[5].调节过程如图3所示.图3　LED 日光灯无级调光流程图Fig .3　Flow diagram of stepless dimming ofLED fluorescent lamps 在具体控制过程中,通过对现有电路的改造,使得车头两端的两个光线传感器同时工作.选择两个光线传感器所得光照数据的较小值,与预设标准照明值进行对比后调节LED 日光灯的亮度.这种调节方法最大的特点在于可以有效地解决原来列车进出隧道时的开关灯问题.如图4所示,设光线传感器1测得的光照值为L 1,光线传感器2测得·21· 上海工程技术大学学报第25卷　的光照值为L 2,则当列车头部驶入隧道时,L 2入>L 1入,此时将L 1入与L 进行对比,相应地增加客室内LED 日光灯的亮度;当列车头部驶出隧道时,L 1出>L 2出,此时将L 2出与L 进行对比,因为L 2出与L 1入的数值相差不大,故客室内LED 日光灯的亮度与列车头部驶出隧道前的亮度基本相同,不会使乘客产生不适;只有当整列车全部驶出隧道后,系统才会根据隧道外的自然光强度状况重新调节整列车客室LED 日光灯亮度.图4　列车光线传感器位置示意图Fig .4　Sketch of light sensor position 3)对现有列车客室照明系统中主照明电路部分和紧急照明电路部分同时安装无级调光控制器,以实现整个客室照明系统的同步节能.本研究进行如上改装之后,在列车运行线路正常的情况下,列车客室的全部156盏照明灯都可进行节电控制,避免了原来电路设计中60盏紧急照明灯始终处于开启状态造成的电能浪费.而在紧急情况下,紧急照明灯将通过旁路开关自动切换至独立工作状态,以满足紧急照明需求.3　改进方案的节能效果改进方案节能效果的理论分析计算公式为W =k Pt式中:t 为列车客室照明灯开启持续时间;k 为单节列车照明灯管数量;P 为照明灯管功率;W 1为原方法耗费的电能;W 2为使用改进方案后耗费的电能;η为节电效率.1)当天气晴朗光照充足,列车只需在隧道内行驶时开启全部照明灯,此时W =k PtW 1=60×(36W )×(68min )+ 96×(36W )×(3min )=2.966kW /h W 2=(96+60)×(18W )×(3min )=0.140kW /hη=1-W 2W 1×100%=99.9%2)当夜晚天黑暗,列车需行驶全程始终开启全部照明灯,此时W =k PtW 1=(96+60)×(36W )×(68min )=6.364kW /hW 2=(96+60)×(18W )×(68min )=3.182kW /h η=1-W 2W 1×100%=50%3)当列车外部自然光照处于其他不同照度值时,理论上讲,其节电效率介于50%～99.9%.以上3种情况下的节电效率仅为理论计算值,在实际操作过程中,涉及到系统改装、局部设备损耗等相关成本、费用,暂不予考虑.4　结　语节能改进方案主要有3个创新点:1)客室照明灯全部采用LED 日光灯,使得整体照明灯功率减少2808W .LED 日光灯可以实现灯光亮度的无级调节,且灯管寿命不受调节次数和频度的影响.2)客室照明灯采用技术成熟的无级调光技术与两个光线传感器同时作用的方法,可以保证列车在进出隧道过程中,乘客对客室灯光亮度舒适性的要求.3)主照明电路部分和紧急照明电路部分同时安装无级调光控制器,以实现整个客室照明系统的同步节能.通过设置旁路开关,使得紧急情况下,紧急照明灯可自动切换至独立工作状态,以满足紧急照明的需求.理论上讲,本文设计方案将有效避免客室照明灯的严重损耗和电能浪费等问题,在节约设备维修成本的同时,还可以节约大量的列车客室照明用电.参考文献:[1]　孙玉敏.上海轨道交通融资之路[J ].上海国资,2010(7):27-29.[2]　刘军良,钟碧羿.城轨车辆客室L ED 照明的特点及灯具设计选型分析[J ].电力机车与城轨车辆,2010,33(2):55-57.[3]　范力维,任豪.LED 照明测试技术[J ].中国照明电器,2010(6):32-34.[4]　杨思甜.L ED 照明在地铁节能工作中的应用[J ].山西建筑,2010,36(2):185-186.[5]　王蔚,贾文超.LED 照明调光装置设计与实现[J ].照明工程学报,2010,21(2):74-76.·22·。