地铁车辆车厢LED照明节能改造的研究

摘要：LED发光半导体平面光源由于符合低碳、绿色、环保的社会发展需求，以期节能减排、灵活可控、光线柔和、衰减缓慢等优点迅速崛起，在城市轨道交通行业越来越受到关注，被开始广泛应用于高速铁路、地铁、轻轨等项目车辆车厢照明。本文对地铁车辆车厢LED照明的发展应用和既有车LED照明改造进行了介绍，对车厢LED照明功率和照度测量对比，在测量数据基础上对进行LED照明节能性开展了预测性论述。

关键词：地铁车厢LED照明、LED照明改造、LED功率照度测量、LED节能预测分析

中图分类号：X731文献标识码： A

1.地铁车辆车厢LED照明的发展

近几年来，随着LED制造工艺的不断进步、新材料的开发应用及超高亮度白光LED的出现，LED发光半导体平面光源由于符合低碳、绿色和环保的社会发展的重要需求，正以飞快的速度拓展其应用范围，已经成为当今照明发展的最大的趋势，因其环保节能及光线柔和等显著特点，被开始广泛应用于高速铁路、地铁、轻轨等项目车辆客室照明。

LED的全称Light Emitting Diode,即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。 2008年香港地铁在全球最先引入LED光源作为地铁车辆车厢内部照明，由此拉开了地铁照明LED时代的序幕。同期由温州兰谱公司生产的深圳地铁3号线客室照明灯具，亦全部采用LED照明交付使用，截至目前，北京地铁、上海地铁、天津地铁、深圳地铁、重庆地铁、杭州地铁、宁波地铁、苏州地铁及国外沙特地铁、马来西亚动车、土尔其萨姆松项目等多个项目也相继采用LED光源作为车厢照明。

2.地铁车辆车厢荧光灯照明与改造LED照明的介绍

地铁地下隧道段环境中无法应用自然光，运营时段必须全部采用人工照明，累积下来也是一笔巨大的能耗数据，LED光源以期高效节能、无毒环保、灵活可控、光线柔和及衰减缓慢等优点迅速崛起，在城市轨道交通行业越来越受到关注。目前地铁车辆车厢荧光灯管和LED光源都能通过灯罩进行均匀性处理，不会有眩光，但荧光灯管需要通过灯座来固定，两灯座间会有阴影，而且很难消除，LED光源能保证整辆车全亮不产生暗区，还可以通过调整LED驱动器的功率实现调光的功能，舒适性更佳，这是荧光灯无法实现的。

（1） 天津1号线既有客室荧光灯具介绍

a. 布局：天津1号线客室荧光灯照明装置为两侧纵向布置的荧光灯灯具，两排灯带由三条独立的照明电路组成，即两条正常照明电路（AC220V两侧）和一条紧急照明电路（DC110V每侧门区1、5及4、8门），紧急照明在正常情况也用于正常照明。

T/M车灯具布局图：

b. 光源：荧光灯具光源采用T8型荧光灯管，分为40W、30W、20W三种，荧光灯管的使用寿命约50000小时。每支灯管配置有一个电子镇流器，即单灯供电。

灯具类型 客室灯具 灯具电源

c.灯具：灯具由灯体、灯罩、灯座、荧光灯管、电子镇流器组装而成。灯体采用铝合金挤制型材，灯罩采用铝合金型材与聚碳酸脂型材粘接加螺栓固定而成，灯罩整体一边与灯体卡接，一边由2个螺栓固定在灯体上，检修方便且牢固可靠，灯罩采用聚碳酸酯（PC2000），该材质有良好的挤压性能，材质中含有紫外线稳定剂，有良好的阻燃性，新造灯罩板透光率约60%。

荧光灯管固定于灯座，灯座固定于铝型材灯体上。灯管点亮后，由于两荧光灯管中间留有间距，在灯罩正面观察有50～60mm的暗区没有被照亮。检修电子镇流器：打开灯罩取下荧光灯管，打开镇流器安装板，更换镇流器。

d. 供电电压：正常照明：AC220V（AC154-286V）

应急照明：DC110V（DC77-137.5V）

e. 平均照度：正常照明的照度：在客室内距地板面800mm 处＞250 Lux

紧急照明的照度：在客室内距地板面1m处≥30Lux

（2） 天津1号线改造车LED灯具介绍

a. 灯具改造：拆下原型车灯具上的灯管、灯座，并拆下一端的灯角线。灯体两端靠近车体中心侧分别钻2-φ7.1孔，同时拉铆M5螺母，安装LED灯条，将LED灯条用4-M5螺钉安装到原型车灯体上，根据接线图连接输出电源线连接驱动器。LED模块安装后，两模块间仅留4mm间隙，以保证灯罩接缝处无暗区。正常照明时，灯罩表面光线均匀，无眩光、暗区，整体美观性好。

图：三面发光LED灯条模块

b. 电源改造：拆下原车的电子镇流器，安装LED匹配的电子驱动器（DC35V输出），2根输入线AC220V/DC110V分别对应接入车上接线端子排，2根输出线接入LED灯端子给LED光源板提供稳定的DC35V电源。

驱动器分为可调光驱动器和非调光驱动器，调光驱动器共分为4个档位，当随着使用年限的增加LED会出现一定的光衰及灯罩的透光率会降低，这时可通过调节驱动器的拔码开关进行调节输出功率，以满足客室的照度，约3年调节一个档位（10%-20%）。

3.客室LED照明灯具的节能

客室照明灯具的全寿命成本（LCC），分为使用成本(采购成本)和维护成本(运营成本)。采购成本都是一次性的，具体根据项目的要求进行计算。至于维护成本，就牵涉到灯具的功率和寿命。

(1)LED灯与荧光灯能耗对比（相同照度）

(2) 寿命及维护成本计算

目前，荧光灯管品牌供应商飞利浦、欧司朗对其T8灯管的标称寿命为5000-8000H，。LED厂家如美国流明、美国GREE、韩国三星公司所标称的寿命均为50000H。

维护成本就以光源的维修来进行计算：

荧光灯管：以184个灯/列计算，灯管寿命5000H，则约每1年得更换一次灯管，全寿命30年需要更换30次灯管，即：184灯*30次= 5520次/列 ,人工成本计算：每更换一只灯管需要6分钟（不包括途中的时间）， 则：5520*0.1H=552H，人工成本按60元/H计算，

更换荧光灯管的人工成本约为：552H*60元/H=3.312万元 。

LED光源：以184个灯/列计算，LED寿命50000H，则约每10年得更换一次,LED全寿命30年需要更换2次光源，即：184灯*2次=368次/列,人工成本计算：每更换一只灯的LED需要15分钟（不包括途中的时间）， 则：368*0.25H=92H，人工成本按60元/H计算，

更换LED灯的人工成本约为：92H*60元/H=0.552万元 。

4.车厢照明灯具功率测试

(1) 正常照明灯具功率测试

测试方法（温度25±10℃、湿度25~75%；）：将空调柜里面的交流接触器置于断开无电状态，取出其输出端导线，同备用导线一起按照图连接方法将电力仪表按要求与交流接触器和灯具相连接，合上交流接触器，接通三相电，点亮灯具，启动电力仪表，待灯具稳定点亮15分钟后读取电力仪表显示的各项功率值。

有关三相交流电功率及单位表示如下：

P：有功功率，单位W； S：实在功率，单位VA； Q：无功功率，单位var。

E .记录相关有功功率、实在功率、无功功率相关参数。

(2) 应急照明灯具功率测试

测试方法（温度25±10℃、湿度25~75%）：将钳形表调节到直流电流档，将显示读数归零，将钳形表参照电流流动方向夹到灯具供电回路的正端，点亮灯具10分钟后开始读取钳形表上的电流数值I，并记录，将万用表调至直流电压档,读取灯具稳定工作后的电压值U，并记录。按记录的U、I值，通过公式P=I×U，计算得出功率P值，并记录。

荧光灯灯具某节车厢功率测试结果

改造LED灯具某节车厢功率测试结果

5.车厢照度测试

试验设备：数字式照度计TES-1330A

相关标准：距离地面800mm处测得照度大于200lux；（温度25±10℃，湿度25~75%）

测试方式：先将灯具点亮15min后，将照度计放置于规定位置显示稳定后方可记录。

按附图位置依次测量各测试点的照度，检测时用盒尺校验照度计的高度（离地面0.8米）

当灯具正常工作时依次测量座位区，门区，通道照度，在每点等照度计读数稳定后，进行读数，并记录详细数据。

图车厢断面图

注：由于1号线运用时间较早灯罩板老化透光率不高，车厢平均照度测量数据都偏小。

荧光灯灯具某节车厢照度数据如下

6.结语

对某一节车厢荧光灯、LED灯照明功率和平均照度进行实际测量，通过对比记录数据可以看出，改造后LED灯具车厢平均照度在比原车照度提高1倍的情况下，功率仅为原来的76.9%，仍然能节省电能23.1%，根据未安装灯罩板时测量的照度值理论计算，更换新灯罩板后，在车厢平均照度相同的情况下，LED灯具比荧光灯节能将达到30%以上，同时再考虑到LED灯远超荧光灯管寿命的因素， LED照明对比荧光灯照明每年可以节约大量的维护成本。