基于城市隧道照明與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動節(jié)能控制的研究

李海文

摘 要：針對城市隧道數(shù)量不斷增加，隧道照明與通風(fēng)能耗較大，運營成本較高的現(xiàn)象，討論了城市隧道照明與通風(fēng)之間的關(guān)系，提出了照明系統(tǒng)與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動節(jié)能控制的思想，闡述了照明與通風(fēng)聯(lián)動控制系統(tǒng)的構(gòu)成以及系統(tǒng)的控制原理與控制方式。

關(guān)鍵詞：城市隧道；照明；通風(fēng)；節(jié)能控制

1 概述

近幾年，隨著國內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，城市人口越來越多，城市規(guī)模越來越大，交通阻塞現(xiàn)象日益嚴(yán)重，為滿足各種出行需求，城市隧道的數(shù)量急劇增加，以某隧橋管理公司為例，僅2013至2014年，不到兩年的時間，該公司養(yǎng)護(hù)隧道就增加了11座。隨著隧道數(shù)量的增加，城市道路養(yǎng)護(hù)費用大幅攀升，其中隧道照明及通風(fēng)占據(jù)了較大的部分。

目前，有很多專家學(xué)者對城市隧道的控制方式進(jìn)行了研究，控制方式多種多樣，但通常將照明與通風(fēng)系統(tǒng)分別進(jìn)行控制。

照明系統(tǒng)最常見的控制方式分為時序控制與手動控制兩種[2]。時序控制是指根據(jù)季節(jié)的不同，通過時間控制器，按照預(yù)先設(shè)定好的時間開啟或關(guān)閉各回路的燈具，盡可能滿足隧道內(nèi)車輛安全通行的最低亮度需求，手動控制是指通過人的感官，進(jìn)行手動開啟或關(guān)閉各回路燈具。

通風(fēng)系統(tǒng)控制方式通常分為兩種[3]：一種是正常情況下的通風(fēng)控制方案，即在隧道內(nèi)交通量數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)的數(shù)值正常時，為正常隧道換氣開啟風(fēng)機(jī)；另一種是在火災(zāi)情況下，根據(jù)采集到的CO、NO2濃度、能見度（VI）等數(shù)據(jù)控制風(fēng)機(jī)的開啟和關(guān)閉。

隧道的結(jié)構(gòu)相對封閉，車輛通行引起的揚塵及尾氣不易擴(kuò)散，使得煙塵濃度較高，這對隧道內(nèi)照明會有一定影響[4]。1987年，在布魯塞爾舉行的第十八屆國際道路會議PIARC上，隧道委員會的《技術(shù)報告》中說明了煙塵濃度和亮度要求之間的關(guān)系，見表1。

如表1所示，隨著停車視距的增大，煙塵濃度對亮度要求的影響也隨之增大，當(dāng)停車視距為100m時，如果煙塵濃度從5×10-3m-1增加到9×10-3m-1，那么亮度是原來的3倍才能滿足要求。

隧道通風(fēng)與照明系統(tǒng)分別進(jìn)行控制，為保證照度，通常情況下隧道照明系統(tǒng)方案的設(shè)計會以煙塵濃度較高的點作為參照，使得隧道內(nèi)有些路段或時段照度過高，不但降低了隧道內(nèi)的行車舒適度，而且造成能源的浪費，不利于環(huán)保。因此，文章提出隧道通風(fēng)與照明系統(tǒng)聯(lián)動控制的思想[5]，在保證照度與空氣質(zhì)量的前提下，改善原來粗放型的控制方式，適應(yīng)時代的需求，節(jié)約能源，減少浪費，為綠色交通助力。

2 系統(tǒng)原理

如前所述，隧道是一個相對封閉的空間，汽車尾氣及行駛揚塵導(dǎo)致空氣相對污濁，對隧道照明產(chǎn)生一定的影響，同時降低行車舒適度。當(dāng)隧道內(nèi)空氣中顆粒物逐漸增多時，隧道中能見度將不斷下降，為使車輛安全舒適行駛，需要增加照明功率或提高光通量。增加照明功率不但引起能耗的增加，而且當(dāng)煙霧濃度達(dá)到一定值時，增加照明功率并不能滿足安全行車的能見度要求；如果保持風(fēng)機(jī)開啟來降低煙霧濃度，增加光通量，同樣會增加電能消耗。為協(xié)調(diào)照明與通風(fēng)的相互關(guān)系，下面將介紹通透率τ與能耗比ρ的概念[6]。

2.1 通透率

中央控制室計算機(jī)將實時計算出來的通透率的值τ與預(yù)先設(shè)定好的閾值τ0作比較，根據(jù)結(jié)果判斷風(fēng)機(jī)的開啟與關(guān)閉及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率。

2.2 能耗比

能耗比是在CO、NO2濃度低于閾值，且能見度高于閾值，為節(jié)省能耗，在保證照度的前提下提出的。如果調(diào)整照明功率，風(fēng)機(jī)保持運行狀態(tài)不變所需的電能為W1；如果開啟風(fēng)機(jī)或增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保持照明功率不變所需的電能為W2。

當(dāng)時，控制計算機(jī)發(fā)出命令調(diào)整隧道照明燈具功率；當(dāng)時，控制計算機(jī)發(fā)出命令開啟風(fēng)機(jī)，并通過使能耗比盡可能小的方式，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

本系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)的方法，該方法與機(jī)械節(jié)流方式相比，效率較高，節(jié)約能源。風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié)是利用變頻器改變定子的供電頻率，從而控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[7]。

LED燈的無級控制是以0～5V的直流模擬信號形式輸出控制命令至電壓控制電流源，控制端電壓隨命令發(fā)生變化，引起輸出電流發(fā)生變化，又引起LED亮度的變化，從而控制隧道內(nèi)的照度[8]。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

照明與通風(fēng)聯(lián)動控制系統(tǒng)由七個子系統(tǒng)構(gòu)成，其具體功能如圖1所示。

通風(fēng)子系統(tǒng)：該系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)采用可變頻的軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)一般可通過改變安裝角度、調(diào)整轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)性能，與其他風(fēng)機(jī)相比，軸流風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)簡單、經(jīng)濟(jì)、調(diào)節(jié)幅度大。

照明子系統(tǒng)：本系統(tǒng)中的照明采用LED燈，與其他光源相比，相同功率下亮度較高，使用壽命較長，同時其工作電流在一定范圍內(nèi)可以進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)亮度無級控制[9]。

檢測子系統(tǒng)采用各種功能的檢測器，采集隧道內(nèi)能見度、CO與NO2濃度等數(shù)據(jù)，通過車輛檢測器判斷是否有車輛通過，并采集隧道入口的光強(qiáng)度。

信息傳輸子系統(tǒng)：本系統(tǒng)的信息傳輸采用光纖環(huán)網(wǎng)，其傳輸速率較高，傳輸距離較遠(yuǎn)，采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可靠性相對較好[10]。該系統(tǒng)除將經(jīng)過區(qū)域控制器預(yù)處理后的各種檢測器的數(shù)據(jù)向中心控制計算機(jī)傳輸外，還要完成中央控制計算機(jī)發(fā)出控制命令向區(qū)域控制器的傳輸。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)：中央控制計算機(jī)接收并處理區(qū)域控制器傳來的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序做出分析判斷，得出控制命令。區(qū)域控制若收到中央控制計算機(jī)發(fā)出的命令，則執(zhí)行該命令，若沒有，則同樣按預(yù)先設(shè)定好的程序，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，以控制照明燈具和風(fēng)機(jī)。

區(qū)域控制子系統(tǒng)：隧道內(nèi)的區(qū)域控制器除了要完成CO、NO2和能見度等檢測器設(shè)備采集到數(shù)據(jù)的預(yù)處理，對風(fēng)機(jī)及燈具進(jìn)行控制，還要接收中心控制計算機(jī)的控制命令并執(zhí)行，中心控制計算機(jī)的命令優(yōu)先級高于區(qū)域控制器自身處理數(shù)據(jù)得到的命令。

中心控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)的核心部分是中心控制計算機(jī)，它要接收和存儲區(qū)域控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，發(fā)出控制命令。

4 控制方式

照明與通風(fēng)聯(lián)動控制系統(tǒng)為二級系統(tǒng)，中央控制計算機(jī)的命令優(yōu)先級高于區(qū)域控制器的命令。中央控制計算機(jī)通過處理區(qū)域控制器傳來的檢測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，得出控制命令，反饋給區(qū)域控制器，區(qū)域控制器接收該命令，并優(yōu)先執(zhí)行，若區(qū)域控制器未收到中央控制計算機(jī)的命令，則根據(jù)自身內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好的程序?qū)δ芤姸葯z測器、CO檢測器、NO2檢測器等采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并做出相應(yīng)判斷，來控制區(qū)域內(nèi)的風(fēng)機(jī)與燈具。聯(lián)動控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

4.1 中央控制計算機(jī)控制

中央控制計算機(jī)接收各區(qū)域控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一系列的分析判斷，其過程如下：

（1）根據(jù)車輛檢測器的數(shù)據(jù)判斷是否有車輛經(jīng)過，如果沒有車輛經(jīng)過，則降低隧道內(nèi)照度到預(yù)定的值，并在保證隧道基本通風(fēng)換氣的條件下，控制風(fēng)機(jī)運行；如果有車輛經(jīng)過，則進(jìn)行下一步判斷。

（2）通過對光敏電阻數(shù)據(jù)的分析得到光敏電阻所在區(qū)域當(dāng)前通透率，與設(shè)定好的閾值τ0進(jìn)行比較，如果通透率低于閾值，則開啟風(fēng)機(jī)或增大風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，否則結(jié)束。

（3）當(dāng)接收到區(qū)域控制器傳來的新數(shù)據(jù)，則循環(huán)執(zhí)行上述過程。

4.2 區(qū)域控制器控制

當(dāng)區(qū)域控制器未接收到中央控制計算機(jī)的控制命令時，會根據(jù)自身內(nèi)部程序，對檢測器檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，按照一定頻率進(jìn)行判斷并得出控制命令，其控制流程如下：

（1）判斷區(qū)域控制器所控制的區(qū)域內(nèi)CO、NO2的濃度是否高于閾值，如果高于閾值則發(fā)出開啟風(fēng)機(jī)的命令，否則進(jìn)行下一步判斷。

（2）判斷區(qū)域控制器所控制的區(qū)域內(nèi)能見度是否低于閾值，如果低于閾值則開啟風(fēng)機(jī)或提高燈具亮度，否則進(jìn)行下一步判斷。

（3）判斷CO、NO2的濃度是否低于閾值，且能見度高于閾值，如果不能滿足該條件，則保持風(fēng)機(jī)及照明燈具的工作狀態(tài)，否則進(jìn)行下一步判斷。

（4）將能耗比ρ與1進(jìn)行比較，如果，則調(diào)整燈具的亮度；如果，則開啟風(fēng)機(jī)或調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)束語

伴隨我國城鎮(zhèn)化發(fā)展的推進(jìn)，交通需求逐漸加大，城市隧道運營管養(yǎng)費用大幅攀升。城市隧道照明與通風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)動控制，將大幅降低隧道運營管理的能耗，延長燈具及電源的使用壽命，為實現(xiàn)隧道運營節(jié)能環(huán)保開辟了新的途徑。

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