城市道路照明節(jié)能減排的實(shí)證分析
——以德州市城區(qū)為例

李云龍，譚俊濤，范曉寧，劉富剛

（德州學(xué)院地理系，山東德州 253023）

城市道路照明節(jié)能減排的實(shí)證分析
——以德州市城區(qū)為例

李云龍，譚俊濤，范曉寧，劉富剛

（德州學(xué)院地理系，山東德州 253023）

降低能耗、節(jié)約能源成為城市道路照明設(shè)計(jì)及布局的必然選擇。通過對德州市城區(qū)主要道路路燈進(jìn)行測量，并采用路面平均亮度、路面平均照度等相關(guān)參數(shù)模型進(jìn)行實(shí)證分析，結(jié)果顯示，城區(qū)各路段的路燈布局配置相差較大，部分路段與國家標(biāo)準(zhǔn)值相差甚遠(yuǎn)，新老城區(qū)及繁華地段的各項(xiàng)指標(biāo)相差很大，配置LED路燈的主干道照明效果也不理想?；诖?，提出了城市道路路燈布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理建議。

德州市；道路照明；LED；節(jié)能減排

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市道路照明的現(xiàn)代化進(jìn)程也隨著城市建設(shè)的發(fā)展而不斷加快，道路照明的規(guī)模不斷擴(kuò)大,降低能耗、節(jié)約能源成為城市道路照明設(shè)計(jì)及布局的必然選擇。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國城市道路照明的總數(shù)約400萬只(套)，加上高速公路、工礦企業(yè)、機(jī)場、碼頭等非市政照明燈具約100萬只(套)，總數(shù)超過500多萬只，并且每年以10%以上的速度遞增。道路照明中城市公共照明在我國照明耗電中占30%，年用電量約為4.39×1010kwh[1]。若以平均電價(jià)0.65元/kwh計(jì)算，1年開支約達(dá)2.85×1010元，已成為各地財(cái)政部門的一大負(fù)擔(dān)。針對上述情況，通過對德州市城區(qū)道路路燈布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以對路燈照明的節(jié)能潛力進(jìn)行挖掘，也符合國家節(jié)能減排的相關(guān)政策。

1 對象及指標(biāo)

德州市地處山東省西北部，黃河下游北岸,冀、魯兩省的交界處，北緯36°24'～38°0'、東經(jīng)115°45'～ 117°24'之間。本文以德州市城區(qū)主干道的道路狀況（主路寬、人行道寬、車道數(shù)）及照明情況（燈高、燈距、路燈功率、燈型以及路燈布局狀況）為研究對象進(jìn)行測量德州市城區(qū)主干道道路路況信息（見表1）。

表1 德州市城區(qū)主干道道路路況測量信息

2 評價(jià)模型

2.1 條件假設(shè)

考慮到在實(shí)際測量過程中存在一些不確定因素和個(gè)體之間的差異，首先對一些參數(shù)按照一般標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行假設(shè)[2]：所有路燈仰角均為10°；路面干燥，即測量不受天氣影響，實(shí)際路面亮度系數(shù)為0.1；忽略花壇寬，只計(jì)算主路寬和人行道寬；夜晚所有路燈都正常工作，不存在損壞路燈；道路是筆直的，不考慮交叉路口。2.2評價(jià)模型

依據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中道路照明評價(jià)指標(biāo)，選取路面平均亮度、路面平均照度、眩光控制以及節(jié)能評價(jià)指標(biāo)中照明功率密度（LPD）等作為本文的評價(jià)指標(biāo)。

（1）路面平均亮度。提高路面平均亮度(或照度)值將有利于提高駕駛員覺察(障礙物)的可靠性。路面平均亮度水平也直接影響到駕駛員的視覺舒適程度。路面平均亮度越高(但需保持在產(chǎn)生眩光的亮度水平以下)，駕駛員的視覺就越舒適[4]。按照國際照明委員會(huì)(以下簡稱CIE)有關(guān)規(guī)定，在路面上預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)上測得的或計(jì)算得到的各點(diǎn)亮度的平均值。

利用公式計(jì)算一段長度有限的直路段上的平均亮度，借助使用亮度產(chǎn)生曲線，計(jì)算公式為：

（2）路面平均照度。目前，在路面照明設(shè)計(jì)中主要采用利用系數(shù)法來計(jì)算路面照度。即使用利用系數(shù)可以計(jì)算一段直路上的平均照度，道路照明的利用系數(shù)是指落在一條無限長的平直道路上的光通量與照明器中光源總光通量之比，它與燈具的效率和道路的寬度有關(guān)。按照CIE有關(guān)規(guī)定，在路面上預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)上測得的或計(jì)算得到的各點(diǎn)照度的平均值。利用公式計(jì)算平均照度，計(jì)算公式為：

（3）眩光控制。眩光的形成是由于視場中有極高的亮度或亮度對比存在，使視功能下降或眼睛感到不適，極亮的部分就形成眩光源。道路照明中產(chǎn)生眩光的主要因素有光源的亮度(亮度越高眩光越顯著)，光源的位置(越接近視線,眩光越顯著)，光源的外觀大小與數(shù)量(表觀面積越大,光源數(shù)目越多,眩光越顯著)，周圍的環(huán)境(環(huán)境亮度越暗,眼睛適應(yīng)亮度越低,眩光就越顯著)[5]。眩光可分為失能眩光和不舒適眩光兩種，本文只計(jì)算不舒適眩光。眩光等級計(jì)算公式為：

其中，I80表示在平行道路的軸線的垂直平面內(nèi)從燈具最下點(diǎn)起算80°方向上的光強(qiáng)；表示C=0，r=80°的絕對光強(qiáng)與C=0，r=88°的絕對光強(qiáng)的比值；F表示從燈具垂直正下方起76°方向上所看到的燈具表面的發(fā)光面積；h表示從眼睛水平線到燈具的垂直距離；p表示每千米燈具數(shù)。

將非常概念化的數(shù)字（眩光控制等級G）與人的感受相聯(lián)系，使人們更容易理解，建立眩光控制等級和主觀評價(jià)的對應(yīng)關(guān)系（見表2）。

表2 眩光控制等級和主觀評價(jià)的對應(yīng)關(guān)系

（4）照明功率密度。LPD限值是國家依據(jù)節(jié)能方針從宏觀上作出的規(guī)定。因此，要求照明設(shè)計(jì)中實(shí)際的LPD值應(yīng)小于或等于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的LPD最大限值。若LPD值相等，說明是“合格”設(shè)計(jì)；若超出，則是“不合格”設(shè)計(jì)。因此，照明設(shè)計(jì)力求降低實(shí)際LPD值，使之小于甚至大大小于規(guī)定的LPD值，做到“良好”或“優(yōu)秀”的節(jié)能設(shè)計(jì)。

LPD計(jì)算公式[6]為：

其中，P表示單個(gè)光源的輸入功率(含配套鎮(zhèn)流器或變壓器功耗)，PL表示單個(gè)光源的額定功率，PB表示光源配套鎮(zhèn)流器(或變壓器)的功耗，S表示面積。

3 實(shí)證檢驗(yàn)

3.1 檢驗(yàn)

以德州市湖濱北路（銀座西）為例，利用上述評價(jià)模型指標(biāo)分別進(jìn)行實(shí)證檢驗(yàn)。

（1）路面平均亮度值。根據(jù)高壓鈉燈使用手冊，400w高壓鈉燈的光源光通量=48000Im，假設(shè)路面干燥，且該路面為瀝青路面，依據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，路面平均亮度系數(shù)q=0.1，路面維護(hù)系數(shù)k=0.65，參照亮度產(chǎn)生曲線=0.45，由（1）式計(jì)算出湖濱北路（銀座西）路面平均亮度為1.7cd/m2。

（2）路面平均照度值。該路段路燈采用雙側(cè)對稱布局，依據(jù)燈具利用曲線，利用系數(shù)CU=0.6，且該路段路燈為單一光源，即N=1，由（2）式計(jì)算出湖濱北路（銀座西）路面平均照度為21.93Ix。

（3）眩光值。在平行道路的軸線的垂直平面內(nèi)從燈具最下點(diǎn)起算，80°方向上的光強(qiáng)I80=1920cd，88°方向上的光強(qiáng)I88=844cd，F(xiàn)為0.084m2，平均路面寬度從眼睛水平線到燈具的垂直距離h=10m，每千米燈具數(shù)p=18，由(3)式計(jì)算出湖濱北路（銀座西）眩光為6.73。

（4）照明功率密度值。因此段路燈為雙側(cè)對稱布局，則單位面積（四盞相鄰路燈之間路面面積）S=15 ×55=825m2，由（4）式計(jì)算出湖濱北路（銀座西）照明功率密度為0.97W/m2。

依此類推，分別計(jì)算得出各個(gè)路段的路面平均亮度、路面平均照度、眩光控制等級、照明功率密度，如圖1-4所示。

3.2 結(jié)果

（1)德州市各路段的路燈布局配置相差很大，有的路段的各項(xiàng)指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)值，如晶華大道；大部分路段則與國家標(biāo)準(zhǔn)值相差較大；還有部分路段與國家標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)，如湖濱北路（銀座南）的路面平均亮度遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）老城區(qū)及城市繁華地段的各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)高于新城區(qū)及遠(yuǎn)離市中心的寬闊路段，如大學(xué)東路（華宇）的路面平均照度僅為4.348Ix,遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)的20Ix。

（3）太陽能（LED）路燈路段（如三八路）的路面平均亮度、平均照度均低于普通鈉燈路段，也低于國家標(biāo)準(zhǔn)值，但其眩光控制等級遠(yuǎn)高于鈉燈路段。

（4）LED路燈在主干道的照明效果不是很理想，雖然路燈密度較大，但由于路燈的光通量不高，使得路面平均照度和平均亮度達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)值。

圖1 道路路面平均亮度

圖2 道路路面平均照度

圖3 道路眩光控制等級

LED路燈路段的路面平均照度與平均亮度均低于高壓鈉路燈，是由于高壓鈉路燈中比較好的配光形式可以達(dá)到短投射水平，甚至有的還可以達(dá)到中投射水平。與傳統(tǒng)高壓鈉路燈相比，大多數(shù)LED路燈的投射距離偏近。通過對三八路LED路燈路段進(jìn)行模擬分析，顯示出LED路燈與高壓鈉路燈的優(yōu)劣勢。三八路是德州市的一條主要道路，通過上述計(jì)算可以看出，三八路路面平均照度與平均亮度均比國家標(biāo)準(zhǔn)值低很多，這是由于國內(nèi)LED路燈的光效應(yīng)較差，大部分低于80Ix/w，而高壓鈉路燈則基本上處于100Ix/w。將三八路由主路模擬為次干道，其他配置不變，當(dāng)換到次干道上時(shí)，不管是路面平均照度還是平均亮度都能很好地滿足國家標(biāo)準(zhǔn)值（見表3）。

圖4 道路照明功率密度

表3 LED路燈模擬為次干道的對比結(jié)果

綜合上述計(jì)算分析表明，在次干道以及支干道上LED路燈具有良好的節(jié)能效果，而且路面平均照度與平均亮度均符合國家標(biāo)準(zhǔn)值的要求，而LED路燈目前還不適合應(yīng)用于快速主干道，因而快速主干道仍以高壓鈉燈為主。

4 結(jié)論與建議

通過以上實(shí)證分析發(fā)現(xiàn)，德州市城區(qū)路燈因布局不夠規(guī)范造成不必要的能源浪費(fèi)。其主要問題是城市各路段的路燈布局配置相差較大，部分路段與國家標(biāo)準(zhǔn)值相差甚遠(yuǎn)，新老城區(qū)及繁華地段的各項(xiàng)指標(biāo)相差很大，配置LED路燈的主干道照明效果也不理想。目前，LED路燈的使用尚未成熟，還沒有充分發(fā)揮LED路燈的優(yōu)勢，主要是將LED路燈使用在主干道上，造成照明指標(biāo)達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)實(shí)證分析表明，LED路燈在次干道、支干道上更具有優(yōu)勢，能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)值，更有利于節(jié)能減排工作的深入展開。

基于上述實(shí)證分析，對德州市城區(qū)路燈布局提出如下建議：

（1)由于LED路燈光線覆蓋范圍窄、亮度不夠均勻，現(xiàn)階段LED路燈暫不宜安裝在城市主干道上，但可將其安裝在對照度及亮度要求不高的支干道及次干道、鄉(xiāng)村旅游道路、城鄉(xiāng)結(jié)合公路、偏遠(yuǎn)山區(qū)等，尤其適合安裝在交通不便的偏遠(yuǎn)山區(qū)和不方便接入市電的地區(qū)[6-7]。

（2)根據(jù)使用地的實(shí)際情況，采取市電互補(bǔ)的形式安裝LED路燈，在確保路燈正常使用的情況下節(jié)約能源。

（3)提高LED路燈科普知識(shí)，把握LED路燈的優(yōu)缺點(diǎn)，趨利避害，使LED路燈真正成為現(xiàn)代大都市開展節(jié)能減排的有力工具。

[1]沈曉波，周永.路燈照明節(jié)能分析[EB/OL].(2010-06-03)[2010-06-25].http://114.255.43.243/news_view6.asp?lm2=12&id=289.

[2]周太明，皇甫炳炎，周莉，等.電氣照明設(shè)計(jì)[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2001:183-201.

[3]中華人民共和國建設(shè)部.城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) (CJJ45-2006)[EB/OL].(2006-12-19)[2010-06-25].http://www.sunsgy.com/upload/tup.htm.

[4]牟同升，李俊凱.道路照明燈具空間光分布測試與應(yīng)用[EB/OL].(2008-06-26)[2010-06-25].http://www.lightingchina.com/zhuanti/714.html.

[5]周廣郁.淺談道路照明中的眩光[J].燈與照明，2003，27(2):7-8.

[6]倪健.綠色照明與節(jié)能[J].浙江建筑，2007，24(12):39-41.

[7]袁世建.太陽能道路照明裝置的設(shè)計(jì)[EB/OL].(2010-03-05)[2010-06-25].http://solar.nengyuan.net/2010/0305/15441.html.

[責(zé)任編輯：張玉峰]

An Empirical Study on Lighting, Energy Saving and Emission Reduction of City Road ---------A Case Study of Dezhou City

LI Yunlong, TAN Juntao, FAN Xiaoning, LIU Fugang
(Department of Geograph, Dezhou University, Dezhou, 253023, China)

Reducing the energy consumption and saving energy is an inevitable option for the design and layout of a city road lighting system. A measurement made on the main road lamps in Dezhou City and an empirical study conducted by using the road average brightness, the road average illuminance and other related parameters show that there's a big difference in the lamp allocation of various streets with some streets bearing great difference from the national standard, as well as in each index in the old and new city areas and the downtown area with the lighting effect of the main roads equipped with LED far from perfect. This paper puts forward suggestions on perfecting the layout of the city road lamps.

Dezhou City; Road lighting; LED; Energy saving and emission reduction

U491.5+3

A

1671-4326(2010)04-0047-05

2010-07-05

李云龍（1988—），男，山東諸城人，德州學(xué)院地理系本科生；譚俊濤（1988—），男，山東青島人，德州學(xué)院地理系本科生；范曉寧（1969—），男，河北秦皇島人，德州學(xué)院地理系，高級實(shí)驗(yàn)師；劉富剛（1964—），男，山東濟(jì)南人，德州學(xué)院地理系副教授.