城市照明節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程

郭起宏 張少夫 吳貴才

(深圳市燈光環(huán)境管理中心，深圳518026)

1 前言

全面落實(shí)《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》，大力推行“中國(guó)綠色照明工程”，提高能源利用率，建立優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)、舒適、安全的城市照明環(huán)境，是發(fā)展經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)迫切需要解決的重要問(wèn)題。

1996年在聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署(UNDP)和全球環(huán)境基金(GEF)的資助下，由我國(guó)建設(shè)部聯(lián)合有關(guān)部門發(fā)起的中國(guó)綠色照明工程取得顯著成果。為擴(kuò)大中國(guó)綠色照明工程的成果，建設(shè)部于2001年又繼續(xù)實(shí)施了“中國(guó)綠色照明工程促進(jìn)項(xiàng)目”，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2006年，建設(shè)部組織編制了《“十一五”全國(guó)城市綠色照明工程規(guī)劃綱要》，明確提出，以2005年底為基數(shù)，年城市照明節(jié)電目標(biāo)5%，5年(2006—2010年)累計(jì)節(jié)電25%。十二五規(guī)劃中又將城市照明節(jié)能放到重要位置。但是，從實(shí)踐上看，城市綠色照明工作發(fā)展不平衡，還存在不少問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)，全社會(huì)節(jié)約用電、保護(hù)環(huán)境的意識(shí)有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

2 城市照明高耗能原因分析［1］

2.1 有些城市道路照明的規(guī)劃設(shè)計(jì)不合理，布燈不合理、桿高和功率不合適、光源電器不節(jié)能的規(guī)劃設(shè)計(jì)常有發(fā)生，有的造成光污染，有的又照度不夠。

2.2 許多景觀照明片面追求亮度，無(wú)節(jié)制地使用大功率的投光燈和泛光燈，沒有研究使用節(jié)能型光源，也沒有深刻理解其景觀特性，沒有遵循在特殊時(shí)間和特殊時(shí)段開放的原則，而是每天整晚開啟。

2.3 城市道路照明直接接用市電電網(wǎng)，各供電點(diǎn)變壓器的輸出電壓遠(yuǎn)大于額定電壓220V，有的高達(dá)250V以上，使輸出功率大大增加。特別是晚上12:00后正是用電低谷，電網(wǎng)電壓升高，燈泡比上半夜更亮，而此時(shí)段的人流、車流明顯減少，燈光利用率相當(dāng)?shù)汀?/p>

2.5 沒有重視科學(xué)管理，如沒有嚴(yán)格按照科學(xué)合理的時(shí)間開啟和關(guān)閉路燈，經(jīng)常造成早開燈和晚關(guān)燈;沒有定期清洗燈具，光通量的利用率大大降低。

3 城市照明節(jié)能系統(tǒng)的組成

城市照明節(jié)能是一個(gè)系統(tǒng)工程。要全面實(shí)現(xiàn)綠色照明，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，就需要從城市照明的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)及管理等四個(gè)環(huán)節(jié)系統(tǒng)的綜合考慮，協(xié)調(diào)統(tǒng)一去實(shí)現(xiàn)。

城市照明系統(tǒng)由電源、供配電系統(tǒng)、供電線路、燈具和光源組成，從能量的流經(jīng)途徑來(lái)看，電能從供電點(diǎn)流經(jīng)電纜，最后到達(dá)燈泡，節(jié)能就要從城市照明系統(tǒng)的各個(gè)組成部分入手，提高效率，節(jié)約能源。所以，城市照明節(jié)能就是要在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)及管理等四個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)城市照明系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮，確保照明系統(tǒng)每一個(gè)組成部分均達(dá)到節(jié)能要求。

電源是整個(gè)系統(tǒng)的能源保障，使用清潔環(huán)保的能源，能減少溫室氣體的排放甚至不排放溫室氣體，從而最大限度地達(dá)到綠色照明及環(huán)保節(jié)能的目的。太陽(yáng)能［2］、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能是現(xiàn)有最環(huán)保的能源，它們不產(chǎn)生溫室氣體。

供配電控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障，技術(shù)先進(jìn)、完善、質(zhì)量可靠的供配電控制系統(tǒng)能很好地控制照明系統(tǒng)的運(yùn)行，能依據(jù)本地的地理環(huán)境、光照條件、人車流狀況準(zhǔn)確地開關(guān)燈，適時(shí)地啟動(dòng)節(jié)能設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，能提高運(yùn)行效率及照明系統(tǒng)的使用壽命。

選擇技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、高效率、節(jié)能環(huán)保的燈具(光源)是實(shí)現(xiàn)綠色照明的重要保證。要獲得設(shè)計(jì)所要求的照明效果，達(dá)到節(jié)能環(huán)保要求，最終都需要通過(guò)使用合適的燈具(光源)來(lái)達(dá)到，因此，根據(jù)使用場(chǎng)合、地點(diǎn)、照明效果、人車流狀況等要求的不同，正確地選擇燈具(光源)顯得非常重要。

供電線路是傳輸電能的通道，線徑及線纜的質(zhì)量對(duì)能量損耗的影響較大，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合適的線徑并在施工中得到保證。

維護(hù)管理是以上措施能否發(fā)揮其效能的根本因素，再好的照明系統(tǒng)都需要全面且良好的維護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和項(xiàng)目需求，調(diào)研論證當(dāng)今傳輸主流技術(shù)方案的性能特點(diǎn)，比較分析，光纖、4G、網(wǎng)橋、WiFi等技術(shù)方案，詳見表2。

4 供、配、送電環(huán)節(jié)節(jié)能的主要途徑

4.1 在確保功能和效果的前提下，合理調(diào)整亮燈數(shù)量和時(shí)間，道路照明應(yīng)全面推廣半夜燈，主次干道實(shí)行雙回路供電，分全夜燈回路和半夜燈回路，支路、工業(yè)區(qū)和生活區(qū)路、路幅較窄的街道可采用半夜單邊亮燈方式［1］。景觀照明建設(shè)范圍應(yīng)嚴(yán)格限定，嚴(yán)格控制使用大功率的投光燈和泛光燈，嚴(yán)格遵循在特殊時(shí)間和特殊時(shí)段開放的原則。

4.2 合理布局供電點(diǎn)，控制變壓器容量，變壓器采用SC11型以上節(jié)能產(chǎn)品，對(duì)變壓器輸出電壓進(jìn)行調(diào)檔，使輸出電壓為額定值，若無(wú)法調(diào)低，可采用省電機(jī)進(jìn)行降壓節(jié)能［1］。

目前比較理想的是智能型省電機(jī)，采用微電腦控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集輸出、輸入電壓信號(hào)與最佳照明電壓比較，通過(guò)計(jì)算進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保證輸出最佳的照明系統(tǒng)工作電壓:前半夜輸出電壓為額定電壓，后半夜自動(dòng)進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)，但始端輸出電壓不低于200V，可實(shí)現(xiàn)智能照明調(diào)控、有效保護(hù)電光源、降低電能消耗的功能。

4.3 對(duì)電路進(jìn)行無(wú)功集中補(bǔ)償［1］。集中補(bǔ)償是將電容器集中裝在配電裝置中，其優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，利用率高，缺點(diǎn)是不能減少低壓線路上的電壓損耗和電能損耗，只能對(duì)電網(wǎng)起無(wú)功補(bǔ)償作用，另外，必須加裝放電設(shè)備。

4.4 利用太陽(yáng)能供電［2］。太陽(yáng)能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，當(dāng)前的單晶硅電池產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)16%，但價(jià)格較高，只應(yīng)用于某些特殊場(chǎng)合，多晶硅光伏電池產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率約為13%，因成本相對(duì)單晶硅電池較低，較多地應(yīng)用于照明產(chǎn)品。目前，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的成本通常相當(dāng)于4～5年的供電收入，這大大影響了其推廣應(yīng)用。2007年硅谷公司已研究出納米太陽(yáng)能生產(chǎn)技術(shù)，將一層吸收光能的納米涂料噴到只有鋁箔厚薄的金屬上，以類似印刷的方法生產(chǎn)太陽(yáng)能電池，可將太陽(yáng)能板的價(jià)格縮減至目前的10%，該產(chǎn)品的問(wèn)世為以后大規(guī)模地應(yīng)用太陽(yáng)能奠定了基礎(chǔ)，太陽(yáng)能照明也必將得到飛躍式的發(fā)展。風(fēng)光互補(bǔ)的太陽(yáng)能路燈也正在不斷完善中［2］。

4.5 減少供電線路上的損耗［1］。一方面，按公式S=I/In［式中S為電纜截面積(mm2)，I為路燈負(fù)荷電流(A)，In為經(jīng)濟(jì)電流密度(A/mm2)］選擇電纜截面，使電阻為合理值，從而減小線損。另一方面，保證變壓器三相用電基本平衡，因?yàn)槿嚯娏鞑黄胶鈺r(shí)，將增大線路損耗。

5 用電環(huán)節(jié)節(jié)能的主要途徑

5.1 選用發(fā)光效率高的光源。光源的節(jié)能主要取決于它的發(fā)光效率，但光源的選用不能單純從光效出發(fā)，而就根據(jù)它們其他性能如顯色指數(shù)、使用壽命、啟動(dòng)特性等綜合考慮，合理運(yùn)用。

首先在道路照明中大力推廣高壓鈉燈、金屬鹵化物燈和節(jié)能燈。根據(jù)使用環(huán)境、照明效果的不同要求、人車流狀況、顯色性的不同要求，正確合理地選用高效節(jié)能、綠色環(huán)保的光源是節(jié)能的關(guān)鍵。選用時(shí)應(yīng)根據(jù)視覺工作的要求，在綜合考慮光源技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)時(shí)，盡量采用高光效、長(zhǎng)壽命、低污染的光源，以獲得長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益及保證使用人的視覺要求。

其次是積極試用和謹(jǐn)慎推廣LED路燈［3］。LED路燈是近年才快速發(fā)展的光源，據(jù)最新資料，冷白光LED的光效在實(shí)驗(yàn)室已達(dá)193 lm/W，藍(lán)光LED的光效能達(dá)305 lm/W，理論上壽命達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。但是LED用于道路照明處于剛剛起步的階段，實(shí)際使用中存在亮度不夠、照度不均勻、光線穿透力不強(qiáng)、溫升較大、光衰較快、電器元件易壞而使整個(gè)燈具報(bào)廢等問(wèn)題。LED在照明領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景，必將取代傳統(tǒng)的照明光源，但必須先解決以下問(wèn)題:提高發(fā)光效率(lm/W)、解決散熱問(wèn)題、降低成本、提高顯色性［3］。

再次是積極試用檢測(cè)其他高效節(jié)能光源如無(wú)極燈。無(wú)極燈具有光效較高、壽命長(zhǎng)、顯色性高等特點(diǎn)，可用于小區(qū)照明、室內(nèi)不便維護(hù)的地方、長(zhǎng)度較短且通風(fēng)良好的隧道、酒店、大型建筑大堂照明等，可以減少維護(hù)量、提高照明質(zhì)量。但因無(wú)極燈的光波波長(zhǎng)的原因，其光線的穿透力不強(qiáng)，因而其在道路照明上的應(yīng)用受到很大限制。

5.2 選用優(yōu)質(zhì)高效的燈具［1］。燈具性能(主要是燈具的效率和配光)的好壞對(duì)節(jié)能具有非常重要的意義。燈具效率是在規(guī)定條件下照明燈具發(fā)射的光通L與燈具內(nèi)的全部光源在燈具外點(diǎn)燃時(shí)發(fā)射的總光通S之比，用“η”表示，即η=L/S，一般來(lái)說(shuō)，η同燈罩材料的反射比與透射比成正比，敞開式燈具的效率取決于燈具開口面積S0與反射面積S的比值及反射罩的形狀，S0/S愈大愈好。因此，選擇燈具應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:(1)應(yīng)有較高的利用系數(shù)，(2)合理選擇燈具的配光，(3)優(yōu)先選用塊板式燈具，(4)盡量選用具有高保持率的燈具。

5.3 選擇節(jié)能高效的電器［1］。電子鎮(zhèn)流器與電感式鎮(zhèn)流器比較，具有如下優(yōu)點(diǎn):電感式鎮(zhèn)流器自身能耗為燈泡的10%～15%，電子鎮(zhèn)流器本身能耗極低，可以明顯地減小工作電流，大大節(jié)省了電能，且電子鎮(zhèn)流器啟動(dòng)性能好，功率因數(shù)高。但該產(chǎn)品至今未得到普及的原因主要是自身溫升使電子元器件性能不穩(wěn)定，且壽命不長(zhǎng)。目前有廠家已推出了變功率鎮(zhèn)流器，它能根據(jù)道路使用狀況而調(diào)節(jié)功率，達(dá)到較高的節(jié)能效果。

5.4 對(duì)感性鎮(zhèn)流器實(shí)行單燈電容補(bǔ)償。單燈補(bǔ)償就是在每盞燈上并聯(lián)一個(gè)電容量適當(dāng)?shù)碾娙萜鬟M(jìn)行補(bǔ)償，既減少照明電路的無(wú)功功率，也能降低低壓照明線路上的電能損耗和電壓損耗，同時(shí)，因?yàn)榫€路電流降低，可選用較小截面的導(dǎo)線。單燈補(bǔ)償?shù)慕?jīng)驗(yàn)值:250W、400W高壓鈉燈補(bǔ)償電容器電容值分別為30μF、50μF。

6 管理環(huán)節(jié)節(jié)能的主要途徑

6.1 嚴(yán)格控制道路照明亮燈時(shí)間。如利用“三遙”監(jiān)控系統(tǒng)使開、關(guān)燈時(shí)間更科學(xué)、更合理，避免電力浪費(fèi)［4］。據(jù)測(cè)算，三遙監(jiān)控比傳統(tǒng)控制方式節(jié)電約2%。景觀照明按要求亮燈，減少景觀照明亮燈時(shí)間。

6.2 通過(guò)維護(hù)管理達(dá)到節(jié)能的目的。如定期對(duì)燈具、控制設(shè)備進(jìn)行清掃及維護(hù)，并清洗燈罩，以保證0.65以上的維護(hù)系數(shù)，保證光通量的利用率。

6.3 對(duì)達(dá)到額定壽命的光源電器進(jìn)行及時(shí)更換，以免讓光源電器在超出其額定壽命的低光通、高損耗的情況下運(yùn)行，不僅達(dá)不到照明質(zhì)量，還浪費(fèi)能源。

7 結(jié)論

城市照明節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，要全面實(shí)現(xiàn)綠色照明，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，就需要從城市照明的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)及管理等四個(gè)環(huán)節(jié)系統(tǒng)的綜合考慮，協(xié)調(diào)統(tǒng)一去實(shí)現(xiàn)。在照明設(shè)計(jì)和建設(shè)中確定合適的照明標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)照明環(huán)境、使用人群、不同功能和背景亮度等來(lái)確定照明標(biāo)準(zhǔn)，不能因?yàn)楣?jié)能而該意降低照明標(biāo)準(zhǔn)，犧牲照明效果，也不能為追求亮度而浪費(fèi)能源。

［1］郭起宏.城市燈光的節(jié)能研究［J］.節(jié)能.2002(9):30～31.

［2］郭起宏，賀孝田.太陽(yáng)能應(yīng)用于道路照明的若干瓶頸問(wèn)題研究［J］.中國(guó)照明電器.2010.(11):6～9.

［3］郭起宏，高京泉，賀孝田.LED道路照明若干技術(shù)瓶頸問(wèn)題研究——基于與高壓鈉燈的比較［J］.照明工程學(xué)報(bào).2010.21(1):64～68.

［4］郭起宏.城市景觀燈光系統(tǒng)控制技術(shù)［J］.中國(guó)照明電器.2003.(4):16～18.