玉樹災(zāi)后重建LED道路照明設(shè)計(jì)

要 銳

(北京市政工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100082)

1 引言

2010年4月14日，青海省玉樹州發(fā)生7.1級(jí)強(qiáng)烈地震。玉樹州府所在地結(jié)古鎮(zhèn)成為極重災(zāi)區(qū)。按照玉樹災(zāi)后重建工作的總體部署，北京市是支援玉樹災(zāi)后市政道路基礎(chǔ)設(shè)施重建工作的實(shí)施主體。

玉樹州地處青藏高原，平均海拔4000米左右，空氣稀薄，透明度高，氣候干燥少雨，晴天多，溫差大，日照時(shí)間長，日照百分率50%以上，全州年日照2467～2789小時(shí)之間，年輻射量每平方公里623～674千焦。

如何針對(duì)玉樹州特殊的地理、氣候情況，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐缆?、供電現(xiàn)狀，確定結(jié)古鎮(zhèn)的道路照明方式，選擇新型綠色光源，實(shí)施環(huán)保、節(jié)能、富有民族特色的道路照明設(shè)計(jì)，是本項(xiàng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

2 背景描述

2.1 道路現(xiàn)狀及規(guī)劃

2.1.1 道路現(xiàn)狀

玉樹州結(jié)古鎮(zhèn)公路網(wǎng)構(gòu)架初步形成，但是存在技術(shù)等級(jí)不高和網(wǎng)絡(luò)連通度不夠等問題，導(dǎo)致對(duì)外交通承載能力和應(yīng)急能力不足，在一定程度上制約了玉樹地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2.1.2 規(guī)劃功能等級(jí)劃分

按照道路使用功能劃分，城區(qū)道路功能劃分為四個(gè)層次:一是對(duì)外聯(lián)絡(luò)干道，包括對(duì)外公路;二是中心城區(qū)干道，包括主干道、次干道;三是組團(tuán)內(nèi)部道路，包括交通性街道、生活性街道;四是旅游景觀道路，包括:步行街、馬道游覽。

2.1.3 不同等級(jí)道路承擔(dān)的功能

1)組團(tuán)之間的聯(lián)系:由中心城主干道和次干道承擔(dān);

2)組團(tuán)中心服務(wù)以及組團(tuán)進(jìn)出交通:由組團(tuán)內(nèi)部交通性街道承擔(dān);

3)組團(tuán)內(nèi)部交通:以組團(tuán)內(nèi)部生活性街道為主;

4)旅游特色交通:旅步行街、馬道游覽路、轉(zhuǎn)經(jīng)路、濱河步道等。

2.1.4 道路網(wǎng)規(guī)劃方案

玉樹中心城區(qū)道路網(wǎng)干路系統(tǒng)格局呈“三橫三縱”，突破了原有“一橫一縱”的T字型格局，大幅提升了道路交通承載能力 (見圖1)。中心城區(qū)道路路網(wǎng)系統(tǒng)主要由7條中心城區(qū)主干路和13條中心城區(qū)次干路構(gòu)成，其中:中心城區(qū)主干路約26.3公里，中心城區(qū)次干路約15.87公里，組團(tuán)內(nèi)部交通性街道43.1公里，主要道路共計(jì)61.27公里 (不含組團(tuán)內(nèi)部生活性街道)。

圖1 玉樹州結(jié)古鎮(zhèn)規(guī)劃

2.2 道路照明供電現(xiàn)狀及規(guī)劃

(1)現(xiàn)狀情況

地震前，玉樹州結(jié)古鎮(zhèn)與稱多縣聯(lián)網(wǎng)供電，共有水電站七座，地震中，部分電站損毀嚴(yán)重，不能再用，只有個(gè)別小水電站修復(fù)后可繼續(xù)使用。

城區(qū)內(nèi)除幾條道路有照度不高的太陽能路燈外，其余道路均無道路照明設(shè)施。

(2)存在問題

供電能力不足，無法滿足地區(qū)電力需求;電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，抗災(zāi)害能力弱;設(shè)備陳舊老化嚴(yán)重，供電能力和電能質(zhì)量低;中壓配網(wǎng)以架空為主，影響供電安全性和可靠性。

從供電現(xiàn)狀看，道路照明的供電系統(tǒng)難以在短時(shí)間內(nèi)得到充足可靠的供電保障。

3 道路照明設(shè)計(jì)原則

綜合考慮玉樹地區(qū)特殊情況，選擇適宜的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);以合理確定工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，盡量減少拆遷占地，節(jié)約工程投資為原則;道路照明設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮節(jié)約能源，注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)和美觀實(shí)用性。

4 常規(guī)路燈照明型式及光源的比較

當(dāng)前國內(nèi)常規(guī)路燈照明主要有市電、太陽能、風(fēng)光一體等三種型式，其特點(diǎn)如下:

(1)市電路燈照明方式

該方式是各城市中廣泛應(yīng)用的常規(guī)照明方式，適用于各種不同標(biāo)準(zhǔn)的道路照明，照明方式靈活且效果好，燈具維護(hù)工作量小，但需配置路燈供電設(shè)備及敷設(shè)電纜管線，施工安裝工作量較其它兩種方式要大。

(2)太陽能路燈照明方式 (見圖2、圖3)

太陽能路燈這種新型綠色高科技路燈照明形式，吸收太陽光，通過光電轉(zhuǎn)換為路燈供電，無需外接市網(wǎng)電，與高效能的LED光源配合，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能、環(huán)保、施工安裝方便，不需配置路燈供電設(shè)備及敷設(shè)電纜管線。路燈開關(guān)無須人工操作，由智能時(shí)控器自動(dòng)感應(yīng)天空亮度進(jìn)行控制。缺點(diǎn)是適用于次干道以下道路照明，不能有遮擋物 (一般不適用于城市中心區(qū))燈具維護(hù)及電池更新維護(hù)量大 (目前電池一般5年就需更換)。

近些年，在點(diǎn)亮新農(nóng)村工程、“十城萬盞”等項(xiàng)目中，政府花費(fèi)了大量資金，使許多供電無法送達(dá)的鄉(xiāng)村道路也得到照明。不光給農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)帶來實(shí)惠，也為太陽能照明的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。

(3)風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明方式

風(fēng)光互補(bǔ)路燈是新型綠色高科技照明產(chǎn)品，在白天可以利用太陽光和風(fēng)力資源發(fā)電，晚上利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電，彌補(bǔ)了風(fēng)能供電或太陽能供電的單一性，使供電系統(tǒng)更具穩(wěn)定性和可靠性。風(fēng)光互補(bǔ)路燈雖然具有以上優(yōu)點(diǎn)，但其相對(duì)于單一采用太陽能的太陽能路燈來說結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行維護(hù)要求較高。

圖2 震后太陽能夜間照明

圖3 震后太陽能路燈

(4)LED路燈與傳統(tǒng)高壓鈉燈路燈參數(shù)比較LED路燈與傳統(tǒng)高壓鈉燈路燈參數(shù)比較見表1。

表1 LED路燈與傳統(tǒng)高壓鈉燈路燈參數(shù)比較

綜合比較，LED路燈即半導(dǎo)體照明燈，它是一種固態(tài)冷光源，將電能直接轉(zhuǎn)化為光能。具有環(huán)保無污染、耗電少、光效高、壽命長等特點(diǎn)，因此，LED路燈在道路照明節(jié)能改造中將有廣泛的應(yīng)用前景。

(5)結(jié)論

2010年4月15日地震當(dāng)天夜里，由于電力全部癱瘓，在一片漆黑的結(jié)古鎮(zhèn)縣城，還能看到部分地區(qū)有星星點(diǎn)點(diǎn)的亮光，正是太陽能LED路燈在發(fā)揮作用。它給震后的結(jié)古鎮(zhèn)帶來了一絲光亮，并且伴著抗震救災(zāi)的大軍度過了無數(shù)的日日夜夜。這就是為什么當(dāng)?shù)厝罕姾皖I(lǐng)導(dǎo)對(duì)太陽能路燈情有獨(dú)鐘。

考慮到盡可能減少道路照明設(shè)施日常運(yùn)行、維護(hù)的工作量，并根據(jù)玉樹州結(jié)古鎮(zhèn)日照充足，以及當(dāng)?shù)毓╇娋o張的實(shí)際情況，綜合比較以上三種照明方式，在設(shè)計(jì)中主要采用市電路燈照明和太陽能路燈照明相結(jié)合的方式，且兩種方式光源均采用LED燈。

5 設(shè)計(jì)依據(jù)

(1) 《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 (CJJ 45－2006);

(2) 《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB50052－2009);

(3)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50054－2011);

(4) 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB50057－2010)。

6 結(jié)古鎮(zhèn)道路照明設(shè)計(jì)方案

6.1 太陽能路燈照明方式

(1)概述

玉樹州結(jié)古鎮(zhèn)的次要道路及非中心區(qū)道路照明采用太陽能路燈照明方式。包括:巴塘路 (濱河路)、巴塘路 (當(dāng)代路)、扎西科路、北環(huán)路。

(2)照明標(biāo)準(zhǔn)

太陽能路燈照明標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一參照城市次干路標(biāo)準(zhǔn)。

平均亮度:0.75cd/m2，亮度均勻度:Uo≥0.4，平均照度:10lx，路口交會(huì)處照度為:≥20lx，眩光限制:采用半截光型燈具。

(3)路燈布置形式

路面有效寬度小于10米的，在道路單側(cè)布置8米或9米路燈，燈桿間距約24或28米左右。

(4)照明光源選擇

標(biāo)準(zhǔn)路面:50W LED燈，交匯路口:80W LED燈。

(5)照明控制方式

路燈控制采用太陽能控制器，不光實(shí)現(xiàn)路燈的光控和時(shí)間控制，還能對(duì)太陽能路燈的充放電實(shí)現(xiàn)控制。并能夠在夜間自動(dòng)切控負(fù)載，以便于陰雨天延長路燈的工作時(shí)間。

(6)燈桿技術(shù)要求

玉樹結(jié)古鎮(zhèn)主街道將建設(shè)為玉樹重建后不同以往獨(dú)具民族特色的一道風(fēng)景。為突出地域民族特色，彰顯民族文化，設(shè)計(jì)除具備路燈本身具有的照明功能外，又要在外觀造型上融入玉樹藏民族文化精髓，從而達(dá)到照明和民族特色兼有的功能及效果。

①LED路燈

工作電壓:AC(85V～265V)，頻率:50～60Hz，LED發(fā)光效率:≥100Im/W，燈具效率:≥90%，功率因數(shù):PF＞0.95，顯色指數(shù):Ra≥80，色溫:4500k，防護(hù)等級(jí):IP65，適應(yīng)濕度:≤95%，耐溫－38～+60攝氏度，抗UV紫外線黃化率30000小時(shí)無變化，壽命:≥50000小時(shí)。

②多晶硅太陽能電池板技術(shù)參數(shù)

光的轉(zhuǎn)換效率: ＞16%，全部組件均為ISO9001認(rèn)證工廠中設(shè)計(jì)生產(chǎn)。組件符合國標(biāo)GB/T9535安全等級(jí)規(guī)范，可經(jīng)受高風(fēng)壓、冰雹沖擊和雪壓，具有出色的防火能力，并且能防止鳥類的影響。透光率≥92%。

③太陽能鉛酸蓄電池－免維護(hù)蓄電池

電池倉:須滿足埋地、密封、防水、防潮、防凍要求。要采用防盜螺絲，并具備蓄電池防盜措施。

④太陽能控制器

具有以下保護(hù)功能:蓄電池接反保護(hù)，太陽能電池接反保護(hù)，負(fù)載過流及短路保護(hù)，蓄電池開路保護(hù)。應(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能，防雷保護(hù)功能。使用環(huán)境溫度: －40～+50攝氏度;使用海拔≤5000米。兼有路燈控制功能，具有光控、時(shí)控功能，并應(yīng)具有夜間自動(dòng)切控負(fù)載功能，便于陰雨天延長路燈工作時(shí)間。光控、定時(shí)相結(jié)合并可設(shè)置。使用壽命不低于8年。須通過CE認(rèn)證及GB/T19064國家信息產(chǎn)業(yè)部郵電工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè)認(rèn)證。

⑤路燈燈桿

燈桿材料:鋼件經(jīng)熱鍍鋅處理后噴塑。法蘭盤:尺寸＜400mm×400mm，緊固件螺栓、螺母為不銹鋼。控制器:設(shè)置于燈桿內(nèi)，操作門開關(guān)靈活并確保安全。

6.2 市電電源路燈照明方式

(1)概述

玉樹州結(jié)古鎮(zhèn)的主要道路及中心區(qū)道路照明采用市電電源照明方式。包括:紅旗路、雙擁街、商業(yè)街、政府街、德吉路、結(jié)曲路、扎西科灘路、公園西路、公園東路、八一西路、八一路、結(jié)古路、結(jié)古中路、結(jié)古東路、民主路、紅衛(wèi)路、南環(huán)路、跨河路、勝利路、新寨路、新寨東路 (見圖4～圖11)。

(2)供電方式

圖4 新安裝新寨東路路燈

圖5 新安裝南環(huán)路、北環(huán)路等邊緣道路太陽能路燈

路燈照明用電負(fù)荷確定為三級(jí)負(fù)荷。在道路外側(cè)設(shè)置箱式變電站為道路照明負(fù)荷供電。箱式變電站供電半徑約1000米。由就近的10kV開閉所為每座箱式變電站提供一路10kV高壓電源。實(shí)際實(shí)施時(shí)根據(jù)與當(dāng)?shù)毓╇姴块T的協(xié)調(diào)結(jié)果，可結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，采用就近引入低壓電源的供電方式。

(3)照明標(biāo)準(zhǔn)

①主干路:平均亮度:1.5cd/m2，亮度均勻度:Uo≥0.4，平均照度:20lx，路口交會(huì)處照度為:≥30lx，眩光限制:采用截光型燈具。

②次干路:平均亮度:0.75cd/m2，亮度均勻度:Uo≥0.4，平均照度:10lx，路口交會(huì)處照度為:≥20lx，眩光限制:采用半截光型燈具。

(4)路燈布置形式

路面有效寬度小于10米的，在道路單側(cè)布置8米或9米路燈，燈桿間距約24或28米左右。

(5)照明光源選擇

為了保證各條道路光色，照度的一致性，將市電電源路燈的光源與太陽能路燈的光源選擇一致，均采用LED型燈具。

①主干路:標(biāo)準(zhǔn)路面:100W LED燈，交匯路口:125W LED燈。

②次干路:標(biāo)準(zhǔn)路面:50W LED燈。交匯路口:80W LED燈。

(6)照明控制及節(jié)能

在箱式變電站中裝設(shè)有路燈控制儀，可實(shí)現(xiàn)人工及自動(dòng)兩種控制。在正常情況下，采用自動(dòng)控制方式，可按照一年中的日出、日落時(shí)間進(jìn)行定時(shí)開啟控制;或者采用手動(dòng)方式進(jìn)行開、關(guān)路燈的控制。照明燈具順序按A、B、C相跳相接線，保持照明負(fù)荷三相平衡。LED路燈光源以其光效高、壽命長、工作電壓低等特性，充分體現(xiàn)了它的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

(7)燈桿技術(shù)要求:同太陽能路燈

7 問題及探討

(1)LED道路照明標(biāo)準(zhǔn)

LED是正在快速發(fā)展中的新型綠色光源。目前，還沒有一個(gè)可供設(shè)計(jì)人員使用的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。在本設(shè)計(jì)中，主要依據(jù)的是現(xiàn)有《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)LED路燈特點(diǎn)在不同等級(jí)路段進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

圖6 新安裝跨河路路燈

圖7 新安裝政府街等道路路燈

圖8 新安裝道路路燈夜間效果圖

圖9 新安裝路燈燈頭

圖10 新安裝商業(yè)街、紅旗路等道路路燈效果圖

圖11 新安裝民主路、紅衛(wèi)路等主路路燈效果圖

(2)LED的色溫問題

低色溫的黃色光穿透雨霧的能力較好，但是，LED路燈色溫偏高，在雨霧及灰塵較大的氣候，對(duì)道路照明的效果有一些影響。尤其是結(jié)古鎮(zhèn)正處于如火如荼的重建階段，LED光源在塵土較大的晚間照明時(shí)段效果受到很大影響。

本項(xiàng)工程主要考慮到，當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境中雨霧天氣畢竟占的比例比較小，且待到結(jié)古鎮(zhèn)基本建成后，塵土問題也會(huì)相應(yīng)消除，選擇適應(yīng)雨霧天氣的暖色溫?zé)艟?，從而提高燈具的造價(jià)和容量并不是最佳的方法，因此，并沒有考慮采用較低色溫的LED路燈。

(3)海拔高及環(huán)境溫差大對(duì)LED燈的影響

前面提到，玉樹州地處青藏高原，平均海拔4000米左右，日溫差大。這樣對(duì)LED燈這個(gè)新光源新產(chǎn)品是個(gè)考驗(yàn)。LED產(chǎn)品各個(gè)領(lǐng)域都在開發(fā)研究的階段，但針對(duì)高海拔、高溫差LED燈的具體參數(shù)及對(duì)應(yīng)材料工藝的要求，還沒有一個(gè)可以依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告。而這方面的研究對(duì)今后相應(yīng)地區(qū)LED燈的推廣應(yīng)用會(huì)有廣闊的前景。在本次設(shè)計(jì)中，特意將海拔高度及溫度范圍列入技術(shù)要求中加以強(qiáng)調(diào)。

［1］玉樹州結(jié)古鎮(zhèn)總體規(guī)劃 (災(zāi)后重建)，2010.

［2］“十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要，2011.

［3］城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).CJJ 45－2006.