道路照明節(jié)能改造檢測(cè)及分析

張來(lái)軍 王平 何欣

上海時(shí)代之光照明電器檢測(cè)有限公司, 上海201114

國(guó)家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 上海201114

0 引言

合同能源管理（Energy Performance Contracting,EPC 或Energy Management Contract, EMC），是指節(jié)能服務(wù)公司與用能單位以契約形式約定節(jié)能項(xiàng)目的節(jié)能目標(biāo)，節(jié)能服務(wù)公司為實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)向用能單位提供必要服務(wù)，用能單位以節(jié)能效益支付節(jié)能服務(wù)公司的投入及合理利潤(rùn)的節(jié)能服務(wù)機(jī)制[1]。在合同期內(nèi)，節(jié)能服務(wù)公司對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行免費(fèi)監(jiān)測(cè)、改造、維護(hù)及技術(shù)升級(jí)。合同能源管理模式的道路照明節(jié)能改造工程近幾年在各地興起，如何推進(jìn)項(xiàng)目的開(kāi)展，提供專業(yè)化的服務(wù)，需要一個(gè)權(quán)威的、資質(zhì)強(qiáng)大的、中立的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)來(lái)參與評(píng)估、衡量、檢測(cè)所實(shí)施的節(jié)能改造工程，提供確切的數(shù)據(jù)，從而計(jì)算節(jié)能率和改造后的照明質(zhì)量指標(biāo)，確保符合雙方的相關(guān)利益。沒(méi)有確切的節(jié)能率，節(jié)能服務(wù)公司前期支出的費(fèi)用就不能保證按期收回，也無(wú)法產(chǎn)生相關(guān)效益。文章以第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)的身份，對(duì)參與檢測(cè)節(jié)能改造項(xiàng)目的過(guò)程、方法進(jìn)行闡述，指出了改造后尚存的一些問(wèn)題，總結(jié)分析，并給出建議。

1 道路照明節(jié)能改造檢測(cè)

現(xiàn)階段道路照明設(shè)備還在使用高強(qiáng)度氣體放電燈（HID）光源，其耗電性高、壽命使用短、光衰大、燈具懸掛負(fù)載大及廢棄物污染等問(wèn)題突出。在國(guó)家提倡節(jié)能減排，推廣綠色照明之際，道路照明節(jié)能改造顯得尤為緊迫，以合同能源管理模式引入的LED 道路照明節(jié)能改造工程值得借鑒、推廣。

2018 年期間，本中心受蘇州市吳江區(qū)市政管理中心委托，對(duì)合同能源管理模式（EPC）合同內(nèi)吳江區(qū)所處G318、江城大道、蘇同黎公路、蘇州灣大道等共計(jì)16 條道路上39 個(gè)路段，測(cè)試其路面平均照度及節(jié)能率。選取相應(yīng)的路燈控制箱測(cè)試其改造前后的用電節(jié)能率（改造前路燈為高壓鈉燈，改造后使用LED 路燈）。按照要求，待測(cè)線路內(nèi)非路燈用電的設(shè)備均在電量檢測(cè)中暫時(shí)斷開(kāi)，個(gè)別線路涉及公安探頭等不宜斷電的設(shè)備在報(bào)告中另外描述；節(jié)能改造前后的電量測(cè)試，數(shù)據(jù)均在“全夜燈”模式下采集。電量測(cè)試在路燈控制箱進(jìn)行，如圖1 所示。

圖1 路燈控制箱

通常，節(jié)能率檢測(cè)會(huì)選取不同區(qū)域道路上燈桿，以相同型號(hào)規(guī)格的燈具，連續(xù)5 根燈桿以上，運(yùn)行穩(wěn)定后所形成回路的改造前后實(shí)際消耗功率之比來(lái)確定。當(dāng)然，根據(jù)道路長(zhǎng)短，可以有比例地增減檢測(cè)燈桿的數(shù)量[1]。但實(shí)際上，由于供電電壓的波動(dòng)、燈具的穩(wěn)定性，以及人為的節(jié)能手段調(diào)壓或是切換燈具等，某時(shí)段檢測(cè)的消耗功率不能完全代表整個(gè)路段的使用消耗量。因此，對(duì)檢測(cè)的路段使用一整晚的消耗功率之比來(lái)衡量改造前后的節(jié)能率，檢測(cè)雖比較耗時(shí)，但較完整。使用的節(jié)電檢測(cè)設(shè)備配備了JCYJ-96W3Y 型液晶顯示多功能儀表，集合全面的三相電量測(cè)量、顯示、能量累計(jì)、數(shù)字輸入、輸出與網(wǎng)絡(luò)通訊與一身。使用前，將設(shè)備清零，包括計(jì)時(shí)器；使用時(shí)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，可以隨時(shí)檢測(cè)三相電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率及使用時(shí)間，能完全正確地檢測(cè)、記錄電力負(fù)載，如圖2 和圖3 所示。

圖2 電力檢測(cè)設(shè)備

圖3 檢測(cè)儀表顯示界面

選取相應(yīng)路段的路燈控制箱進(jìn)行檢測(cè)，路燈控制箱現(xiàn)其供電系統(tǒng)基本均為TN-S 系統(tǒng)。TN-S 系統(tǒng)就是三相五線制，也就是供電系統(tǒng)電網(wǎng)提供的低壓系統(tǒng)380 V/220 V，線電壓380 V，相電壓220 V，頻率50 Hz。相線和零線、接地線獨(dú)立運(yùn)行，是比較理想的供電形式。近階段的路燈照明供電路線基本以這種方式運(yùn)行，如圖4 所示。

圖4 TN-S 供電系統(tǒng)（三相五線制）

在路燈開(kāi)啟之前，把檢測(cè)設(shè)備接入配電箱中，并人為手動(dòng)上電一次，來(lái)檢查路燈的亮燈情況，接入設(shè)備接線是否正確，儀表的三相相序是否一致，可以根據(jù)儀表顯示的電參數(shù)初步估算大致的路燈總功率是否在范圍之內(nèi)，并記錄相應(yīng)的電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)。上電之前，需聯(lián)系市政管理中心，排除此路段有維修施工等指令后，方可上電操作，以防止上電后出現(xiàn)觸電等危險(xiǎn)的相關(guān)事故。路燈開(kāi)啟之前，人為上電檢查，這個(gè)步驟非常重要：

（1）檢查該控制箱控制的路燈亮燈率，避免改造前后路燈亮燈數(shù)的不一致，導(dǎo)致的節(jié)能率計(jì)算誤差；

（2）通過(guò)儀表顯示的數(shù)據(jù)，檢查設(shè)備的接線是否正確、相序是否一致，避免造成設(shè)備統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤；

（3）初步計(jì)算運(yùn)行的路燈總功率，一個(gè)配電箱控制多少路燈，每個(gè)路燈多少瓦，總功率是否在正負(fù)偏差內(nèi)，可以知曉、排除有其他非路燈用電設(shè)備的接入，為正確計(jì)量節(jié)能率奠定基礎(chǔ)；

（4）檢查結(jié)束后，設(shè)備儀表、計(jì)時(shí)器復(fù)位，再關(guān)閉電源，切換到自動(dòng)狀態(tài)。路燈的開(kāi)啟和關(guān)閉，是以配電箱中的經(jīng)緯時(shí)控器自行動(dòng)作。經(jīng)緯度時(shí)間控制器只要校正好控制器的時(shí)鐘，輸入所在地的經(jīng)度、緯度，控制器即可根據(jù)地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的規(guī)律，自動(dòng)計(jì)算不同季節(jié)每天的日出日落，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈及相關(guān)設(shè)備的全自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，如圖5 所示。次日上午路燈關(guān)閉后，再取出設(shè)備，記錄有功功率、運(yùn)行時(shí)間等。檢測(cè)時(shí)，設(shè)備接入在同一個(gè)配電箱中，同一條“全夜”線路中，同一處接入點(diǎn)上，力爭(zhēng)使改造前后檢測(cè)一致，把誤差降到最低。

圖5 經(jīng)緯時(shí)控器

CJJ/T 261—2017《城市照明合同能源管理技術(shù)規(guī)程》中節(jié)能率的計(jì)算公式[2]如下：

式中：

節(jié)電效益的計(jì)算公式為：

式中：

根據(jù)節(jié)能改造前后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及上述計(jì)算方法，給出確切的節(jié)能率，供節(jié)能、用能雙方確認(rèn)認(rèn)可。圖6列舉了部分道路改造前后實(shí)測(cè)能耗值的對(duì)比和節(jié)能率。節(jié)能服務(wù)公司應(yīng)與用能單位約定節(jié)能效益分享比例、分享期限，并應(yīng)明確支付方式。[1]

圖6 節(jié)能改造前后用電量對(duì)比圖

2 智慧照明助力二次節(jié)能

隨著道路照明節(jié)能改造工程逐漸深入，智慧照明逐漸受到更多關(guān)注。對(duì)部分要更換的LED 路燈增加了單燈控制器，使得部分路段能夠通過(guò)ZigBee 或NBIoT 等通信手段，將這部分路段的路燈進(jìn)行信息化管理，提升公共管理水平，節(jié)省維護(hù)成本，如圖7 和圖8所示。2019 年期間，在對(duì)蘇州市吳江區(qū)盛澤鎮(zhèn)委托的合同能源項(xiàng)目中，除了把高壓鈉燈用LED 路燈替換外，還專門試制了一條智慧路燈路段，在更換帶有NBIoT 控制器的LED 路燈基礎(chǔ)上，采用智慧照明管理平臺(tái)，來(lái)檢驗(yàn)其對(duì)路燈的管理，實(shí)現(xiàn)每盞路燈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)開(kāi)關(guān)燈、調(diào)光、調(diào)功率、故障自動(dòng)報(bào)警、巡檢等功能。設(shè)置時(shí)間點(diǎn)，路燈到相應(yīng)時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行調(diào)光、調(diào)功率，使得此道路在不同時(shí)間點(diǎn)提供不同的照明，既滿足道路運(yùn)行照明的基本需求，又使得其耗電在合理最小范圍內(nèi)。在更換LED 路燈平均節(jié)能57%基礎(chǔ)上，再次節(jié)能10%以上，實(shí)現(xiàn)真正意義上的二次節(jié)能。當(dāng)然，這僅僅是智慧照明的初級(jí)階段，智慧燈桿的運(yùn)用，使其微基站、視頻監(jiān)控、多媒體屏、緊急呼叫、傳感器、充電樁等，多領(lǐng)域的交叉融和，使得智慧照明進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段，是后期推廣運(yùn)用的方向。[3]

圖7 單燈控制器

圖8 帶單燈控制器的智慧燈具

3 改造后問(wèn)題總結(jié)分析及建議

改造后，LED 道路照明和智慧照明在節(jié)能方面還是很明顯的，但在實(shí)際中尚存一些問(wèn)題值得去分析、思考。道路照明改造不能只片面注重追求節(jié)能率的表現(xiàn)，節(jié)能、用能雙方都必須高度重視改造后照明控制系統(tǒng)的安全、整體公共照明的質(zhì)量，并持續(xù)完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(1) 由于只是把高壓鈉燈更換成LED 燈具，對(duì)于更換后LED 燈具與現(xiàn)有的燈桿高度、間距、懸挑長(zhǎng)度、安裝仰角及步燈位置是否匹配，LED 路燈是否安裝在最佳位置，有待考量。因?yàn)樵趯?duì)新道路進(jìn)行布燈前，都需要照明設(shè)計(jì)師進(jìn)行優(yōu)化比對(duì)，根據(jù)路燈實(shí)際的配光曲線及道路模擬利用系數(shù)來(lái)確定安裝數(shù)據(jù)及相關(guān)照明質(zhì)量指標(biāo)。

(2) 現(xiàn)有的部分路段燈桿與周圍綠化樹(shù)木位置過(guò)近，樹(shù)枝遮擋了大部分光線，雖然更換了LED 燈具，在節(jié)電方面比較突出，但是在路面照度均勻度、亮度均勻度方面還不盡如意，許多地方明暗對(duì)比突出，斑馬效應(yīng)顯現(xiàn)，極易造成駕駛員視覺(jué)疲勞，后續(xù)需采取措施進(jìn)行改進(jìn)，如圖9 所示。

圖9 樹(shù)葉遮擋，造成路面照度、亮度均勻度差

(3) 僅僅更換LED 路燈，其連接線路、配電器件及保護(hù)元件未跟換，存在部分接觸器空開(kāi)，保險(xiǎn)絲老化、銹蝕、開(kāi)裂、接頭松動(dòng)等隱患，可能會(huì)造成一定的負(fù)載及能源損耗；部分配電箱電流分配不均，造成A、B、C 三相負(fù)載不一致，增加線路損耗等。

(4) 由于之前的燈桿，從地面敷設(shè)電線到燈桿最上面的燈具安裝，只是一根相線L 和一根零線N，沒(méi)有專用的接地線，靠燈桿當(dāng)作接地引線存在不可靠、不確定等問(wèn)題。受材質(zhì)和燈桿固定程度的影響，LED燈具輸入端預(yù)留的地線懸置未接，開(kāi)啟燈具時(shí)浪涌和雷電對(duì)燈具存在沖擊，要求更換的燈具需具備良好的SPD 功能進(jìn)行保護(hù)。

(5) 合同能源項(xiàng)目按照之前相關(guān)協(xié)議要求，在不改變照度的前提下，節(jié)能率達(dá)到55%以上。在更換LED 燈具后，實(shí)測(cè)下來(lái)基本能夠達(dá)到所規(guī)定的要求。但是對(duì)于不改變照度的要求，對(duì)此提出相關(guān)建議。由于改造前照度值部分路段已高出標(biāo)準(zhǔn)，造成一定的資源浪費(fèi)。改造后，可因地制宜，對(duì)于交通運(yùn)輸頻繁的路段保持之前的照度值或是高于標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于交通量不是很大的部分道路，只要保證照度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)即可。CJJ 45——2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，機(jī)動(dòng)車主干路平均照度維持最小值為20 lx，次干路平均照度維持最小值為15 lx，支路平均照度維持最小值為8 lx。[4]按照此標(biāo)準(zhǔn)，在跟換LED 燈具后，對(duì)照度超出范圍的道路可再次更換小一級(jí)功率的燈具，使節(jié)能改造達(dá)到最高效。

(6) 更換成LED 燈具后，對(duì)燈具的維護(hù)、檢測(cè)應(yīng)定期進(jìn)行。LED 燈具的光性能受限于LED 的加工工藝、LED 的發(fā)熱、散熱狀況、使用環(huán)境及與之配套的LED 控制裝置的性能等。所以，合同能源項(xiàng)目特別提到，每年進(jìn)行的光照度、節(jié)能率復(fù)測(cè)很有必要，這有利于評(píng)估LED 燈具的可靠性和光衰程度等。

4 結(jié)束語(yǔ)

時(shí)代變革，順應(yīng)節(jié)能低碳環(huán)保趨勢(shì)，完善人性化的照明理念，提倡綠色照明、智慧照明，加快建設(shè)綠色照明信息監(jiān)管系統(tǒng)，使得道路照明改造步伐不止步。后續(xù)將繼續(xù)跟蹤道路照明節(jié)能改造的相關(guān)項(xiàng)目，也希望節(jié)能部門在路燈改造的同時(shí)，不但在節(jié)能方面有所成效及改進(jìn)，在智慧照明、照明質(zhì)量等領(lǐng)域有更一步的提升和突破。在制定相關(guān)協(xié)議上增加改造評(píng)價(jià)指標(biāo)，增加驗(yàn)收檢測(cè)的相關(guān)手段，使得道路照明節(jié)能改造項(xiàng)目真正惠于城市，造福于民。