城市照明節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造

文_劉友泉 杭州市容景觀發(fā)展中心

在“十四五”規(guī)劃中，城市照明節(jié)能及智慧化管控成為一項(xiàng)工作重點(diǎn)。路燈作為城市照明的重要組成部分，具有分布廣泛、數(shù)量眾多的特點(diǎn)，然而不論是光源選擇、還是系統(tǒng)控制，采用的技術(shù)均比較落后，不滿足節(jié)能環(huán)保的要求。伴隨著城市建設(shè)速度加快，人們對(duì)于照明系統(tǒng)提出更高要求，既要提高照明效果，又要降低能源損耗，必須走節(jié)能道路，推廣智慧化管控系統(tǒng)，大力開展升級(jí)改造工作，為節(jié)能型城市的建成貢獻(xiàn)一份力量。

1 城市照明控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1.1 第一階段：傳統(tǒng)控制

該階段，照明控制使用強(qiáng)電回路開關(guān)，僅能對(duì)單個(gè)燈具或局部區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)化控制，代表性控制系統(tǒng)如時(shí)鐘定時(shí)開關(guān)、PLC控制、光感回路控制。傳統(tǒng)控制方式的缺點(diǎn)非常明顯：①控制方式不聯(lián)動(dòng)，不滿足實(shí)時(shí)操作要求；②設(shè)定亮燈狀態(tài)后，修改操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力；③照明設(shè)備的工作狀態(tài)反饋不及時(shí)，影響監(jiān)管效果。

1.2 第二階段：遠(yuǎn)程控制

該階段，照明控制是利用3G網(wǎng)絡(luò)、電力載波技術(shù)，將照明設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)連接起來，可在控制中心對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。相比于傳統(tǒng)控制方式，遠(yuǎn)程控制減少了人力成本，解決了不少問題。即便如此，依然存在一些缺點(diǎn)：①控制場(chǎng)景單一，場(chǎng)景內(nèi)容本身不夠豐富；②控制系統(tǒng)和接口沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)管理規(guī)范不健全，管控意識(shí)薄弱；③燈具廠商之間有技術(shù)壁壘，無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)控制。

1.3 第三階段：智能化控制

該階段，照明控制將新一代信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能化控制，特征表現(xiàn)為多單元接入，區(qū)域聯(lián)動(dòng)控制，場(chǎng)景演繹豐富多彩。智能化控制方式的應(yīng)用，在保證運(yùn)行穩(wěn)定的前提下，兼顧精細(xì)化管理和信息安全，具備多種新型功能?？偨Y(jié)起來，智能化控制的缺點(diǎn)有：①因協(xié)議、接口混亂，系統(tǒng)兼容性差，升級(jí)時(shí)有難度；②網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的應(yīng)用，使系統(tǒng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的依賴性較強(qiáng)，存在一定的安全隱患。

2 城市照明能耗問題及節(jié)能技術(shù)

2.1 城市照明能耗問題

道路照明是城市照明的重要組成部分，過度追求豪華的照明效果，忽視了合理性、節(jié)能性，繼而造成能源浪費(fèi)問題。

2.1.1 單純追求照明亮度

道路照明并非亮度越高越好，實(shí)際上平均照度是關(guān)鍵指標(biāo)，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求即可。亮度過高，炫光會(huì)干擾駕駛?cè)藛T的視線，影響行車安全，造成電能浪費(fèi)；亮度過低，不滿足夜間觀察需求，也容易引起安全事故。

2.1.2 忽視燈光配比效果

路燈設(shè)計(jì)時(shí)，往往將照明亮度、范圍放在首位，忽視了燈光配比效果。相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，城市照明系統(tǒng)中夜景照明占比較大，而功能性照明占比較小。實(shí)際上，功能性照明對(duì)人們的生活影響更大，夜景照明和功能性照明比例分配不合理，無法滿足實(shí)際照明需求。

2.1.3 存在運(yùn)營安全隱患

道路照明費(fèi)用主要來源于地方財(cái)政，在經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)使下，部分城市的運(yùn)營單位未采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，以人工控制為主，根據(jù)季節(jié)、環(huán)境、天氣的變化人為控制照明亮度。相比于自動(dòng)控制，人工控制雖然能節(jié)省成本，但運(yùn)營過程中存在安全隱患：①道路上車流量不斷變化，外部環(huán)境不斷變化，人工控制并不能做到完全同步，這就導(dǎo)致照明該亮?xí)r不亮、該暗時(shí)不暗；②道路亮度均勻性降低，容易出現(xiàn)頻閃效應(yīng)。

2.2 城市照明節(jié)能技術(shù)

針對(duì)以上問題，在城市照明中采用節(jié)能技術(shù)，主要從設(shè)計(jì)、光源、線路、控制4個(gè)方面入手，實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能效果。

2.2.1 設(shè)計(jì)節(jié)能

照明系統(tǒng)的節(jié)能，從設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)開始。①優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合道路實(shí)際情況，對(duì)不同照明組合方案和效果進(jìn)行分析比較，從而選擇出最優(yōu)方案。要求路燈分布和間距合理，能提高照明利用率，保障夜間行車安全。②充分利用環(huán)境條件。有研究稱，將路燈設(shè)置在高反射的路面或建筑旁，能提高光能利用度，加強(qiáng)道路照明效果。

2.2.2 光源節(jié)能

城市道路建設(shè)中，合理選擇照明燈具，將光源分配到不同方向，避免炫光，提高光照利用度，實(shí)現(xiàn)光源上的節(jié)能。①燈具使用效率高低，和反光罩的質(zhì)量有關(guān)系，要想發(fā)揮出反光罩的作用，就要對(duì)光源進(jìn)行精準(zhǔn)配合。反光罩的制作材料，一般選用高純鋁板，優(yōu)點(diǎn)是透光性好、反射效率高。②高壓鈉燈的光通量高，不僅運(yùn)行穩(wěn)定，而且使用壽命長，在道路照明中應(yīng)用廣泛。隨著生產(chǎn)工藝進(jìn)步，LED燈的光效利用率不斷提高，使用壽命延長，電能消耗降低，是光源節(jié)能的一個(gè)重要方向。

2.2.3 線路節(jié)能

線路節(jié)能就是合理縮短供電距離，優(yōu)化電力線路的設(shè)計(jì)方案，降低線路產(chǎn)生的電能損耗。①城市道路普遍較長，相應(yīng)的供電線路也很長。導(dǎo)線的截面積越大電阻越小，相應(yīng)的電能損失越小，因此電纜線選擇截面積較大的。②不少城市進(jìn)入零點(diǎn)后，用電量明顯減小，特定時(shí)間內(nèi)電壓增高，不僅消耗電能，還會(huì)影響燈具使用壽命。對(duì)此，可以安裝節(jié)能設(shè)備，根據(jù)電壓變化調(diào)整照明亮度，還能延長設(shè)備的使用壽命。

2.2.4 控制節(jié)能

控制節(jié)能就是采用智能化的控制系統(tǒng)，對(duì)道路照明進(jìn)行精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化調(diào)控，在滿足照明需求的前提下，達(dá)到降低能耗的效果。①合理規(guī)劃路燈的開關(guān)時(shí)間，綜合考慮季節(jié)、天氣、不同區(qū)域位置等因素。②將新一代信息技術(shù)應(yīng)用其中，基于無線網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)下，對(duì)路燈進(jìn)行控制。③安裝固定調(diào)節(jié)器、節(jié)能型電子鎮(zhèn)流器，對(duì)燈光照度進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低使用功率。

3 城市照明智慧化管控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由運(yùn)行、管理、功能三部分組成。①運(yùn)行部分，包括執(zhí)行設(shè)備、應(yīng)用技術(shù)和功能設(shè)備。②管理部分，包括管理要素、管理方法、結(jié)果評(píng)估。③功能部分，功能設(shè)置具有獨(dú)立性和擴(kuò)展性，包括開關(guān)管控功能、調(diào)光管控功能、單燈獨(dú)立控制功能、第三方接口協(xié)議控制功能等。

3.2 生態(tài)構(gòu)架

該系統(tǒng)的生態(tài)構(gòu)架見圖1，核心是智慧控制管理中心。該中心不僅對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，還要下發(fā)實(shí)時(shí)操作指令，監(jiān)測(cè)并反饋各個(gè)單元的運(yùn)行狀態(tài)。一旦遇到異常情況，及時(shí)報(bào)警并應(yīng)急響應(yīng)，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 照明智慧化管控系統(tǒng)的生態(tài)構(gòu)架

縱向來看，基于光纖傳輸技術(shù)、TCP/IP協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)的支持，和智慧控制終端柜相連。智慧控制終端柜中的PAVT智能模塊，通過不同接口和底層應(yīng)用連接，對(duì)功能照明、夜景燈光、3D投影、多媒體燈光、音樂噴泉、特效燈光、激光表演進(jìn)行控制。

橫向來看，擴(kuò)展出音頻輸出、視頻輸出功能，在光纖、以太網(wǎng)、4G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)支持下，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。利用云平臺(tái)，可對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，通過整合數(shù)據(jù)、觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)指令和任務(wù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性。經(jīng)云平臺(tái)接入智能終端，例如智慧照明APP，可以方便技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行功能調(diào)試，運(yùn)營管理中也能進(jìn)行場(chǎng)景編輯，不同場(chǎng)景可實(shí)現(xiàn)一鍵觸發(fā)。

4 城市照明節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造實(shí)踐

4.1 改造前現(xiàn)狀

以杭州市主城區(qū)為例，現(xiàn)有路燈13萬盞，其中高壓鈉燈7.4萬盞，LED及其他路燈5.6萬盞。城市建設(shè)發(fā)展中，路燈數(shù)量仍在增加。

財(cái)政支出方面。①高壓鈉燈，每年電費(fèi)支出約7145萬元。②LED及其他路燈，每年電費(fèi)支出約2698萬元。③路燈維護(hù)，每年支出約3000萬元。以上三項(xiàng)支出匯總，道路照明上的財(cái)政支出約為每年12840萬元。

路燈管理方面。通過調(diào)查分析，該城市路燈在運(yùn)行管理中存在的問題有：①技術(shù)落后，管理部門無法準(zhǔn)確掌握路燈運(yùn)行狀況，不滿足精細(xì)化管理要求。②能耗較高，高壓鈉燈不能調(diào)節(jié)照度，造成能源浪費(fèi)。③存在安全隱患，例如漏電、燈桿傾斜倒塌等。

4.2 改造方法

基于道路照明財(cái)政支出高、運(yùn)行管理差的現(xiàn)狀，實(shí)施節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造方案。當(dāng)?shù)卣捎霉_招標(biāo)的方式，和中標(biāo)單位簽訂能源管理合同，由中標(biāo)單位負(fù)責(zé)升級(jí)改造和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)，期間人力、材料、設(shè)備的配置均由中標(biāo)單位負(fù)責(zé)。升級(jí)改造完成后，道路照明系統(tǒng)在運(yùn)行中，中標(biāo)單位負(fù)責(zé)安全管理，從節(jié)能產(chǎn)生的收益、收回的管養(yǎng)費(fèi)用中獲得利潤。

中標(biāo)單位經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查和分析研究，決定將高壓鈉燈、老舊的LED燈，全部更換為新型LED燈，發(fā)揮出高光效、抗光衰、節(jié)能性優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)綠色照明、節(jié)能降耗的目標(biāo)。①技術(shù)方面。如表1，分別使用220W、120W、60W LED燈，代替原來的400W、250W、150W高壓鈉燈。改造后，不僅光效和燈具效率提高，而且整燈功耗明顯降低，三種改造方案的節(jié)能率分別為47.8%、55.2%、61.2%。②管理方面。采用智慧路燈管控系統(tǒng)，對(duì)路燈的照明亮度進(jìn)行控制。結(jié)合道路等級(jí)、夜間實(shí)際照度、交通流量、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等，在零點(diǎn)后將路燈功率降低20%～30%，既滿足國家標(biāo)準(zhǔn)限值，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)電效果。

表1 LED路燈代替高壓鈉燈方案

4.3 改造后效益分析

本次路燈節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造完成后，取得顯著綜合效益：①照明質(zhì)量提高。改造后，道路照明質(zhì)量高于國家標(biāo)準(zhǔn)的，保持原標(biāo)準(zhǔn)不變；低于國家標(biāo)準(zhǔn)的，提高至國家標(biāo)準(zhǔn)限值，更好地滿足道路照明需求。②管理水平提升。一方面，改造后的路燈系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，能將故障位置和類型信息發(fā)送給維修人員，有助于及時(shí)開展維修作業(yè)。另一方面，智慧化管控系統(tǒng)中具有用電檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警等功能，保證了路燈的使用安全，能避免發(fā)生人員傷害事件。③節(jié)能效果明顯。改造后，LED燈的節(jié)電率達(dá)到60%，對(duì)保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有推動(dòng)作用。④運(yùn)營成本降低。改造后，8年合同期內(nèi)財(cái)政總支出16000萬元，見表2。相比于改造前的40000萬元，財(cái)政支出費(fèi)用減少24000萬元。

表2 改造后財(cái)政支出統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語

我國城市照明控制系統(tǒng)，經(jīng)歷了傳統(tǒng)控制、遠(yuǎn)程控制，目前向智能化控制的方向發(fā)展。針對(duì)當(dāng)前照明系統(tǒng)能耗較高的現(xiàn)狀，文章從設(shè)計(jì)、光源、線路、控制4個(gè)方面提出節(jié)能技術(shù)，闡述了智慧化管控系統(tǒng)的應(yīng)用。在未來，對(duì)城市照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，加快節(jié)能型城市的建設(shè)步伐。