城市道路照明節(jié)能設(shè)計分析

袁 超

上海市城市綜合管理事務(wù)中心，上海 200023

0 引言

早在2011年，國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《“十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要》就已經(jīng)提出倡導(dǎo)綠色照明消費方式，在滿足城市照明基本功能的前提下降低照明的單位能耗，提高城市照明的質(zhì)量和節(jié)能水平。道路照明節(jié)能貫穿道路工程的設(shè)計、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)等階段，其中，設(shè)計階段的節(jié)能尤為重要。文章從設(shè)計角度探究提升道路照明節(jié)能水平的措施，重點從光源選擇、布燈間距、節(jié)能控制等方面著手。

1 光源選擇

1.1 道路照明燈具的發(fā)展歷程

在過去幾十年的發(fā)展中，基于氣體放電光源的道路照明燈具經(jīng)歷了幾代更迭。第一代燈具是20世紀(jì)40年代開始流行的熒光燈和低壓鈉燈。其中，熒光燈配光差、光效一般；低壓鈉燈光效雖高，但發(fā)出的光是近乎單色的黃光，分辨顏色能力差，不宜用于城市道路照明。第二代燈具是20世紀(jì)60年代開始流行的高壓汞燈和高壓鈉燈，二者都具有較好的光效和配光性能，尤其是高壓鈉燈，其具有光效高、壽命長、透霧性能好等優(yōu)點，直到現(xiàn)在仍是道路照明的主流燈具。近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步，在倡導(dǎo)綠色照明、降低能耗的背景下，LED路燈開始嶄露頭角。

“十二五”期間，雖然LED半導(dǎo)體照明技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保等方面的優(yōu)勢已逐步顯現(xiàn)，但由于產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，其在道路照明領(lǐng)域的推廣面臨諸多障礙。“十三五”期間，實施城市綠色照明，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境已成為城市建設(shè)管理工作的重點任務(wù)之一。隨著城市照明節(jié)能改造的加快，在新、改（擴(kuò)）建道路照明工程中LED路燈的應(yīng)用率不斷提升。以上海為例，截至2020年年底，全市的市、區(qū)建設(shè)管理部門管理燈盞數(shù)約為630 000盞，LED燈盞總數(shù)約為81 000盞，占比達(dá)12.8%。“十四五”時期，既有高壓鈉燈將被逐步淘汰，LED路燈必將成為道路照明的主要光源。

1.2 高壓鈉燈與LED路燈的對比

（1）光效。高壓鈉燈一直以高光效的優(yōu)勢占據(jù)道路照明光源的主導(dǎo)地位，其光效一般為100～120 lm/W。LED路燈誕生初期，受技術(shù)限制，光效在100 lm/W以下。但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來，LED路燈的光效不斷提高。目前，科銳（Cree）、流明（Philips Lumileds）等公司的大功率中性白光LED路燈的光效水平已達(dá)130 lm/W，與高壓鈉燈相當(dāng)。（2）顯色指數(shù)。高壓鈉燈雖然光效高，但其顯色指數(shù)僅有20～25；LED路燈的顯色指數(shù)可達(dá)75左右，接近自然光。高顯色性有助于司機和行人識別障礙及危險，在同樣的路面亮度下能更好地保障道路使用者的安全通行。（3）色溫。高壓鈉燈色溫僅2 000 K，照明環(huán)境呈昏黃色；LED路燈一般采用3 000 K暖白光，照明環(huán)境更溫馨舒適。（4）使用壽命和環(huán)保性。高壓鈉燈壽命為28 000 h，LED路燈的壽命為50 000 h。高壓鈉燈等氣體放電燈含有汞等有害物質(zhì)；LED路燈的芯片及其封裝不含有害物質(zhì)，更環(huán)保且安全。（5）方向性和出光效率。傳統(tǒng)路燈光源（高壓鈉燈）一般向整個空間發(fā)光，但需要路燈照亮的只是行車和行人的路面，因此在設(shè)計路燈燈具時，為了盡可能地使燈光均勻并集中地投射到路面上，需要使用曲面反射器來收集光線。由于光源的阻擋和反射面的吸收損失，使路燈的出光效率僅為70%～75%。反觀LED路燈，因其具有良好的方向性，可以在半平面上定向發(fā)光，非常適合采用透鏡或反射器進(jìn)行光學(xué)設(shè)計，燈具出光效率可達(dá)80%以上。綜上所述，LED路燈更具發(fā)展前景。

2 布燈間距

道路照明燈桿的布置間距是節(jié)能設(shè)計不可忽略的重要因素。正常情況下，照明燈桿建設(shè)完畢后不會再次調(diào)整，既有道路實施節(jié)能改造時一般只更換燈具。因此，在設(shè)計階段，在滿足規(guī)范要求的前提下，選擇合適的、較大的布燈間距對照明節(jié)能至關(guān)重要。

以某條實施照明節(jié)能改造的道路為例，該道路的等級為城市次干路，雙向4車道，紅線寬24 m，其中機動車道寬17 m，兩側(cè)人行道各寬3.5 m，全長約1 050 m。原照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為路面平均亮度維持值取1.00 cd/m2，總均勻度最小值取0.4，縱向均勻度最小值取0.5。工程范圍內(nèi)共布置70套150 W高壓鈉燈，布燈方式為雙側(cè)對稱布置、縱向間距30 m。對該路段照明實施節(jié)能改造，照明方案對比如表1所示，原方案、節(jié)能改造方案、優(yōu)化方案的道路照明效果模擬分別如圖1、圖2、圖3所示，不同方案的照明效果模擬計算值如表2所示。實施照明節(jié)能改造時，以100 W LED路燈替換150 W高壓鈉燈，改造后每小時耗能7.7 kW·h，節(jié)電率為36.2%。根據(jù)軟件模擬，如果以縱向間距35 m的方案布置燈桿，采用100 W LED路燈能滿足各項照明設(shè)計指標(biāo)，且該方案每小時耗能僅6.6 kW·h，相比改造后的用電量又能節(jié)省約14%的電量。因此，為建設(shè)資源節(jié)約型城市，照明節(jié)能設(shè)計時需確定合適的布燈間距。

表1 照明方案對比表

表2 不同方案的照明效果模擬計算值

圖1 原方案的照明效果模擬

圖2 節(jié)能改造方案的照明效果模擬

圖3 優(yōu)化方案的照明效果模擬

3 節(jié)能控制

深夜人、車流量較小，不能繼續(xù)使用前半夜的照明標(biāo)準(zhǔn)，《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 45—2015）[1]也明確要求在深夜選擇節(jié)能措施降低路面照度。常用的深夜節(jié)能控制措施如下。

（1）部分閉燈。部分閉燈是最早采用也是最簡單的節(jié)能方案，通過關(guān)閉部分路燈節(jié)約電能，一般采用“亮一關(guān)一”方式。該方案簡單易行、節(jié)電效果明顯，最大缺點是路面的照度均勻度顯著下降，“斑馬線”現(xiàn)象嚴(yán)重，容易引起司機視覺疲勞，對行車安全產(chǎn)生不利影響。隨著節(jié)能控制措施的不斷改進(jìn)，該方案已逐步被淘汰。

（2）采用變功率鎮(zhèn)流器。變功率鎮(zhèn)流器又稱雙功率鎮(zhèn)流器，是2010年出現(xiàn)的一種深夜節(jié)能方案。變功率鎮(zhèn)流器的本質(zhì)是節(jié)能電感鎮(zhèn)流器，其利用氣體放電燈在工作電流適當(dāng)減少時仍能正常運行的原理，通過預(yù)制時間，在下半夜增加回路電感，從而降低電流，達(dá)到節(jié)能效果[2]。變功率鎮(zhèn)流器（400 W/250 W）的接線圖如圖4所示。

圖4 變功率鎮(zhèn)流器（400 W/250 W）接線圖

根據(jù)道路照明工程的實際情況，可以利用道路現(xiàn)有的鎮(zhèn)流器和觸發(fā)器進(jìn)行改造，只需在回路中新增一個調(diào)光節(jié)能器模塊和一個定時控制器模塊就可以完成改造。模塊既可以加裝在燈具里，也可以安裝在燈桿內(nèi)。由于這種改造方法簡單、方便，節(jié)電率約為40%，且進(jìn)行節(jié)能控制后不改變照度均勻度，僅使平均照度等比例下降，其成為部分閉燈的主要替代方案。相關(guān)改造接線圖如圖5所示。

圖5 利用現(xiàn)有鎮(zhèn)流器改造接線圖

（3）采用智能照明調(diào)控裝置。深夜用電負(fù)荷減少，電網(wǎng)電壓普遍升高，由此增加的電能損耗約為路燈正常運行時能耗的20%。如不采取措施，會使節(jié)電效果大打折扣。為解決上述問題，在路燈控制箱內(nèi)增加智能照明調(diào)控裝置是目前常用的措施。智能照明調(diào)控裝置可實時監(jiān)測電網(wǎng)變化，動態(tài)調(diào)整輸出電壓，改善電壓波動問題，減少燈具額外耗能?？赏ㄟ^經(jīng)緯度時間控制器（天文鐘）、光控傳感器、內(nèi)部編程或遙控裝置等，實現(xiàn)時控、光控、程控等智能化控制功能，精確控制每天的開關(guān)燈時間，提高節(jié)電率。同時，由于裝置具有軟啟動和穩(wěn)壓功能，氣體放電燈既不會因突然的電壓過低而滅弧，也不會因電壓過高而燒毀，可有效延長壽命[3]。

（4）采用單燈監(jiān)控系統(tǒng)。單燈監(jiān)控系統(tǒng)是基于因特網(wǎng)的新一代無線遠(yuǎn)程節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可實現(xiàn)對各配電回路的節(jié)能控制，還可實現(xiàn)對每套燈具的節(jié)能調(diào)光控制，而且系統(tǒng)能實時監(jiān)測各配電回路、各套燈具的電氣參數(shù)及各類故障，實現(xiàn)精細(xì)化管理。單燈監(jiān)控系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)節(jié)能控制，還能提高城市路燈智能化管理水平，減少運維成本，將成為今后主流的節(jié)能控制措施。

4 結(jié)論

綜合各方面因素，為提升道路照明的節(jié)能水平，提出節(jié)能設(shè)計建議如下：

（1）光源選用LED燈具；

（2）在滿足規(guī)范要求的前提下，選用較大的布燈間距；

（3）采用“智能照明調(diào)控裝置+單燈監(jiān)控系統(tǒng)”的節(jié)能控制措施。為建設(shè)資源節(jié)約型城市，提高城市道路照明的節(jié)能水平，各工程可根據(jù)所在城市及工程的實際情況在設(shè)計階段落實照明節(jié)能方案，為節(jié)省電費支出、落實道路照明節(jié)能工作作出積極貢獻(xiàn)。