城市道路照明節能設計分析

袁 超

上海市城市綜合管理事務中心，上海 200023

0 引言

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

1 光源選擇

1.1 道路照明燈具的發展歷程

在過去幾十年的發展中，基于氣體放電光源的道路照明燈具經歷了幾代更迭。第一代燈具是20世紀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、透霧性能好等優點，直到現在仍是道路照明的主流燈具。近年來，隨著科技的不斷進步，在倡導綠色照明、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半導體照明技術在節能、環保等方面的優勢已逐步顯現，但由于產品質量參差不齊，其在道路照明領域的推廣面臨諸多障礙?！笆濉逼陂g，實施城市綠色照明，節約能源、保護環境已成為城市建設管理工作的重點任務之一。隨著城市照明節能改造的加快，在新、改（擴）建道路照明工程中LED路燈的應用率不斷提升。以上海為例，截至2020年年底，全市的市、區建設管理部門管理燈盞數約為630 000盞，LED燈盞總數約為81 000盞，占比達12.8%?！笆奈濉睍r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勢占據道路照明光源的主導地位，其光效一般為100～120 lm/W。LED路燈誕生初期，受技術限制，光效在100 lm/W以下。但隨著技術的不斷進步，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130 lm/W，與高壓鈉燈相當。（2）顯色指數。高壓鈉燈雖然光效高，但其顯色指數僅有20～25；LED路燈的顯色指數可達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，照明環境呈昏黃色；LED路燈一般采用3 000 K暖白光，照明環境更溫馨舒適。（4）使用壽命和環保性。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；LED路燈的芯片及其封裝不含有害物質，更環保且安全。（5）方向性和出光效率。傳統路燈光源（高壓鈉燈）一般向整個空間發光，但需要路燈照亮的只是行車和行人的路面，因此在設計路燈燈具時，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光，非常適合采用透鏡或反射器進行光學設計，燈具出光效率可達80%以上。綜上所述，LED路燈更具發展前景。

2 布燈間距

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

以某條實施照明節能改造的道路為例，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，兩側人行道各寬3.5 m，全長約1 050 m。原照明設計標準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。工程范圍內共布置70套150 W高壓鈉燈，布燈方式為雙側對稱布置、縱向間距30 m。對該路段照明實施節能改造，照明方案對比如表1所示，原方案、節能改造方案、優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，節電率為36.2%。根據軟件模擬，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計指標，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省約14%的電量。因此，為建設資源節約型城市，照明節能設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 節能改造方案的照明效果模擬

圖3 優化方案的照明效果模擬

3 節能控制

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

（1）部分閉燈。部分閉燈是最早采用也是最簡單的節能方案，通過關閉部分路燈節約電能，一般采用“亮一關一”方式。該方案簡單易行、節電效果明顯，最大缺點是路面的照度均勻度顯著下降，“斑馬線”現象嚴重，容易引起司機視覺疲勞，對行車安全產生不利影響。隨著節能控制措施的不斷改進，該方案已逐步被淘汰。

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

圖4 變功率鎮流器（400 W/250 W）接線圖

根據道路照明工程的實際情況，可以利用道路現有的鎮流器和觸發器進行改造，只需在回路中新增一個調光節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。由于這種改造方法簡單、方便，節電率約為40%，且進行節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。相關改造接線圖如圖5所示。

圖5 利用現有鎮流器改造接線圖

（3）采用智能照明調控裝置。深夜用電負荷減少，電網電壓普遍升高，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，會使節電效果大打折扣。為解決上述問題，在路燈控制箱內增加智能照明調控裝置是目前常用的措施。智能照明調控裝置可實時監測電網變化，動態調整輸出電壓，改善電壓波動問題，減少燈具額外耗能?？赏ㄟ^經緯度時間控制器（天文鐘）、光控傳感器、內部編程或遙控裝置等，實現時控、光控、程控等智能化控制功能，精確控制每天的開關燈時間，提高節電率。同時，由于裝置具有軟啟動和穩壓功能，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）采用單燈監控系統。單燈監控系統是基于因特網的新一代無線遠程節能監控系統，不僅可實現對各配電回路的節能控制，還可實現對每套燈具的節能調光控制，而且系統能實時監測各配電回路、各套燈具的電氣參數及各類故障，實現精細化管理。單燈監控系統不僅可實現節能控制，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能控制措施。

4 結論

綜合各方面因素，為提升道路照明的節能水平，提出節能設計建議如下：

（1）光源選用LED燈具；

（2）在滿足規范要求的前提下，選用較大的布燈間距；

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