“雙碳”背景下智能燈桿全生命周期節(jié)能降碳技術(shù)應(yīng)用探究

李白玉

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082)

引言

第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，中國(guó)向國(guó)際社會(huì)作出鄭重承諾：力爭(zhēng)2030年前達(dá)到CO2排放峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”既是一場(chǎng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性變革，也是一場(chǎng)關(guān)于新技術(shù)新市場(chǎng)的全球競(jìng)技，為我們工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來(lái)了新的思考和挑戰(zhàn)。

構(gòu)建智能城市是優(yōu)化能源格局、實(shí)現(xiàn)綠色低碳城市的重要途徑。在“雙碳”背景下，智能路燈作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，可集成智能照明、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、信息發(fā)布和共享充電等一系列城市公共服務(wù)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)桿體資源共建共享，有效減少重復(fù)建設(shè)、提升設(shè)施利用率，是降低碳排放的重要舉措之一。圍繞智能燈桿展開全生命周期的節(jié)能降碳技術(shù)可行性應(yīng)用探究，成為照明工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 “雙碳”背景智能燈桿節(jié)能降碳意義

隨著各種基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，各類桿件如照明燈桿、交通信號(hào)燈桿、交通標(biāo)識(shí)牌桿、道路指示牌、電子監(jiān)控桿等傳統(tǒng)設(shè)施必將面臨多桿林立的設(shè)置情況。在滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、功能要求、安全性的前提下，路燈桿以其覆蓋范圍廣、分布均勻、供電路徑可靠等優(yōu)勢(shì)，與道路上其他設(shè)施桿件遵循“能少則少、能合則合”的總原則，搭載其他智慧設(shè)施，形成智能合桿。同時(shí)，綜合桿為車路協(xié)同等設(shè)施預(yù)留安裝位置和通信接口，實(shí)現(xiàn)資源集約利用，節(jié)約城市建設(shè)成本。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)城市公共基礎(chǔ)設(shè)施之一的路燈用電量約占全國(guó)發(fā)電總量的9%～10%，城市道路照明燈具的數(shù)量預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到3 923.4萬(wàn)盞[2]。通過(guò)智能燈桿的建設(shè)，對(duì)項(xiàng)目周邊多種設(shè)施進(jìn)行整合，將無(wú)序的各種設(shè)施集成到智能綜合桿中，一方面可以美化道路周邊環(huán)境，避免不同步建設(shè)與重復(fù)建設(shè)；另一方面可以節(jié)約投資，降低維護(hù)資源投入，做到資源整合、管理集約及系統(tǒng)可拓展，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳具有重要意義。

據(jù)波士頓咨詢公司研究數(shù)據(jù)顯示，2030年前通過(guò)人工智能(AI)應(yīng)用有望減少全球26億～53億噸CO2排放量，約占全球總排放量的5%～10%[2]。智能燈桿有專門的供電線路，并采用高性能的工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)，為現(xiàn)場(chǎng)各種智能應(yīng)用裝置擴(kuò)展提供了基礎(chǔ)電源和通訊條件，形成城市公共區(qū)域全覆蓋的重要交互端。智能燈桿以照明燈桿為載體，整合多個(gè)智能交通設(shè)施終端，對(duì)城市碳足跡、碳匯等領(lǐng)域信息進(jìn)行收集，有效促進(jìn)相關(guān)區(qū)域的能源形態(tài)深度融合，通過(guò)管理平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)算、預(yù)測(cè)和評(píng)估，優(yōu)化及快速反應(yīng)而提升管理效率，大幅提升城市公共設(shè)施的能源使用效率，直接或間接地降低能源行業(yè)碳排放量。

2 智能燈桿全生命周期節(jié)能降碳技術(shù)應(yīng)用

2.1 供電方面——采用太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電

太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電是一種綠色、環(huán)保、高效、可再生的發(fā)電技術(shù)，照明工程設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用，從而節(jié)省能源，省去隨路電纜敷設(shè)，從源頭上降低能量供給消耗。

智能燈桿采用太陽(yáng)能、風(fēng)能供電，太陽(yáng)能光伏組件、風(fēng)力發(fā)電所收集的電能通過(guò)儲(chǔ)能管理或直接用于智能燈桿搭載的各類智能設(shè)施運(yùn)行，減少了發(fā)電廠燃料供電所產(chǎn)生的CO2，實(shí)現(xiàn)碳抵消及達(dá)到碳平衡[1]。通過(guò)雙向電力傳輸及儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，優(yōu)化及降低智能燈桿搭載功能模塊能耗，補(bǔ)充自身用電需求而減少碳排放，并配備儲(chǔ)能設(shè)備以備陰雨天使用，為遠(yuǎn)期提供接入電路的可能性及條件。

2.2 布設(shè)方面——采用合理燈桿布置

智能燈桿首先應(yīng)能滿足低碳照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要按照《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021)，明確城市照明的發(fā)展方向、燈光的空間結(jié)構(gòu)與布置[3]。在照明設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)道路等級(jí)確定照度或亮度等要求，嚴(yán)格遵循《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)來(lái)布置燈桿。

城市道路照明形式包括單側(cè)、雙側(cè)交錯(cuò)、對(duì)稱、中心對(duì)稱、橫向懸掛等形式。要根據(jù)被照物的特性和需要，選用最節(jié)能的照明形式，同時(shí)滿足照明設(shè)計(jì)節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)(即功率密度不超限值)。在滿足標(biāo)準(zhǔn)下合理布置燈桿，減少不必要的燈桿建設(shè)，從而降低生產(chǎn)成本、資源投入及使用時(shí)的能源損耗、環(huán)境污染、處理?yè)p耗等，減少碳排放。

以一條18 m橫斷面的支路為例。方案一采用單桿雙臂照明方式，機(jī)動(dòng)車道照明燈具容量為60 W、高度8.5 m；人行步道照明燈具容量為40 W、高度6.5 m。燈桿雙側(cè)對(duì)稱布置，燈桿間距約為25 m，燈桿安裝在設(shè)施帶內(nèi)，如圖1所示。

圖1 照明橫斷面布置圖(方案一)Fig.1 Lighting cross section layout (Scheme 1)

方案二在支路道路標(biāo)準(zhǔn)段采用單桿單臂照明方式，機(jī)動(dòng)車道照明燈具容量為120 W、高度12 m。燈桿單側(cè)布置，燈桿間距約為35 m(為避免照度均勻度不好，局部間距可縮短至30 m)，燈桿安裝在設(shè)施帶內(nèi)，如圖2所示。

圖2 照明橫斷面布置圖(方案二)Fig.2 Lighting cross section layout (Scheme 2)

2.2.1 智能燈桿數(shù)量精簡(jiǎn)

就工程范圍1 km來(lái)說(shuō)，方案一及方案二均能滿足支路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且機(jī)動(dòng)車道照明功率密度值均滿足規(guī)范要求。方案一雙側(cè)對(duì)稱布置，燈桿設(shè)置數(shù)量大約80個(gè)；方案二單側(cè)布置，燈桿設(shè)置數(shù)量大約32個(gè)，燈桿數(shù)量上方案二減少60%。

2.2.2 智能燈桿排管及線纜縮短

為滿足遠(yuǎn)期智慧設(shè)施供電及通信需求，以及為后期穿線預(yù)留條件，防止二次開挖埋管敷設(shè)，現(xiàn)有工程智能燈桿管道需隨路設(shè)置9根PE100DN110排管(其中2根用于敷設(shè)供電電纜，1根用于敷設(shè)通信光纜，6根為預(yù)留)。就工程范圍1 km來(lái)說(shuō)，方案一道路兩側(cè)均需敷設(shè)排管及電纜，方案二僅需一側(cè)敷設(shè)，排管數(shù)量及電纜長(zhǎng)度至少減少50%。

2.2.3 智能燈桿綜合井及基礎(chǔ)減少

每處智能燈桿處均需設(shè)置一個(gè)路段綜合井用于管道續(xù)接，以便后期穿線及檢修。方案一雙側(cè)對(duì)稱綜合井及基礎(chǔ)設(shè)置數(shù)量大約80個(gè)，單側(cè)布置綜合井及基礎(chǔ)設(shè)置數(shù)量大約32個(gè)，數(shù)量上減少60%。

綜上分析可知，通過(guò)合理的燈桿布置，可以優(yōu)化智能燈桿排布方式，減少桿柱林立、電纜及排管敷設(shè)長(zhǎng)度、綜合井及基礎(chǔ)工程量，從根本上減少碳生產(chǎn)，相對(duì)節(jié)省投資成本約56%(表1)。在節(jié)能降碳大背景下，顯然照明方案二更為合理。

表1 方案一與方案二投資對(duì)比Table 1 Comparison of investment between Plan 1 and Plan 2 單位：萬(wàn)元

2.3 光源方面——采用高效低耗LED燈

原國(guó)家道路一般采用高壓鈉燈作為道路照明光源，在實(shí)際應(yīng)用中取得很好的照明效果。伴隨著新光源和節(jié)能技術(shù)的推廣，以及響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，道路照明積極推廣新的節(jié)能光源和新的照明技術(shù)，LED作為新興的高光效照明光源，被廣泛應(yīng)用在道路、廣場(chǎng)和隧道照明等工程設(shè)計(jì)中。

相比于高壓鈉燈，LED路燈的功耗可降低35%以上[4]，節(jié)電效率至少可達(dá)47%[5]。高壓鈉燈使用壽命為4 000 h左右，而LED路燈使用壽命為50 000 h以上，損壞率極低，電源效率高。另外，LED為無(wú)汞光源，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)污染，后期維護(hù)成本也更低。在光的控制及參數(shù)調(diào)整方面，高壓鈉燈不具備可控性，但 LED 燈具卻具備高可控性，LED照明的節(jié)能性提升到70%～80%，能更好地實(shí)現(xiàn)按需照明[6]。表2為L(zhǎng)ED燈與高壓鈉燈綜合性能對(duì)比。

表2 LED燈與高壓鈉燈性能對(duì)比Table 2 Performance comparison between LED lamp and high pressure sodium lamp

2.4 材料方面——采用低碳高強(qiáng)度GR65材質(zhì)

現(xiàn)工程中智能燈桿結(jié)構(gòu)件材料多采用Q345材質(zhì)，雖然結(jié)構(gòu)性較好，但環(huán)保性較差。GR65高強(qiáng)鋼相比Q345鋼板，具有低碳低硅、高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)微量元素的控制，增強(qiáng)了鍍鋅鋅層的附著力，長(zhǎng)期使用不發(fā)黑，完全保證了熱浸鍍鋅的質(zhì)量，降低了更換率，并可進(jìn)行各種表面特殊加工，例如：熱鍍鋅陽(yáng)極氧化、環(huán)保噴塑等。

GR65相比常用的低合金鋼Q345，GR65屈服強(qiáng)度大于450 MPa，Q345屈服強(qiáng)度小于345 MPa，GR65屈服強(qiáng)度較Q345高30%以上，因此在桿件設(shè)計(jì)時(shí)，同樣的強(qiáng)度可以節(jié)約10%～18%的成本鋼材。此外，GR65熱鍍鋅效果較好、防腐效果好、鋼板厚度的級(jí)差也較細(xì)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了寬泛的選擇性。燈桿使用強(qiáng)度不變，GR65相對(duì)重量輕，運(yùn)輸成本也可降低。而且通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行可回收、再利用，可降低不可降解材料對(duì)環(huán)境的影響。表3為GR65與Q345材料的綜合性能對(duì)比。

表3 GR65與Q345材料對(duì)比Table 3 Material Comparison between GR65 and Q345

2.5 應(yīng)用方面——采用智能燈桿搭載智能設(shè)施

交通運(yùn)輸行業(yè)CO2排放占全國(guó)總排放量的近9%[1]，通過(guò)智能燈桿搭載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)施，能有效收集和監(jiān)測(cè)覆蓋區(qū)域中的CO2含量、SO2含量、揚(yáng)塵濃度、PM2.5濃度等氣象環(huán)境信息，用于智能監(jiān)管平臺(tái)綜合分析與對(duì)比，從而發(fā)出優(yōu)化及調(diào)整指令，發(fā)揮智能燈桿搭載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)施在減碳達(dá)標(biāo)中的作用。

常見的操作模式為當(dāng)檢測(cè)到CO2含量通過(guò)道路綠植無(wú)法實(shí)現(xiàn)碳中和時(shí)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)管平臺(tái)，通過(guò)系統(tǒng)管理平臺(tái)觀測(cè)及分析道路交通占比情況，從而對(duì)道路交通進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整疏導(dǎo)，為人員提供優(yōu)化通行路線，進(jìn)而減少車輛因道路擁堵、停留而產(chǎn)生的CO2排放量。

2.6 控制方面——采用智能照明控制系統(tǒng)

智能照明著眼于節(jié)能減排、綠色環(huán)保，著力于不同情況下智能照明的亮度調(diào)節(jié)和開關(guān)控制。一是根據(jù)環(huán)境的明暗程度，自動(dòng)開啟照明；二是根據(jù)日落日出時(shí)間進(jìn)行開關(guān)控制；三是根據(jù)聲音控制，根據(jù)紅外線自動(dòng)捕捉聲音，實(shí)現(xiàn)人及車輛通過(guò)時(shí)自動(dòng)開啟。

針對(duì)不同道路，根據(jù)道路等級(jí)確定調(diào)光最低值，接入智能照明管控平臺(tái)、桿柱控制器、照明集中控制器等設(shè)備，即可根據(jù)季節(jié)變化、車流量、人流量、光照等不同場(chǎng)景，結(jié)合路段所在區(qū)域自動(dòng)執(zhí)行節(jié)能策略，實(shí)現(xiàn)單燈照明控制、分組控制、定時(shí)計(jì)劃任務(wù)等智能控制功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正的按需照明、節(jié)能降碳。

2.7 管維方面——采用智能燈桿碳中和監(jiān)管平臺(tái)

建立一個(gè)智能燈桿碳中和監(jiān)管平臺(tái)，平臺(tái)通過(guò)智能燈桿(搭載有智能設(shè)施終端)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)，收集大數(shù)據(jù)、碳排放量等信息來(lái)預(yù)測(cè)模型，對(duì)工程碳排放、碳匯分析、碳足跡、碳吸收等綜合維度進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)及管理。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制算法等技術(shù)手段進(jìn)行模型優(yōu)化，構(gòu)建“碳中和”預(yù)測(cè)模型來(lái)提供優(yōu)化策略，提出切實(shí)可行的建議和實(shí)現(xiàn)途徑。

同時(shí)，智能燈桿碳中和監(jiān)管平臺(tái)，也可改變傳統(tǒng)巡修模式，工作人員通過(guò)終端，可遠(yuǎn)程監(jiān)控城區(qū)每一盞路燈的工作狀態(tài)、每一條道路的照明效果。系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障主動(dòng)報(bào)警、能耗統(tǒng)計(jì)等功能，可大幅度減少人機(jī)投入的能源，降低維護(hù)成本，達(dá)成精準(zhǔn)運(yùn)維、動(dòng)態(tài)運(yùn)維。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源增長(zhǎng)需求與減排降碳的目標(biāo)同時(shí)存在，這對(duì)實(shí)際工程中智能燈桿的設(shè)計(jì)是個(gè)考驗(yàn)。智能燈桿作為智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施及技術(shù)跨界融合的新興行業(yè)，在“雙碳”目標(biāo)背景下應(yīng)首當(dāng)其沖做出應(yīng)對(duì)。通過(guò)無(wú)碳能源、低碳能源和新能源應(yīng)用，結(jié)合科技創(chuàng)新和再利用等技術(shù)，把綠色發(fā)展理念貫穿智能燈桿設(shè)計(jì)的全生命周期，對(duì)于落實(shí)節(jié)能減碳有一定的推動(dòng)作用。

本文淺從智能燈桿生產(chǎn)、供電、布設(shè)、實(shí)施、運(yùn)營(yíng)管理等多維度探究了可實(shí)施的降碳點(diǎn)，基于智能桿的多功能性以及一體化搭載與管理，將單一的道路照明功能向綜合城市管理功能方向轉(zhuǎn)變，為加速我國(guó)節(jié)能降碳進(jìn)程，在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)助力。